Akustooptischer Modulator

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

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 Λ der „Linien“ dieses Gitters ist gleich der Wellenlänge Λ = λ_US der Ultraschallwelle und lässt sich über die Schallgeschwindigkeit c_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 Θ_m mit

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

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

Das gestreute Licht erfährt eine Doppler-Frequenzverschiebung mit der Frequenz Ω 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 2π 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:

hν_{Photon, vorher} + hν_Phonon = hν_{Photon, nachher}

Hier ist h das Plancksche Wirkungsquantum und ν_Photon die Frequenz des Lichts, also der Photonen. Der Ausdruck ν_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 (≈ 10⁸ Hz} wesentlich kleiner als die Frequenz des Lichts (> 10¹⁴ Hz) ist. Sie ist jedoch für einige Anwendungen wesentlich.

Anwendungen

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

• Schnelles Schalten:
  • Güteschaltung in gepulsten Lasern.
  • Blanking bei scannenden Verfahren wie bestimmte Verfahren der Fotolithografie oder Lasershows.

• 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.

• Frequenzselektion:
  • Auswahl der Farbe für mehrfarbige Lasershows.

Literatur

• 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

• Optisches Gitter
• Photoelastischer Modulator

Weblink

• Acousto-optic Modulators in der Encyclopedia of Laser Physics and Technology (engl.)
• Einführung in die Akusto-Optik (PDF, englisch)