Ukrainian Journal of Physical Optics


2023 Volume 24, Issue 3


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

Increase in the acousto-optic figure of merit in SiO2 crystals due to optical activity. Anisotropic acousto-optic interactions.

Mys O., Adamenko D. and Vlokh R.

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

ABSTRACT

We analyze anisotropic acousto-optic (AO) interactions of three possible acoustic eigenwaves with the incident and diffracted optical eigenwaves elliptically polarized due to optical activity effect in quartz crystals. Dependences of the effective elasto-optic (EO) coefficient and the AO figure of merit on the diffraction angle are obtained. We demonstrate that proper accounting for a nonzero ellipticity of the optical eigenwaves leads to nonzero values of some effective EO coefficients and a presence of the corresponding AO interactions of so-called types VII and VIII. We also reveal the effect of non-orthogonality of the acoustic waves on the effective EO coefficient and the AO figure of merit at the AO interactions of the types VII and VIII. The ellipticity of the optical eigenwaves manifests itself in peak-like angular maxima of the effective EO coefficient and the AO figure of merit for all the types of AO interactions under consideration. These maxima appear around the diffraction angles 0 and 180 deg that correspond to the collinear AO interaction between the circularly polarized optical waves propagating along the optic axis. The maximal values of the AO figure of merit in this case are respectively equal to 1.16×10–15, 0.36×10–15 and 0.48×10–15s3/kg at the types VII, VIII and IX of AO interactions. Finally, we show that a deviation of the incidence angle from 90 deg at the interaction types VII and VIII leads to zeroing of the effective EO coefficient and the AO figure of merit.

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

UDC: 535.43, 535.551, 535.562, 534-16

    1. 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
    2. 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
    3. Balakshyi V I, Parygin V N and Chirkov L E. Physical Principles of Acousto-Optics. Moscow: Radio i Svyaz, 1985.
    4. Yano T and Watanabe A, 1974. Acousto-optic figure of merit of TeO2 for circularly polarized light. J. Appl. Phys. 45: 1243-1245.
    5. doi:10.1063/1.1663396
    6. 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
    7. Mys O, Adamenko D and Vlokh R, 2023. Enhancement of acousto-optic diffraction efficiency in SiO2 crystals due to ellipticity of optical eigenwaves: isotropic acousto-optic interaction. Ukr. J. Phys. Opt. 24: 124-134. doi:10.3116/16091833/24/2/124/2023
    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.
    10. doi:10.2307/20026061
    11. Lombardi M, 2008. The accuracy and stability of quartz watches. Horol. J.: 57-59.
    12. 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
    13. 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
    14. 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
    15. Collins R W and Ferlauto A S. Optical Physics of Materials. In: Irene E G & Tomkins H G (Eds), Handbook of Ellipsometry. Norwich, NY: William Andrew, 2005. doi:10.1016/B978-081551499-2.50004-6
    16. 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
    17. Shaskolskaya M P. Acoustic Crystals. Moscow: Nauka, 1982.
    18. Narasimhamurty T S, 1969. Photoelastic constants of a quartz. J. Opt. Soc. Amer. 59: 682-686. doi:10.1364/JOSA.59.000682
    19. Landolt-Borstein. Zahlenwerte und Funktionen aus Naturwissenschaften und Technik. Neue Serie: Bd. I. Elastiche, Piezooptishe Konstanten von Kristallen. Berlin: Springer, 1971.
    20. Konstantinova A F, Grechushnikov B N, Bokut B V and Valyashko E G. Optical Properties of Crystals. Minsk: Navuka i Tekhnika, 1995.
    21. Martynyuk-Lototska I Yu, Mys O G, Akimov S V, Krupych O M and Vlokh R O, 2010. Acoustogyration diffraction of optical waves: case of SiO2 and TeO2 crystals. Opto-Electron. Rev. 18: 137-149. doi:10.2478/s11772-010-0014-y
    22. Magdich L N and Molchanov V Ya. Acoustooptic Devices and Their Application. Gordon and Breach Science Publishers, 1978.

    Проаналізовано анізотропну акустооптичну (АО) взаємодію трьох можливих акустичних власних хвиль із падаючою та дифрагованою оптичними власними хвилями, еліптично поляризованими завдяки явищу оптичної активності в кристалах кварцу. Одержано залежності ефективного пружнооптичного (ПО) коефіцієнта та коефіцієнта АО якості від кута дифракції. Продемонстровано, що належне врахування ненульової еліптичності оптичних власних хвиль приводить до відмінних від нуля значень деяких ефективних ПО коефіцієнтів та наявності відповідних АО взаємодій, які відносять до т. зв. типів VII і VIII. Виявлено також вплив неортогональності акустичних хвиль на ефективний ПО коефіцієнт та коефіцієнт АО якості при АО взаємодіях типів VII і VIII. Еліптичність оптичних власних хвиль проявляється в пікоподібних кутових максимумах ефективного ПО коефіцієнта та коефіцієнта АО якості для всіх типів розглянутих нами АО взаємодій. Ці максимуми з’являються навколо кутів дифракції 0 і 180 град, які відповідають колінеарній АО взаємодії між циркулярно поляризованими оптичними хвилями, що поширюються вздовж оптичної осі. Максимальні значення коефіцієнта АО якості в цьому разі дорівнюють відповідно 1.16×10–15, 0.36×10–15 and 0.48×10–15с3/кг для типів АО взаємодій VII, VIII і IX. Насамкінець показано, що відхилення кута падіння від 90° при АО взаємодіях типів VII і VIII приводить до занулення ефективного ПО коефіцієнта та коефіцієнта AO якості.

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

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©