Laser Modulatoren Einführung

Einführung und Technische Erläuterungen

Elektro-optische Kristalle ändern ihre optische Dicke instantan als Funktion der Stärke eines angelegten äußeren elektrischen Feldes. Der Effekt ist abhängig von der Polarisation der einfallenden Strahlung. Für zwei orthogonal zueinander polarisierte Strahlen beträgt der Gangunterschied gerade dann 180°, wenn die sogenannte λ/2-Spannung angelegt wird. Bei entsprechender Kristalljustierung dreht sich für linear polarisiert einfallendes Licht die Polarisationsebene um 90°. Bei einem Intensitätsmodulator entfernt dann ein Polarisator das Licht vollständig aus dem Strahlengang. Durch Variation der anliegenden Spannung kann die Intensität des durchgehenden Lichtes einfach moduliert werden.Der Modulator kann somit in einfacher Weise als Phasenverzögerungsplatte mit elektrisch einstellbarer Verzögerung verstanden werden.

Modulatoren der Serie LM 0202 machen vom transversalen elektrooptischen Effekt Gebrauch: Lichtstrahlrichtung und elektrische Feldrichtung stehen senkrecht aufeinander. Lange Kristalle mit geringem Querschnitt erlauben somit kleine λ/2-Spannungen.

Da die meisten Modulatortypen dieser Bauart einen starken Hintergrund an natürlicher Doppelbrechung haben, wird eine spezielle Kompensationsanordnung verwendet. Jeder Modulator dieser Serie enthält vier Kristalle, deren gegenseitiger Längenunterschied kleiner als 100 nm ist. Diese Kristalle sind optisch in Serie und elektrisch parallel geschaltet.

Die Kristalle der Modulatoren LM 0202 bzw. LM 0202 P sind so zueinander orientiert, dass die Phasenverschiebung infolge der natürlichen Doppelbrechung minimal ist. Jedoch muss, genau wie bei einer konventionellen λ/2-Platte, die Polarisationsebene des Laserstrahles 45° zur optischen Achse geneigt sein, um bei angelegter λ/2-Spannung genau 90°-Drehung zu erreichen.

Falls der einfallende Strahl parallel zur optischen Achse polarisiert ist, findet keine Polarisationsdrehung statt. In diesem Fall erfolgt reine Phasenverzögerung. Diese Betriebsweise gestattet die Anwendung des Universalmodulators LM 0202 als Phasenmodulator. Hierbei sind jedoch nur zwei der vier Kristalle des Modulators elektrooptisch aktiv. Deshalb wurde ein spezieller Phasenmodulator (LM 0202 PHAS) entwickelt. In diesem Modulator ist die Phasenverschiebung infolge der natürlichen Doppelbrechung nicht kompensiert, dafür sind jedoch alle vier Kristalle elektrooptisch aktiv.

Der PM 25 ist ein Phasenmodulator höchster optischer Qualität, bei dem alle optischen Elemente unter dem Brewsterwinkel angeordnet sind. Dadurch ist er besonders gut geeignet für die Intracavity-Anwendung. Eine sehr einfache Montage des Modulators im Resonator ist gewährleistet, weil kein Strahlversatz auftritt.

Bei allen Modulatoren sind der Strahlversatz und das Auseinanderlaufen des ordentlichen und außerordentlichen Strahles infolge der natürlichen Doppelbrechung der Kristalle mit Hilfe einer Kompensationsanordnung beseitigt worden. Diese in Verbindung mit dem massiven Aluminiumgehäuse garantiert eine gute thermische und mechanische Stabilität.

Elektrooptische Modulatoren erfordern für ihre Funktion als schneller Intensitätsmodulator üblicherweise linear polarisiertes Licht. Falls die Lichtquelle nicht hinreichend polarisiert ist, kann eine  Nachpolarisation bequem mit einem Polarisationswürfel vorgenommen werden.

Der Intensitätsmodulator LM 0202 P besitzt einen internen Polarisator, der als Analysator benutzt wird.

