Акустооптическая обработка неколлимированных световых пучков и изображений

На правах рукописиЮшков Константин БорисовичАКУСТООПТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКАНЕКОЛЛИМИРОВАННЫХ СВЕТОВЫХПУЧКОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ01.04.03 — радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква — 2010Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физ.-мат. наук,доцент Волошинов В.Б.Официальные оппоненты:доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник НТЦ Уникального приборостроения РАН Пожар В.Э.;доктор техн. наук, ведущий научныйсотрудник ИРЭ имени В.А. Котельникова РАН Антонов С.Н.Ведущая организация:Санкт-Петербургскийныйуниверситетгосударствен-аэрокосмическогоприборостроения.Защита состоится 18 февраля 2010 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.67 в МГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991,Москва, Ленинские горы, д.

1, стр. 2, физический факультет, аудитория имени Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан 15 января 2010 года.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67–2–А.Ф. КоролёвОбщая характеристика работыАктуальность темы исследованияАкустооптическое взаимодействие представляет собой дифракцию света нафазовых решётках, создаваемых упругими волнами в различных средах благодаря модуляции показателя преломления материала за счёт фотоупругогоэффекта. При высоких частотах ультразвука или больши́х длинах взаимодействия характер дифракции становится типичным для трёхмерных периодических структур: дифракция с высокой эффективностью (до 100 %) наблюдается только при определённых углах падения света, для которых выполняется условие фазового синхронизма.

По аналогии с рассеянием рентгеновскогоизлучения в кристаллах, такой режим взаимодействия получил название дифракции Брэгга.Известно, что брэгговская дифракция света в анизотропных средах используется для осуществления управляемой пространственной и спектральной фильтрации световых пучков. Перестраиваемые спектральные фильтрыявляются одним из основных классов акустооптических устройств, находящих применение при создании уникальных научно-исследовательских приборов и систем. В настоящее время существуют различные конфигурацииакустооптических фильтров, различающиеся взаимной ориентацией световых и ультразвукового пучков.

В коллинеарных фильтрах волновые векторыпадающего и дифрагированного света, а также волновой вектор ультразвука параллельны между собой и направлены вдоль одной из осей симметрии кристалла, ортогональной его оптической оси. Характерной особенностью коллинеарных фильтров является высокое спектральное разрешениеR ∼ 103 . . . 104 , достижимое благодаря большой длине взаимодействия светаи ультразвука. При этом маскимальная эффективность дифракции наблюдается в широком диапазоне углов падения света, однако единственным спосо–3–бом разделения нулевого и первого дифракционных порядков является селекция света по поляризации. Спектральная фильтрация изображений акустооптическим методом была впервые осуществлена при помощи коллинеарного фильтра из молибдата кальция. Использование оптической и акустическойанизотропии кристаллов позволяет обеспечить сонаправленное распространение электромагнитных и упругих волн также и для внеосевых направлений вкристалле, если направления групповой скорости ультразвука и падающегосвета совпадают.

Построенные на этом принципе квазиколлинеарные фильтры также обеспечивают высокое спектральное разрешение, однако угловаяапертура у них значительно у́же, чем в коллинеарных фильтрах, что требует хорошей коллимации световых пучков. Кроме того, акустооптическуюфильтрацию света можно осуществить и при близкой к ортогональной взаимной ориентации волновых векторов падающего света и ультразвука. В этомслучае длина области взаимодействия определяется размером пьезоэлектрического преобразователя, а не длиной кристалла, поэтому спектральное разрешение оказывается на порядок ниже, чем при коллинеарном или квазиколлинеарном взаимодействии. Тем не менее, в неколлинеарных фильтрахвозможно обеспечить широкую угловую апертуру дифракции.

Кроме того,ненулевая величина угла отклонения света позволяет пространственно разделять свет нулевого и первого порядков, что невозможно в коллинеарныхфильтрах.Настоящая работа посвящена применению акустооптического взаимодействия в задачах обработки изображений. Широкоапертурные акустооптические фильтры позволяют обеспечить фильтрацию изображений со спектральным разрешением R ∼ 102 . . . 103 и пространственным разрешениемN & 104 . Уникальными особенностями акустооптических фильтров являются электронная перестройка с возможностью синтеза многополосной функции пропускания, рабочий диапазон, превышающий октаву, и характерное–4–быстродействие 10−4 c.

При разработке систем перестраиваемой фильтрации изображений возникает ряд проблем, имеющих как прикладной, так ифундаментальный характер. Несмотря на большой интерес к акустооптическим фильтрам во всём мире, лишь малое число работ посвящено изучениюпредельных возможностей этих устройств и оптимизации их характеристик.В данной диссертации рассмотрены вопросы влияния конфигурации акустооптических ячеек на спектральное и пространственное разрешение фильтров,а также на потребляемую ими мощность. Также в работе изучены особенности формирования изображений в оптической системе, содержащей акустооптические ячейки.В качестве среды взаимодействия в современной акустооптике наиболеешироко используются монокристаллы диоксида теллура (TeO2 ), называемого парателлуритом.

Этот искусственный одноосный кристалл обладает уникальными акустическими свойствами, что позволяет наблюдать в нём чрезвычайно сильный акустооптический эффект. Парателлурит используется присоздании большинства акустооптических приборов для видимого и ближнегоинфракрасного диапазонов спектра, за исключением коллинеарных фильтров. Основные результаты данной работы получены для неколлинеарныхакустооптических фильтров на основе парателлурита. Вместе с тем, некоторые задачи в акустооптике не могут быть решены с использованием этогоматериала: поскольку коротковолновая граница прозрачности парателлурита лежит на длине волны 0.35 мкм, его применение в ультрафиолетовом диапазоне практически невозможно. Среди одноосных кристаллов, прозрачныхв ближнем ультрафиолетовом диапазоне, одними из лучших акустооптических свойств обладает широко известный в нелинейной оптике дигидрофосфаткалия (KH2 PO4 ), или KDP.

Дополнительным преимуществом данного материала является хорошо разработанная технология его производства, позволяющая получать больши́е монокристаллы высокого оптического качества.–5–Несмотря на это, в научной литературе описано всего несколько случаев реализации акустооптических фильтров на основе кристаллов KDP, поэтому теоретическое исследование и оптимизация параметров акустооптических ячеекна основе этого материала представляют несомненный интерес.Среди физических факторов, снижающих качество обрабатываемых акустооптическими методами изображений, значительную роль играют различные виды аберраций.

Для спектральных фильтров существенны хроматические аберрации, возникновение и влияние которых на структуру дифрагировавшего светового поля было отмечено уже в первых работах, посвящённыхакустооптической фильтрации изображений. Влияние хроматических аберраций на характеристики акустооптических систем обработки изображений становится особенно сильным для фильтров со свехширокой полосой перестройки, превышающей октаву.

Тем не менее, большинство авторов, исследовавших аберрации акустооптических фильтров, ограничивалось рассмотрениемтолько поперечных аберраций и методов их снижения. Проблема продольных хроматических аберраций в таких устройствах оставалась нерешённой.В данной работе проведено экспериментальное и теоретическое рассмотрениепродольных аберраций акустооптических спектральных фильтров и предложен метод их компенсации в широком диапазоне длин волн света.Одной из особенностей анизотропной акустооптической дифракции является чувствительность эффекта к поляризации падающего света. Это явление в большинстве задач рассматривается как недостаток, поскольку приработе с естественно или частично поляризованным электромагнитным излучением оно приводит к частичной потере полезной световой мощности навыходе фильтра.