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Akustooptischer Modulator Ein akustooptischer Modulator AOM auch Bragg Zelle ist ein optisches Bauelement das einfallend

Akustooptischer Modulator

Ein akustooptischer Modulator (AOM, auch Bragg-Zelle) ist ein optisches Bauelement, das einfallendes Licht in Frequenz und Ausbreitungsrichtung oder Intensität beeinflusst, moduliert. Hierzu wird in einem transparenten Festkörper mit Schallwellen ein optisches Gitter erzeugt. An diesem Gitter wird der Lichtstrahl gebeugt und gleichzeitig in seiner Frequenz verschoben.

Aufbau und Funktionsweise Bearbeiten

Prinzip eines AOMs (Einsatz zur Amplitudenmodulation des abgelenkten Strahls)

Ein akustooptischer Modulator besteht traditionell aus einem durchsichtigen Quader (z. B. Quarzglas oder ein Kristall), in dem mittels eines Piezoschwingers Körperschall (Ultraschall) erzeugt wird. Gegenüber dem Piezoerreger befindet sich ein Schallabsorber, um Reflexionen und stehende Wellen zu vermeiden.

Weiterhin gibt es auch faseroptische akustooptische Modulatoren. Sie bieten geringere Einfügedämpfung, bessere Strahlqualität und eine leichtere Integration in faseroptische Systeme. Solche All-Fiber AOM's nutzen entlang der Faser laufende transversale oder longitudinale akustische Wellen. Letztere können z. B. ihrerseits im Faserkern befindliche Faser-Bragg-Gitter modulieren.

Die Ablenkung des Lichts in einem traditionellen akustooptischen Modulator funktioniert nach dem Prinzip der Beugung von Licht an einem optischen Gitter. Das optische Gitter besteht aus den Dichteschwankungen der den Kristall durchlaufenden Schallwelle.

Die Schallwelle mit Frequenzen von typischerweise 10 bis 2000 MHz bewirkt im Kristall eine periodische Änderung der Dichte und damit eine periodische Modulation des Brechungsindex. Der Abstand dieser „Gitterlinien“ ist gleich der Wellenlänge der Ultraschallwelle und lässt sich aus der Schallgeschwindigkeit und der Schallfrequenz berechnen zu

Für den Kristall wird meist LiNbO3 oder PbMoO4 für sichtbares Licht und nahes Infrarot sowie Ge für mittleres Infrarot verwendet. Typische Schallgeschwindigkeiten in solchen Kristallen liegen zwischen 3700 und 4300 m/s. Eine Frequenz von 195 MHz ergibt eine Gitterkonstante von 19 bis 22 µm. Dies sind typische Werte. Der genaue Wert hängt von der verwendeten Ultraschallfrequenz und der Schallgeschwindigkeit des verwendeten Mediums ab.

Typischerweise ist der Querschnitt des einfallenden Lichtbündels deutlich größer als die räumliche Periode der Brechungsindexmodulation, und da die Lichtgeschwindigkeit sehr viel größer als die Schallgeschwindigkeit ist, kann man näherungsweise annehmen, dass das Licht eine statische Brechungsindexmodulation sieht und eine konstruktive Interferenz des Lichtes für die Braggwinkel mit

erfährt, wobei die Wellenlänge des Lichtes im Kristall und die Periode der Brechungsindexmodulation sind.

Das gestreute Licht erfährt eine Doppler-Frequenzverschiebung mit der Frequenz des Ultraschalls. Der Vorgang ähnelt der Reflexion an einem bewegten Spiegel.

Eine andere, dazu äquivalente Betrachtungsweise betrachtet die Schallwelle im Festkörper als Phononen, die mit den Photonen des Lichts wechselwirken. Die Ablenkung des Lichts kommt dadurch zustande, dass der Impuls der Phononen zum Impuls der Photonen vektoriell addiert wird:

Hierbei ist das durch dividierte Plancksche Wirkungsquantum und der Wellenvektor der Photonen bzw. Phononen. In dieser Betrachtungsweise folgt aus der Energieerhaltung, dass sich durch die Wechselwirkung die Frequenz des Lichts um die Frequenz der Schallwelle ändert:

Hier ist das Plancksche Wirkungsquantum und die Frequenz des Lichts, also der Photonen. Der Ausdruck bezeichnet die Frequenz der Schallwelle. Die Frequenz des Lichts wird also genau um die Frequenz der Schallwelle verschoben.