Die elektrischen Eingänge des Modulators sind direkt mit dem Kristall verbunden und gegen das Gehäuse isoliert. Durch Erhöhung der Spannung zwischen den Buchsen ändert sich die Intensität des austretenden Laserstrahles. Durch einfache Justierung der Lage des Modulators wird eine Extinktion von besser 1:250 erreicht. Ausgewählte Exemplare mit weiter erhöhtem Extinktionsverhältnis sind auf Anfrage erhältlich.

Betreibt man einen elektro-optischen Modulator zwischen gekreuzten (oder auch parallelen) Polarisatoren erhält man einen Intensitätsverlauf der folgenden Form:

I = I_o · sin2 (U/U_λ/2 · π /2)

U_λ/2 -  Halbwellenspannung
I_o - Eingangsintensität
U - Signalspannung

Es wurde dabei vorausgesetzt, dass die entsprechende Offsetspannung anliegt. Die Offsetspannung bewirkt eine Verschiebung der Intensitätskurve über die Spannung. Die Halbwellenspannung ist proportional zur Wellenlänge λ, zur Kristalldicke d und umgekehrt proportional zur Kristalllänge l.

U_λ/2 = λ * d / (n₀³ * r₆₃ * l)

Hierbei ist n₀ der Brechungsindex des ordentlichen Strahls und r₆₃ der elektrooptische Koeffizient des Kristalls. In vielen Fällen ist es von Vorteil, die Offsetspannung derart zu wählen, dass die  Lichtintensität in erster Ordnung linear von der angelegten Spannung abhängt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Offsetspannung ausgehend vom Wert für minimale Intensität um 1/2 × U_λ/2 geändert wird.

Modulatoren der Serie LM 0202 sind hermetisch verschlossen. Sie können bei einem Druck im Bereich von 100 mbar bis zu 1500 mbar und Temperaturen von 0°C bis 50°C betrieben werden. Das Standardmodell wird horizontal betrieben. Modulatoren für vertikalen Gebrauch sind auf Anfrage erhältlich. Die Reinigung der Fenster kann in einfacher Weise mit einem milden organischen Lösungsmittel vorgenommen werden.

Anwendungen

Elektro-optische Modulatoren der Serie LM 0202 oder LM 13 können immer dann eingesetzt werden, wenn eine Modulation von Intensität, Leistung, Phase oder Polarisationszustand erforderlich ist. Die Geräte sind für kontinuierlich emittierende und gepulste Laser geeignet. Standardmodelle in verschiedenen Ausführungen können in Wellenlängenbereichen oder für konkrete Wellenlängen zwischen 250-1100 nm eingesetzt werden. Auf Nachfrage lässt sich mit Sonderkristallen der Einsatzbereich bis ca. 4000 nm erweitern.

Typische Anwendungen sind Modulation starker Ionenlaser im Sichtbaren und UV, insbesondere Argonionenlaser, Helium-Cadmium-Laser oder Krypton- und Weißlicht-Mischgaslaser. Weitere Anwendungen liegen in der Modulation von Diodenlasern und kontinuierlichen Festkörperlasern.

Typische Einsatzgebiete liegen in Laser Scanning Mikroskopie, Stereolithografie, Laserprojektion, optischer Speicherung, Drucktechnik, Nachrichtentechnik sowie der Forschungs- und Entwicklungsarbeit mit Lasern.

Typische Anwendung des Phasenmodulators PM 25 und des PM-C-BB ist die schnelle und resonanzfreie Intracavity-Modulation der Resonatorlänge. Damit lassen sich sehr schnelle Regelkreise mit  hoher Feedback-Verstärkung für die Frequenz- und Phasenstabilisierung von Präzisionslasern aufbauen.

Auswahlkriterien

Ausgehend vom vorhandenen Lasersystem werden zunächst Wellenlänge und benötigte Apertur festgelegt. Sehr hohe Laserleistungen im Multiwattbereich machen eine große Apertur erforderlich. Laserlinien im kurzwelligen Spektralbereich können ohne weiteres mit Modulatoren geringer elektrooptischer Wechselwirkungslänge arbeiten. Hierdurch wird ein Vorteil in Bandbreite und Baugröße erreicht. Für verlustarme Anwendungen, insbesondere Intracavity-Modulation, sollte ein Brewster-Modulator hoher optischer Qualität verwendet werden.