광학 변조기 Acousto-Optic Modulator
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음향 광학 변조기는 석영 유리와 같은 재료에 음파를 가하는 압전 변환기로 구성되어 있다. 광선 빔은 여러 개의 Order로 굴절된다. 순수 Sine 곡선에 의한 소재 진동 그리고 AOM 틸팅에 의하여, 광선 빔은 첫번째 Order 굴절이 평면 음파에 의하여 진행방향이 휘어진다, 최대 90 %에 이르기까지 굴절 효율을 얻을 수 있다.
An acousto-optic modulator consists of a piezoelectric transducer which creates sound waves in a material like glass or quartz. A light beam is diffracted into several orders. By vibrating the material with a pure sinusoid and tilting the AOM so the light is reflected from the flat sound waves into the first diffraction order, up to 90% deflection efficiency can be achieved.
음향 광학 모듈레이터 (AOM), 또한 브래그 셀이라 불리우고, 음파(일반적으로 라디오 주파수)를 사용하여 빛의 주파수를 변화 및 분해하는 acousto - optic 효과를 사용한다. 그들은 레이저에 사용되는, 스위칭 신호를 변조, 통신, 및 주파수 제어를 위한 분광하는데 사용한다. 압전 변환기 소재로 유리와 같은 재질이 삽입된다. 진동 전기 신호를 진동하는 데 필요한 유리 음파를 생성하여 변환기를 드라이브하고, 이러한 굴절의 인덱스를 변경 확장과 압축으로 주기적 평면으로 생각을 할 수 있다. 들어오는 산란 빛은 scatters 결과로 주기적으로 색인을 변조 (Brillouin 산란 참조) 하여 간섭 굴절에서 브래그 굴절과 비슷하게 발생한다. 상호 작용은 음향 양자와 광자 파동 사이에 있는 4 개의 혼합 파동으로 생각할 수 있다. AOM 종단을 통과한 빛의 속성은 5 가지 방법으로 제어 할 수있다 :
An acousto-optic modulator (AOM), also called a Bragg cell, uses the acousto-optic effect to diffract and shift the frequency of light using sound waves (usually at radio-frequency). They are used in lasers for Q-switching, telecommunications for signal modulation, and in spectroscopy for frequency control. A piezoelectric transducer is attached to a material such as glass. An oscillating electric signal drives the transducer to vibrate, which creates sound waves in the glass. These can be thought of as moving periodic planes of expansion and compression that change the index of refraction. Incoming light scatters (see Brillouin scattering) off the resulting periodic index modulation and interference occurs similar to in Bragg diffraction. The interaction can be thought of as four-wave mixing between phonons and photons. The properties of the light exiting the AOM can be controlled in five ways:
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1. 빛의 굴절 Deflection
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굴절 빔은 빛의 파장 λ의 상대적인 소리 파장 Λ에 따라 각도 θ를 얻는다
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A diffracted beam emerges at an angle θ that depends on the wavelength of the light λ relative to the wavelength of the sound Λ
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여기서 m = ...- 2, -1,0,1,2, ... 굴절의 차수(순서)이다. AOM은 단지 phasematched 차수가 두껍게 굴절되어 얻어 지는것으로, 이를 브래그 굴절이라고 한다. 굴절 각도는 1 ~ 5000 빔 폭(확인할 수 있는 Spot의 갯수) 의 범위로 할 수 있다. 따라서, 일반적으로 굴절은 수십 milliradians 으로 제한된다.
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where m = ...-2,-1,0,1,2,... is the order of diffraction. As the AOM get thicker only phasematched orders are diffracted, this is called Bragg diffraction. The angular deflection can range from 1 to 5000 beam widths (the number of resolvable spots). Consequently, the deflection is typically limited to tens of milliradians.
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2. 강도 Intensity
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소리 파동에 의한 빛의 굴절 총량은 소리의 강도에 따라 달라진다. 따라서 소리의 강도는 굴절 빔 빛의 강도를 조절하는 데 사용할 수 있다. 일반적으로, 강도는 m = 0 차수는 입력 빛의 강도가 15 % ~ 99 %까지 변한다. 마찬가지로, m = 1 차수는 0 %에서 80 % 사이에서 변한다.
