Лекция 6 (Шесть лекций)

Лекция 6. Акустооптические устройства обработки сигналов

1. Базовые элементы акустооптических процессоров. Акустооптические модуляторы (АОМ)

Существует два основных режима дифракции света на акустических волнах: дифракция Рамана-Ната и дифракция Брэгга. Эти режимы имеют разные дифракционные спектры.

Рис. 2. Схема дифракции света на акустической волне: а – дифракция Рамана-Ната;
б – дифракция Брэгга.

Границы этих режимов определяются значением безразмерного параметра дифракции (параметр Кляйна-Кука)

(1)

где Q – параметр дифракции, l – толщина пластины звукопровода АОМ,
Λ – длина акустической волны в АОМ, λ – длина волны света.

При Q<<1 наблюдается дифракция Рамана-Ната. Она имеет место при низких звуковых частотах и при не слишком большой длине взаимодействия (глубине акустического поля). В этом режиме световое поле рассматривается как результат прохождения света через тонкую чисто фазовую пластинку с переменным во времени и пространстве коэффициентом преломления. Это многопорядковый режим дифракции.

Угловое направление дифракционных максимумов относительно нулевого (соответствующего прямо прошедшему свету) определяется формулой

, m = 0, ±1, ±2, …,

где θ_m – угловое направление на дифракционный максимум m–го порядка.

При Q>>1 наблюдается дифракция Брэгга. Она имеет место на высоких частотах при большой длине взаимодействия света с акустической волной. Интенсивность первого максимума будет наибольшей, если свет падает под углом к волновому фронту акустической волны, удовлетворяющим условию Брэгга:

При дифракции Брэгга дифракционный спектр состоит из двух максимумов, соответствующих значениям m=0 и m=1.

Основные характеристики акустооптических модуляторов.

Акустооптическая эффективность (эффективность дифракции световой волны на акустической волне) измеряется в [%/Вт]:

, где I_±1 – интенсивность света в одном из первых дифракционных порядков; I₀ – интенсивность падающего света; P_a – мощность акустической волны.

f₀ – средняя частота [МГц];

Δf_АОМ – рабочая полоса частот [МГц];

T_а – временная апертура [мкс]: (2)

где 2L – длина пластины звукопровода АОМ (апертура АОМ вдоль «сигнальной» координаты), V – скорость акустической волны.

Характеристики АОМ типа ОРТ-1 фирмы «Isomet Corporation »

Источники света

Газовые лазеры (гелий-неоновые с λ=0,63 мкм; гелий-кадмиевые с λ=0,44 мкм)

Твердотельные лазеры (на алюмоиттриевом гранате с λ=1,06 мкм)

Полупроводниковые инжекционные лазеры (например, лазеры типа ИЛПН с λ от 0,65 до 0,80 мкм и мощностью от 3 до 10 мВт в зависимости от типа лазера).

Фотоприемники (ФП)

ФП подразделяются на 2 класса:

- мгновенного действия: фотоэлектронные умножители, p-i-n-фотодиоды, лавинные фотодиоды;

- с накоплением заряда во времени: линейки и матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС).

ФП мгновенного действия имеют постоянную времени, малую по сравнению c временем изменения регистрируемой интенсивности света, поэтому они осуществляют только пространственное интегрирование светового потока.

ФП с накоплением заряда во времени, напротив, имеют большую постоянную времени и поэтому, кроме пространственного интегрирования, осуществляют еще и временное интегрирование (временное накопление заряда).

Транспаранты

Сигнальные транспаранты служат для ввода в оптическую систему пространственной копии обрабатываемого сигнала (статического). Опорные транспаранты используются для формирования передаточной функции оптической системы.

2. Распределение светового поля дифрагировавшего на акустической волне в выходной плоскости АОМ

Пусть к АОМ подводится сигнал s(t) = a(t)cos[Ω₀t+φ(t)].

Комплексная огибающая такого сигнала может быть записана в виде

u_s(t) = a(t)exp[iφ(t)].

Распределение светового поля в выходной плоскости АОМ поля в выходной плоскости АОМ для режима дифракции Рамана-Ната (при угле падения луча на АОМ θ_i = 0):

, (3)

где m – индекс модуляции, E₀ – комплексная амплитуда падающей волны, λ – длина волны оптического излучения, Ω₀ – несущая частота электрического сигнала, Λ₀ – длина волны акустической волны на несущей частоте,
V – скорость акустической волны, k=2π/λ.

Полное поле в выходной плоскости АОМ состоит из трех волн: невозмущенной плоской (первое слагаемое) и двух квазиплоских волн, промодулированных пространственно-временным образом комплексным сигналом (второе слагаемое) и комплексно-сопряженным сигналом (третье слагаемое). Две последние волны имеют частотный сдвиг ±Ω₀.

Распределение светового поля для режима дифракции Брэгга (при угле падения луча на АОМ θ_i = θ_B):

(4)

Параллельная и последовательная дифракция в АОП

В технике АОП часто бывает необходимо ввести в оптическую систему (ОС) для дальнейшей обработки пару сигналов. Это может быть осуществлено с помощью параллельной или последовательной дифракции.

При параллельной дифракции в ОС формируются две световые волны, каждая из которых независимо испытывает дифракцию на одном из сигналов, после чего они интерферируют на поверхности ФП.

При последовательной дифракции одна и та же световая волна дифрагирует на обоих сигналах и, будучи промодулирована таким образом, попадает на ФП.

В зависимости от типа АОП оба сигнала могут вводиться либо с помощью пары АОМ, либо один из них может быть заменен на статический транспарант.

Рис. 3. Геометрия параллельной (а) и последовательной (б) дифракции Брэгга на двух сонаправленных акустических пучках

3. Акустооптический процессор корреляционного типа с пространственным интегрированием (АОКПИ)

Известны АОКПИ двух типов: гетеродинные и негетеродинные.

В гетеродинных АОКПИ используется параллельная дифракция света на обрабатываемом и опорном сигналах, а выходной сигнал формируется на радиочастоте.

В негетеродинных АОКПИ используется последовательная дифракция света на обрабатываемом и опорном сигналах, а выходной сигнал представляет собой видеоимпульс.

Рассмотрим примеры гетеродинных АОКПИ.

Акустооптический согласованный фильтр (АОСФ) (рис.4)

Подлежащий обработке радиосигнал возбуждает в АОМ бегущую акустическую волну, на которой дифрагирует коллимированный когерентный световой пучок. Опорный сигнал записан на статическом транспаранте Т, представляющем собой амплитудную (или фазовую) дифракционную решетку, пространственный период которой изменяется по закону модуляции опорного сигнала. Совокупная дифракционная картина отображается линзой Л, выполняющей пространственное преобразование Фурье в плоскость Р, где расположен фотоприемник ФП и последовательно включенный с ним полосовой усилитель ПУ.

В области +1 дифракционного порядка плоскости пространственных частот Р интерферируют две световые волны, испытавшие параллельную дифракцию на сигнале в АОМ (+1,0) и на транспаранте (0,+1). Эти волны промодулированы пространственными спектрами обрабатываемого и опорного сигналов соответственно, так, что комплексная амплитуда светового поля в плоскости пространственных частот будет иметь вид суммы спектров:

, (5)

где и – комплексные огибающие сигналов s(t) и T(x) соответственно; к – пространственная частота дифракционной решетки транспаранта, Ω – частота акустической воны, – волновое число акустической волны.

а)

б)