Akustooptischer Modulator

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Ein akustooptischer Modulator, abgekürzt AOM, ist ein optisches Bauelement, das einfallendes Licht in Frequenz und Ausbreitungsrichtung oder Intensität beeinflusst. 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. Akustooptische Modulatoren, die zur Ablenkung des Lichts eingesetzt werden, werden auch Braggzellen genannt.

Funktionsweise eines akustooptischen Modulators[Bearbeiten]

Prinzip eines AOMs (Einsatz zur Amplitudenmodulation des abgelenkten Strahls)

Ein akustooptischer Modulator besteht aus einem durchsichtigen Festkörper, Glas oder einem Kristall, an dem zur Erzeugung von Schallwellen an einem Ende ein Piezoelement angebracht ist. Am anderen Ende befindet sich ein Schallabsorber, um Reflexionen und stehende Wellen zu vermeiden.

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

Die Schallwelle mit Signalfrequenzen von typischerweise f = 10 \dots 2000 MHz bewirkt im Kristall eine periodische Änderung der Dichte und damit eine periodische Modulation des Brechungsindex. Der Abstand \Lambda der „Linien“ dieses Gitters ist gleich der Wellenlänge \Lambda = \lambda_\mathrm{US} der Ultraschallwelle und lässt sich über die Schallgeschwindigkeit c_{\mathrm{US}} und die Schallfrequenz f berechnen, mit

\lambda_\mathrm{US} = \frac{c_\mathrm{US}}{f}

Für den Kristall wird meist LiNbO3 oder PbMoO4 verwendet. Typische Schallgeschwindigkeiten in solchen Kristallen betragen um die 3700–4300 m/s. Bei einer Frequenz von 200 MHz ergeben sich Gitterkonstanten von 18,5–21,5 µm. Dies sind typische Werte, die jedoch von der verwendeten Ultraschallfrequenz, dem verwendeten Medium und dessen Schallgeschwindigkeit abhängen.

Typischerweise ist der Querschnitt des einfallenden Lichtbündels deutlich größer als die Periode der Brechungsindexmodulation, und die Lichtgeschwindigkeit ist sehr viel größer als die Schallgeschwindigkeit.

Dann kann man näherungsweise annehmen, dass das Licht eine statische Brechungsindexmodulation sieht und eine konstruktive Interferenz des Lichtes für die Braggwinkel \Theta_m mit

 \sin(\Theta_m) = \frac{\lambda_m}{2 \Lambda}

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

Das gestreute Licht erfährt eine Doppler-Frequenzverschiebung mit der Frequenz \Omega 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:

\hbar \vec{k}_\text{Photon, vorher} + \hbar \vec{k}_\text{Phonon} = \hbar \vec{k}_\text{Photon, nachher}

Hierbei ist \hbar das durch 2\pi dividierte Plancksche Wirkungsquantum und k 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:

h \nu_\text{Photon, vorher} + h \nu_\text{Phonon} = h \nu_\text{Photon, nachher}

Hier ist h das Plancksche Wirkungsquantum und \nu_\text{Photon} die Frequenz des Lichts, also der Photonen. Der Ausdruck \nu_\text{Phonon} bezeichnet die Frequenz der Schallwelle. Die Frequenz des Lichts wird also genau um die Frequenz der Schallwelle verschoben.

Die Frequenzverschiebung des Lichtes ist sehr klein im Verhältnis zur Frequenz der Lichtwelle, weil die Ultraschall-Frequenz (≈ 107 … 109 Hz) wesentlich kleiner als die Frequenz des Lichts (> 1014 Hz) ist. Sie ist jedoch für einige Anwendungen wesentlich.

Anwendungen[Bearbeiten]

Die Anwendungen lassen sich in die Bereiche schnelles Schalten, Ablenkung, Amplitudenmodulation (periodische Verluste), Frequenzmodulation (Frequenzverschiebung) sowie Frequenzselektion unterteilen:

  • Periodische Verluste:
    • Einbringen periodischer Verluste in einen Laserresonator, zur aktiven Modenkopplung des Lasers, sorgt für gepulsten Betrieb.
  • Ablenkung:
    • Elektrisch steuerbare Ablenkung eines Laserstrahls, z. B. für automatisches Justieren der Strahlposition. Im besten Fall hat das dafür verwendete Maximum erster Ordnung (m=1) über 90 % der Strahlintensität; der Rest geht verloren (nicht abgelenkt oder höhere Ordnungen)
    • Intensitätsvariation 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.
  • Frequenzverschiebung:
    • des Laserlichts für Heterodyn-Interferometer,
    • des Laserlichts für die Erzeugung laufender Interferenzmuster zwischen dem ursprünglichen Laserstrahl und dem durch den AOM-frequenzverschobenen Laserstrahl,
    • des Laserlichts für Anwendungen in der hochauflösenden Spektroskopie und für Manipulation von Atomen in Ionenfallen,
    • des Laserlichts bei der Laser-Doppler-Anemometrie, um die Bewegungsrichtung zu bestimmen.
  • Frequenzselektion:

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

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblink[Bearbeiten]