Ukrainian Journal of Physical Optics


2023 Volume 24, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

Enhancement of acousto-optic diffraction efficiency in SiO2 crystals due to ellipticity of optical eigenwaves: isotropic acousto-optic interaction

Mys O., Adamenko D. and Vlokh R.

O. G. Vlokh Institute of Physical Optics, 23 Dragomanov Street, 79005 Lviv, Ukraine

ABSTRACT

Based on the analysis of influence of a natural optical activity on the efficiency of isotropic acousto-optic (AO) diffraction, it has been found that accounting for the optical activity and a nonzero ellipticity of optical eigenwaves in quartz crystals leads to a peak-like increase in the effective elasto-optic coefficients and the acousto-optic figure of merit. We have shown that the AO figure of merit for the type I of AO interactions increases by 54%, reaching the value 1.58×10–15s3/kg. In case of AO interactions of the type II, it increases by more than three times and achieves nearly the same value. A similar situation also occurs for the types III and IV of AO interactions with the acoustic wave QT1. In particular, the peak value of the AO figure of merit for the type III of AO interactions increases by 19% and reaches 1.22×10–15s3/kg, while the AO figure of merit for the type IV of AO interactions increases more than order of magnitude (from 9.6×10–17 to 1.22×10–15s3/kg). The results of our study can be useful for developing the AO devices based on crystalline quartz and minimizing their energy consumption.

Keywords: acousto-optic diffraction, optical activity, quartz crystals, diffraction efficiency, ellipticity of optical eigenwaves

UDC: 535.43, 535.551, 535.562, 534-16

    1. Kharusai M S and Farnell G W, 1969. Observation of optical activity in Brillouin scattering experiments. Canad. J. Phys. 47: 2719-2725. doi:10.1139/p69-332
    2. Belyi V N, Kazak N S and Kulak G V, 2000. Features of acousto-optic interaction in uniaxial gyrotropic crystals. J. Appl. Spectr. 67: 139-147. doi:10.1007/BF02681433
    3. Mys O, Kostyrko M, Adamenko D, Martynyuk-Lototska I, Skab I and Vlokh R, 2022. Effect of ellipticity of optical eigenwaves on the enhancement of efficiency of acousto-optic Bragg diffraction. A case of optically active Pb5Ge3O11 crystals. AIP Adv. 12: 055130. doi:10.1063/5.0090489
    4. Yano T and Watanabe A, 1974. Acousto-optic figure of merit of TeO2 for circularly polarized light. J. Appl. Phys. 1243-1245. doi:10.1063/1.1663396
    5. Kurpeychik M I and Balakshy V I, 2018. Peculiarities of acousto-optic interaction in biaxial crystal of alpha-iodic acid. Appl. Opt. 57: 5549-5555. doi:10.1364/AO.57.005549
    6. Mys O, Adamenko D and Vlokh R, 2023. Influence of Faraday elliptical birefringence on the acousto-optic diffraction efficiency: a case of isotropic interaction with quasi-longitudinal acoustic waves in KH2PO4 crystals. Ukr. J. Phys. Opt. 24: 95-103. doi:10.3116/16091833/24/1/95/2023
    7. Moore L A and Smith C M, 2022. Fused silica as an optical material. Opt. Mater. Express. 12: 3043-3059. doi:10.1364/OME.463349
    8. Cady W G, 1921. The piezoelectric resonator. Phys. Rev. 17: 531.
    9. Pierce G W, 1923. Piezoelectric crystal resonators and crystal oscillators applied to the precision calibration of wavemeters. Proc. Amer. Acad. Arts Sci. 59: 81-106. doi:10.2307/20026061
    10. Lombardi M, 2008. The accuracy and stability of quartz watches. Horol. J.: 57-59.
    11. Khorsheed S M and Yaseen N M, 2021. Effect of square shaped acousto-optic modulators on the Bragg diffraction. J. Phys.: Conf. Ser. 1897: 012074 doi:10.1088/1742-6596/1897/1/012074
    12. Pitt C W, Skinner J D and Townsend P D, 1984. Acousto-optic diffraction of optical guided waves in crystal quartz. Electron. Lett. 20: 4-5. doi:10.1049/el:19840003
    13. Chang I C, 1974. Tunable acoustooptic filter utilizing acoustic beam walkoff in crystal quartz. Appl. Phys. Lett. 25: 323-324. doi:10.1063/1.1655491
    14. https://www.gophotonics.com/search/acousto-optic-modulator/filters?page=1&country=global&sacousto_optic_material=;Quartz%20Crystal.
    15. Shaskolskaya M P. Acoustic Crystals. Moscow: Nauka, 1982.
    16. Di Wang, Jia Zhao, Kejian Yang, Shengzhi Zhao, Tao Li, Dechun Li, Guiqiu Li and Wenchao Qiao, 2016. Modulation frequency characteristics in a doubly Q-switched Nd:Gd0.63Y0.37VO4 laser with an acoustooptic modulator and a V3+:YAG saturable absorber. Opt. Quant. Electron. 48: 553. doi:10.1007/s11082-016-0826-1
    17. Collins R W and Ferlauto A S, 2005. Optical physics of materials, in: Irene E G & Tomkins H G (Eds), Handbook of Ellipsometry. Norwich, NY: William Andrew. doi:10.1016/B978-081551499-2.50004-6
    18. Arteaga O, Canillas A and Jellison G E Jr, 2009. Determination of the components of the gyration tensor of quartz by oblique incidence transmission two-modulator generalized ellipsometry. Appl. Opt. 48: 5307-5317. doi:10.1364/AO.48.005307
    19. Narasimhamurty T S, 1969. Photoelastic constants of a quartz. J. Opt. Soc. Amer. 59: 682-686. doi:10.1364/JOSA.59.000682
    20. Landolt-Borstein. Zahlenwerte und Funktionen aus Naturwissenschaften und Technik. Neue Serie: Bd. I. Elastiche, piezooptishe konstanten von kristallen. Berlin: Springer, 1971.
    21. Konstantinova A F, Grechushnikov B N, Bokut B V and Valyashko E G. Optical Properties of Crystals. Minsk: Navuka i Tekhnika, 1995.
    22. Sirotin Yu and Shaskolskaya M P. Fundamentals of Crystal Physics. Moscow: Nauka, 1975.

    На основі аналізу впливу природної оптичної активності на ефективність ізотропної акустооптичної (АО) дифракції встановлено, що врахування оптичної активності та ненульової еліптичності власних оптичних хвиль у кристалах кварцу приводить до пікоподібного зростання ефективних пружнооптичних коефіцієнтів і АО-добротності. Показано, що АО-добротність для типу I взаємодій зростає на 54%, досягаючи значення 1,58×10–15с3/кг. За типу ІІ взаємодій, АО-добротність зростає більш ніж у тричі та досягає приблизно такого ж значення. Подібна ситуація має місце і для типів III і IV АО-взаємодій із акустичною хвилею QT1. Зокрема, пікове значення АО-добротності для типу ІІІ взаємодій зростає на 19% і досягає 1,22×10–15с3/кг, тоді як АО-добротність для типу ІV взаємодій зростає більш ніж на порядок величини (від 9,6×10–17 до 1,22×10–15с3/кг). Результати нашого дослідження можуть бути корисними для розробки АО-приладів на основі кристалічного кварцу та для мінімізації їхнього енергоспоживання.

    Ключові слова: акустооптична дифракція, оптична активність, кристали кварцу, дифракційна ефективність, еліптичність оптичних власних хвиль

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©