Die relative Frequenzverschiebung des Lichtes ist sehr klein, da die Ultraschall-Frequenz (≈ 107 … 109 Hz) wesentlich kleiner als die Frequenz des Lichts (≈ 1014 … 1015 Hz) ist. Sie ist jedoch für einige Anwendungen wesentlich.

Anwendungen Bearbeiten

Ein AOM zur Frequenzverschiebung (hier 175 MHz) von Laserstrahlung (hier Nahinfrarot 700…1100 nm); Strahlweg: ovales Fenster, rechts: koaxialer HF-Anschluss

AOM werden zur Manipulation von Laserstrahlung verwendet. Die Anwendungen lassen sich folgendermaßen gliedern:

  • Ablenkung und Modulation
    • Elektrisch steuerbare Ablenkung eines Laserstrahls, z. B. für automatisches Justieren der Strahlposition. Im besten Fall hat das dafür verwendete Maximum erster Ordnung () über 90 % der Strahlintensität; der Rest geht verloren (nicht abgelenkt oder höhere Ordnungen)
    • Amplitudenmodulation des Laserstrahls durch Ablenkung in einen Absorber. Dies beruht darauf, dass bei geringer Intensität der Schallwelle der abgelenkte Anteil des Strahls proportional zur Schallintensität ist.
    • Einbringen zeitlich periodischer Verluste in einen Laserresonator, zur aktiven Modenkopplung des Lasers, sorgt für gepulsten Betrieb.
  • Frequenzselektion

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Naumann, Schröder: Bauelemente der Optik. Taschenbuch der technischen Optik. Fachbuchverlag Leipzig
  • Frank L. Pedrotti, Leno S. Pedrotti, Werner Bausch: Optik für Ingenieure. Grundlagen. Springer, Berlin
  • Helmbrecht Bauer: Lasertechnik: Grundlagen und Anwendungen. Vogel-Verlag, Würzburg

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. R. E. Silva, T. Tiess, M. Becker, T. Eschrich, M. Rothhardt, M. Jäger, A. A. P. Pohl, H. Bartelt: All-fiber 10 MHz acousto-optic modulator of a fiber Bragg grating at 1060 nm wavelength. In: Optics Express. Band 23, Nr. 20, 2015, S. 25972–25978, doi:10.1364/OE.23.025972 (englisch).

