1 Elektro-optische Modulatoren vs. akusto
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Elektro-optische Modulatoren vs. akusto-optische Modulatoren Elektro-optische Modulatoren (EOM) und akusto-optische Modulatoren (AOM) sind optische Bauteile, die zur Prüfung der Intensität eines Laserstrahls dienen können. Da sie ohne bewegte Teile auskommen und durch ein elektrisches Signal angesteuert werden, arbeiten sie viel schneller und präziser als mechanisch gesteuerte Bauteile. Das Funktionsprinzip von EOM und AOM basiert auf völlig unterschiedlichen physikalischen Effekten. Dies wiederum erklärt deren unterschiedlichen optischen Eigenschaften. EOM EOMs nutzen den linearen elektro-optischen oder Pockels-Effekt, welcher die Veränderung des Brechungsindex eines optischen Mediums, das von einem äußeren elektrischen Feld beeinflusst wird, beschreibt. Dadurch werden manche Kristalle in Richtung der optischen Achse doppelbrechend, die isotrop ist, wenn keine Spannung anliegt. Demzufolge kann der Zustand der linearen Polarisation verändert werden: Bei Anliegen einer Spannung am Kristall wird durch den Pockels-Effekt eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationskomponenten des sich ausbreitenden Lichts hervorgerufen, wohingegen die Polarisation unverändert bleibt, solange keine Spannung anliegt. Durch den Pockels-Effekt wirkt der Kristall somit wie eine elektrisch schalt- und justierbare Verzögerungsplatte. Die Größe dieser Phasenverschiebung skaliert linear mit der angelegten Spannung. Positioniert man nun eine Pockelszelle zwischen zwei gekreuzte Polarisatoren verhält sie sich wie ein elektro-optischer Modulator. In dieser Anordnung kann die Intensität eines Laserstrahls kontinuierlich moduliert werden. Schaltgeschwindigkeit und Modulationsfrequenzen sind begrenzt durch die HochspannungsTreiberelektronik. Sie liegen bei ca. 5 ns und mehreren 100 kHz. Die Größe der Apertur wird nur durch die verfügbaren elektro-optischen Kristalle eingeschränkt und hat keinen Einfluss auf die Schaltgeschwindigkeit des Modulators. Hochspannungstreiber Polarisator Polarisator Pockels zelle Pockels zelle Keine angelegte Spannung λ/2 – Spannung angelegt 1 AOM Akusto-optische Modulatoren erzeugen eine periodische Modulation des Brechungsindex in einem transparenten Medium, an der Licht ähnlich wie bei der Bragg-Beugung gestreut wird. Die periodische Index-Modulation wird durch Schallwellen generiert, die bei ihrer Ausbreitung durch das Medium ein periodisches Dichtegitter bilden. Die Schallwellen werden durch einen piezo-elektrischen Schallgeber erzeugt, welcher wiederum von Radiofrequenzen angetrieben wird. Ein akustischer Absorber am anderen Ende des Kristalls verhindert das „Zurückwandern“ der akustischen Welle zum Schallgeber. Aufgrund der Bragg-Beugung wird die Richtung des Laserstrahls leicht verändert. Deshalb muss man unterscheiden zwischen der „Transmission“ in der ursprünglichen Strahlrichtung und der „Effizienz“, die den Teil des ursprünglichen Strahls, der in der ersten Ordnung gebeugt wird, angibt. Die Intensität der Schallwelle bedingt die Effizienz des AOM und wird demzufolge zur Modulation der Lichtintensität genutzt. Die Schaltgeschwindigkeit eines AOM ist begrenzt durch die Zeit, die die Schallwelle benötigt, um den Strahldurchmesser zu durchqueren. Um eine schnelle Modulation zu erreichen, muss der Strahldurchmesser sehr klein gehalten werden. Dies wiederum bewirkt einen Konflikt zwischen der Lichtintensität und der Laser induzierten Zerstörschwelle für den Modulator. Anders als bei der herkömmlichen Bragg-Beugung, wird das Licht durch ein bewegtes Brechungsindex-Gitter gestreut. Dies erzeugt eine geringe Frequenzverschiebung des gebeugten Lichts, die der Frequenz der Schallwelle entspricht. Piezo-elektrischer Umformer Radio Frequenz Generator Kristall oder Glas Gebeugter Strahl erster Ordnung Geblockter Strahl Absorber 2 Vergleich von EOM und AOM bezüglich Anwendung / Eigenschaften Anwendung / Eigenschaften EOM AOM Q-switching Ja, möglich Ja, möglich Intensitätsmodulation Ja, möglich Ja, möglich Phasenmodulation Ja, möglich Nicht möglich Transmission 98 % Transmission: 98 % Effizienz: 90 % Extinktion 3000:1 2000:1 Anstiegs- / Abfallzeit der angewendeten Modulation Begrenzt durch Treiber (ca. 5ns) Begrenzt durch Strahldurchmesser -> Konflikt mit LIDT Spektrales Filtern bis zu 500 kHz – 1 MHz (Pockelszelle) bis zu 20 MHz (Modulatoren) Nicht möglich Ja, möglich Beugung Nicht möglich Ja, möglich Spektrum 250 nm – 5 µm 250 nm -1600 nm 9,3µm; 11 µm Modulationsbandbreite 3 bis zu 50 – 100 MHz