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The amount of light diffracted by the sound wave depends on the intensity of the sound. Hence, the intensity of the sound can be used to modulate the intensity of the light in the diffracted beam. Typically, the intensity that is diffracted into m=0 order can be varied between 15% to 99% of the input light intensity. Likewise, the intensity of the m=1 order can be varied between 0% and 80%.
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3. 주파수 Frequency
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브래그 회절로부터 하나의 차이점은 빛은 이동하는 평면공간에서 비산(산란)이 일어난다. 이 결과는 회절 빔의 주파수 f를 위해서 차수 m은 음파의 주파수 F와 동등한 총량에 의해 도플러-쉬프트 될 것이다.
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One difference from Bragg diffraction is that the light is scattering from moving planes. A consequence of this is the frequency of the diffracted beam f in order m will be Doppler-shifted by an amount equal to the frequency of the sound wave F.
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이 주파수 변화도 사실은 에너지와 추진력 (광자 및 phonons의) 과정에서 보존하는 데 필요한 시간이다. 전형적인 주파수 27 MHz에서 변동하고, 덜 비싼 AOM을 위하여 400 MHz까지 있으며, 첨단 상용 디바이스의 상태에 따라 다르다. 일부 AOM들은, 두 음향 파동은 소재내에서 반대 방향으로 진행하여, 정재파를 생성한다. 정재파로 부터의 회절은 회절된 빛의 주파수를 이동하지는 않는다.
This frequency shift is also required by the fact that energy and momentum (of the photons and phonons) are conserved in the process. A typical frequency shift varies from 27 MHz, for a less-expensive AOM, to 400 MHz, for a state-of-the-art commercial device. In some AOMs, two acoustic waves travel in opposite directions in the material, creating a standing wave. Diffraction from the standing wave does not shift the frequency of the diffracted light.
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4. 위상 Phase
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또한, 굴절된 빔의 위상은 음파의 위상에 의하여 옮겨진다. 위상은 임의의 총량으로 변경할 수 있다.
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In addition, the phase of the diffracted beam will also be shifted by the phase of the sound wave. The phase can be changed by an arbitrary amount.
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5. 양극화 Polarization
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Collinear 횡단 음향 파동 또는 수직 경선의 파동은 양극화 현상을 변경할 수 있다. 음향 파동이 많은 Pockels Cell처럼 복굴절 위상 변화를 유도하는 음향 광학식으로 조정할 수 있는 필터와 특별한 Dazzler로 가변 펄스 형태를 생성할 수 있으며, 이 원칙을 기반으로 한다.
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음향 광학 변조기는 훨씬 더 빨리 보다 일반적인 기계 장치와 같은 tiltable 거울이다. 빔의 쉬프트로 AOM에 걸리는 시간은 횡단 빔의 음파 (일반적으로 5-100 밀리초)의 변환시간(소요시간)으로 제한된다. 이 빠르기는 ultrafast 레이저에서 활성 modelocking를 만들어 낼 정도로 충분하다. 빠르게 컨트롤 할 때는 전기 광 모듈레이터가 사용된다. 그러나, 이것은 매우 높은 전압(예, 10 kilovolts)을 요구하는 반면, AOM들은 더 큰 굴절 범위, 심플한 디자인, 낮은 전력 소비 ( <3w) 을 제공한다.
Acousto-optic modulators are much faster than typical mechanical devices such as tiltable mirrors. The time it takes an AOM to shift the exiting beam in is roughly limited to the transit time of the sound wave across the beam (typically 5 to 100 microseconds). This is fast enough to create active modelocking in an ultrafast laser. When faster control is necessary electro-optic modulators are used. However, these require very high voltages (e.g. 10 kilovolts), whereas AOMs offer more deflection range, simple design, and low power consumption (<3 watts). |