Weblinks Bearbeiten

  • Acousto-optic Modulators in der Encyclopedia of Laser Physics and Technology (englisch)
  • Introduction to Acousto-Optics. (PDF; 237 kB) (Nicht mehr online verfügbar.) Brimrose Corporation of America, 2002, archiviert vom Original am 8. Oktober 2007; (englisch).
  • N. Zhang: Acousto-Optic Tunable Filters Spectrally Modulate Light. (PDF; 585 kB) Brimrose Corporation of America, 2011; (englisch).
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Ein akustooptischer Modulator AOM auch Bragg Zelle ist ein optisches Bauelement das einfallendes Licht in Frequenz und Ausbreitungsrichtung oder Intensitat beeinflusst moduliert Hierzu wird in einem transparenten Festkorper mit Schallwellen ein optisches Gitter erzeugt An diesem Gitter wird der Lichtstrahl gebeugt und gleichzeitig in seiner Frequenz verschoben Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau und Funktionsweise 2 Anwendungen 3 Siehe auch 4 Literatur 5 Einzelnachweise 6 WeblinksAufbau und Funktionsweise Bearbeiten nbsp Prinzip eines AOMs Einsatz zur Amplitudenmodulation des abgelenkten Strahls Ein akustooptischer Modulator besteht traditionell aus einem durchsichtigen Quader z B Quarzglas oder ein Kristall in dem mittels eines Piezoschwingers Korperschall Ultraschall erzeugt wird Gegenuber dem Piezoerreger befindet sich ein Schallabsorber um Reflexionen und stehende Wellen zu vermeiden Weiterhin gibt es auch faseroptische akustooptische Modulatoren Sie bieten geringere Einfugedampfung bessere Strahlqualitat und eine leichtere Integration in faseroptische Systeme Solche All Fiber AOM s nutzen entlang der Faser laufende transversale oder longitudinale akustische Wellen Letztere konnen z B ihrerseits im Faserkern befindliche Faser Bragg Gitter modulieren 1 Die Ablenkung des Lichts in einem traditionellen akustooptischen Modulator funktioniert nach dem Prinzip der Beugung von Licht an einem optischen Gitter Das optische Gitter besteht aus den Dichteschwankungen der den Kristall durchlaufenden Schallwelle Die Schallwelle mit Frequenzen f displaystyle f nbsp von typischerweise 10 bis 2000 MHz bewirkt im Kristall eine periodische Anderung der Dichte und damit eine periodische Modulation des Brechungsindex Der Abstand L displaystyle Lambda nbsp dieser Gitterlinien ist gleich der Wellenlange l S c h a l l displaystyle lambda mathrm Schall nbsp der Ultraschallwelle und lasst sich aus der Schallgeschwindigkeit c S c h a l l displaystyle c mathrm Schall nbsp und der Schallfrequenz f displaystyle f nbsp berechnen zu l S c h a l l c S c h a l l f displaystyle lambda mathrm Schall frac c mathrm Schall f nbsp Fur den Kristall wird meist LiNbO3 oder PbMoO4 fur sichtbares Licht und nahes Infrarot sowie Ge fur mittleres Infrarot verwendet Typische Schallgeschwindigkeiten in solchen Kristallen liegen zwischen 3700 und 4300 m s Eine Frequenz von 195 MHz ergibt eine Gitterkonstante von 19 bis 22 µm Dies sind typische Werte Der genaue Wert hangt von der verwendeten Ultraschallfrequenz und der Schallgeschwindigkeit des verwendeten Mediums ab Typischerweise ist der Querschnitt des einfallenden Lichtbundels deutlich grosser als die raumliche Periode der Brechungsindexmodulation und da die Lichtgeschwindigkeit sehr viel grosser als die Schallgeschwindigkeit ist kann man naherungsweise annehmen dass das Licht eine statische Brechungsindexmodulation sieht und eine konstruktive Interferenz des Lichtes fur die Braggwinkel 8 m displaystyle Theta m nbsp mit sin 8 m l 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koaxialer HF AnschlussAOM werden zur Manipulation von Laserstrahlung verwendet Die Anwendungen lassen sich folgendermassen gliedern Schnelles Schalten Guteschaltung in gepulsten Lasern Blanking bei scannenden Verfahren wie bestimmte Verfahren der Fotolithografie oder Lasershows Ablenkung und Modulation Elektrisch steuerbare Ablenkung eines Laserstrahls z B fur automatisches Justieren der Strahlposition Im besten Fall hat das dafur verwendete Maximum erster Ordnung m 1 displaystyle m 1 nbsp uber 90 der Strahlintensitat der Rest geht verloren nicht abgelenkt oder hohere Ordnungen Amplitudenmodulation des Laserstrahls durch Ablenkung in einen Absorber Dies beruht darauf dass bei geringer Intensitat der Schallwelle der abgelenkte Anteil des Strahls proportional zur Schallintensitat ist Einbringen zeitlich periodischer Verluste in einen Laserresonator zur aktiven Modenkopplung des Lasers sorgt fur gepulsten Betrieb Frequenzverschiebung Heterodyn Interferometer Erzeugung laufender Interferenzmuster zwischen dem ursprunglichen Laserstrahl und dem durch den AOM frequenzverschobenen Laserstrahl Anwendungen in der hochauflosenden Spektroskopie und fur Manipulation von Atomen in Ionenfallen Laser Doppler Anemometrie um die Bewegungsrichtung zu bestimmen Laser Doppler Vibrometrie Frequenzselektion Auswahl der Farbe fur mehrfarbige Lasershows Siehe auch BearbeitenPhotoelastischer ModulatorLiteratur BearbeitenNaumann Schroder Bauelemente der Optik Taschenbuch der technischen Optik Fachbuchverlag Leipzig Frank L Pedrotti Leno S Pedrotti Werner Bausch Optik fur Ingenieure Grundlagen Springer Berlin Helmbrecht Bauer Lasertechnik Grundlagen und Anwendungen Vogel Verlag WurzburgEinzelnachweise Bearbeiten R E Silva T Tiess M Becker T Eschrich M Rothhardt M Jager A A P Pohl H Bartelt All fiber 10 MHz acousto optic modulator of a fiber Bragg grating at 1060 nm wavelength In Optics Express Band 23 Nr 20 2015 S 25972 25978 doi 10 1364 OE 23 025972 englisch Weblinks BearbeitenAcousto optic Modulators in der Encyclopedia of Laser Physics and Technology englisch Introduction to Acousto Optics PDF 237 kB Nicht mehr online verfugbar Brimrose Corporation of America 2002 archiviert vom Original am 8 Oktober 2007 abgerufen am 28 Januar 2010 englisch N Zhang Acousto Optic Tunable Filters Spectrally Modulate Light PDF 585 kB Brimrose Corporation of America 2011 abgerufen am 3 Mai 2023 englisch Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Akustooptischer Modulator amp oldid 236825675