Praktikum zur linearen Optik Versuch: Akusto
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Universität Stuttgart Dr. Robert Löw, Dr. Sven Ulrich version.26.01.09 Praktikum zur linearen Optik Versuch: Akusto-optischer Modulator Grundlagen Ein Akustooptischer Modulator (AOM) ist ein aktives optisches Bauelement das auf vielseitige Art und Weise zur Manipulation von Laserstrahlen verwendet werden kann. In einem AOM wird eine elektromagnetische Welle eines Lasers in einem Kristall an einer Schallwelle (Phonon) Bragg-gebeugt. Die Schallwelle (typischerweise benutzt man AOMs im Radiofrequenzbereich von einigen 10 MHz bis wenige GHz) wird mittels eines Transducers piezoelektrisch aus einer Radiofrequenzquelle in den Kristall eingekoppelt. Mit Hilfe von AOMs ist zum Beispiel eine schnelle Modulation (bis zu einigen 10 MHz) der Lichtintensität möglich, was zum schnellen Ein- und Ausschalten der Intensität oder zur Stabilisierung der Laserintensität verwendet wird. Durch die Absorption, bzw. stimulierte Emission eines Phonons (Schallwelle) wird die elektromagnetische Welle des Lasers um die entsprechende Freuqenz des Phonons verschoben und monochromatisches Licht kann damit bis zu einige GHz verstimmt werden. Dies ist vor allem für spektroskopische Anwendungen interessant, da die Linientbreiten von atomaren Übergangen typischerweise einige MHz breit sind. Eine weitere Anwendung ist durch die räumliche Ablenkung des Laserstrahl durch den aufgenommen, bzw. abgegebenen Impuls des Phonons um einige mrad gegeben. Diese kann benutzt werden um optische Potentiale in einer Dimension beliebig zu formen indem man die eingestrahlte Leistung der Radiofrequenz und die Frequenz entsprechend moduliert. Die Funktionsweise eines AOMs beruht auf dem photoelastischen Effekt, d.h. Lichtablenkung durch Schallwellen. Durchläuft eine Schallwelle ein optisch transparentes Medium, so erzeugt ihre Dichteschwankung eine Variation des Brechungsindex. Die periodische Änderung δn des Brechungsindex im Kristall ist in guter Näherung gegeben durch ~ p · ~r), δn(t, ~r) = δn0 sin(ωp t − K (1) ~ p der Wellenvektor wobei ωp die Kreisfrequenz der Schallwelle im Medium ist und K der Schallwelle im Medium. Dies entspricht einem optischen Phasengitter mit ei2πc nem Gitterabstand von λ = ωpp , welches sich mit der Schallgeschwindigkeit cp im Medium fortbewegt. In guter Näherung gilt cp << c, weshalb man das Phasengitter als ruhend betrachten kann. Der Querschnitt des einfallenden Strahlenbündels sei groß gegenüber dem Gitterabstand. Im Falle von Bragg-Streuung des Lasers an dem Phononengitter gilt Energie- und Impulserhaltung ~kout = ~kin ± K ~p (2) ωout = ωin ± ωp . (3) Hier ist k ist der Wellenvektor des Lasers im Medium, der Index in steht für den + einfallenden Strahl und der Index out für den auslaufenden gebeugten Strahl; ° - steht für die Erzeugung eines bedeutet, daß ein Phonon vernichtet wird, ein ° Phonons. Typische Zahlenwerte für eine AOM bestehend aus Tellurdioxid: Brechungsindex Te02 : n=2.4 Schallgeschwindigkeit: 4.2 km/s Aufgabe Berechnen Sie zunächst die Wellenlänge des Phonons im Kristall für eine Phononenfrequenz von 200 MHz. Benutzen Sie diese um mit der Braggbedingung den Ablenkwinkel für einen HeNe-Laser (Vakuum: λ = 633 nm) zu berechnen. Welchen Einfluß hat die Grenzfläche Kristall/Luft auf die Ablenkung? Aufgabe Die Schaltzeit eines AOMs hängt von der Größe des Laserstrahls ab, da die Schallwelle erstmal durch den Laserstrahl hindruchlaufen muß. Geben Sie die Schaltzeit in Abhngigkeit des Stahldurchmessers an. Um mglichst gute Schaltzeiten zu erreichen muß man den Laserfokus mglichst klein whlen. Welche Probleme ergeben sich daraus? Messaufgaben 1) Justieren Sie den Fokus eines Laserstrahls (z.b. f=300 Linse) auf den AOMKristall, so dass Sie Beugungsordnungen erhalten. Messen Sie den Ablenkwinkel und bestimmen Sie daraus die Schallgeschwindigkeit im Kristall. 2) Justieren Sie den AOM auf optimale Beugungseffizienz in der 1. Beugungsordnung. Welche Effizienz erreichen Sie? 3) Bestimmen Sie mit einer Photodiode die Schaltzeit des AOMs. Versuchen Sie die Schaltzeit möglichst klein zu bekommen, indem Sie die Grösse des Fokus anpassen.
