Акустооптическая обработка неколлимированных световых пучков и изображений, страница 2

Возможность обработки произвольно поляризованного света, в частности, необходима при создании акустооптических устройств дляуправления сигналами в волоконно-оптических линиях передачи. В работеизучены системы спектральной фильтрации и модуляции произвольно поля–6–ризованного света на основе двух одинаковых последовательно расположенных акустооптических ячеек.

Благодаря каскадному использованию фильтров удалось осуществить обработку расходящихся световых пучков, причёмэффективность рассеяния не зависела от направления поляризации падающего света.Цели и задачи исследованияЦелью диссертационной работы является изучение методов увеличения пространственного разрешения в системах обработки изображений на основеакустооптических фильтров. При этом были решены следующие задачи:1. Изучение влияния параметров акустооптических ячеек на спектральное и пространственное разрешение акустооптических фильтров ипотребляемую ими мощность.2.

Установление предельных характеристик широкоапертурных фильтров на основе кристаллов парателлурита и KDP.3. Разработка метода компенсации хроматических аберраций в акустооптических системах спектрального анализа изображений.4. Исследование каскадной системы широкоапертурных фильтров дляспектрального анализа произвольно поляризованного света.5.

Создание многоканального модулятора неполяризованного излучения ближнего инфракрасного (0.9. . . 1.7 мкм) диапазона спектра наоснове каскада перестраиваемых акустооптических фильтров.Научная новизна и практическая значимость1) В работе получены приближённые выражения для угловой апертурыфильтров широкоапертурной конфигурации, позволяющие использовать аналитические формулы вместо численных расчётов для нахождения числа разрешимых элементов изображения. В результате анализа было обнаружено,–7–что физические закономерности дифракции Брэгга не позволяют одновременно увеличивать число разрешимых элементов в изображении на выходефильтров и снижать потребляемую устройствами мощность ультразвука.2) Впервые показано, что угловая апертура фильтров неполяризованного света немонотонно зависит от угла среза кристалла при постоянной длинепьезопреобразователя.

При спектральном анализе изображений, сформированных некогерентным неполяризованным светом, пространственное разрешение ограничено углом отклонения света, однако при этом возникают спектральные искажения.3) В работе предложен новый метод компенсации продольной хроматической аберрации в акустооптических системах спектрального анализа изображений. Усовершенствование оптической схемы не требует использованиядополнительных элементов, в то время как пространственное разрешениеможет быть ограничено дифракционным пределом в диапазоне длин волн,превышающем октаву.4) Исследованы характеристики каскадных систем обработки неполяризованного излучения, предназначенных для модуляции излучения в волоконно-оптических линиях связи со спектральным разделением каналов и дляуправления мощными световыми потоками технологических лазеров.

Такиесистемы позволяют обеспечивать без использования дополнительных оптических элементов модуляцию световых пучков произвольной поляризации смалым коэффициентом оптических потерь.Основные положения, выносимые на защиту1) Изменение геометрии широкоапертурных акустооптических фильтровс целью увеличения пространственного разрешения приводит к росту мощности ультразвука, необходимой для достижения максимальной эффективностидифракции в кристаллах парателлурита и KDP.–8–2) Угловая апертура акустооптических фильтров для анализа неполяризованного света немонотонно зависит от угла среза кристалла.

Величина угловой апертуры в данной геометрии акустооптического взаимодействиявозрастает как при стремлении угла среза кристалла к нулю, так и при егоувеличении до критического значения, а в промежуточной области значенийугла среза существует минимум апертуры.3) Продольная хроматическая аберрация в системах спектрального анализа изображений на основе конфокальной оптической схемы компенсируется при особом выборе расстояний между элементами системы. Снижениевторичного спектра аберрации до величины, не превышающей глубины резкости изображения, достигается без использования дополнительных оптических элементов.4) При широкоапертурной брэгговской дифракции неполяризованногосвета в каскадной системе двух акустооптических фильтров дифракционнаякартина содержит дополнительные максимумы, обусловленные существованием боковых лепестков передаточной функции.Апробация работыПо материалам диссертации автором были сделаны доклады на следующихмеждународных научных конференциях:1.

35th Winter School on Wave and Quantum Acoustics (Устронь, Польша, 2006);2. 9th International Conference for Young Researchers: Wave Electronicsand Its Applications in Information and Telecommunication Systems,Non-Destructive Testing, Security and Medicine «WECONF-2006»(Санкт-Петербург, 2006);3. 8th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science «SPO 2006» (Киев, Украина, 2006);–9–4.

36th Winter School on Wave and Quantum Acoustics (Висла, Польша,2007);5. 10th International Conference for Young Researchers: Wave Electronicsand Its Applications in Information and Telecommunication Systems«WECONF-2007» (Санкт-Петербург, 2007);6. 10th School on Acousto-Optics and Applications (Гданьск, Польша,2008);7. 5th Forum Acusticum – 155th Meeting of the ASA – 9ème Congrès Françaisd’Acoustique «Acoustics’08 Paris» (Париж, Франция, 2008);8. 38th Winter School on Wave and Quantum Acoustics (Корбелов, Польша, 2009);а также на научных семинарах имени В.В.

Мигулина кафедры физики колебаний физического факультета МГУ и на семинарах департамента оптоакусто-электроники Института электроники, микроэлектроники и нанотехнологии в Университете г. Валансьен (Франция).Результаты исследований опубликованы в ведущих российских и зарубежных научных журналах (1–6) . Личный вклад автора в работах следующий:• проведена оптимизация характеристик широкоапертурных фильтровв зависимости от конфигурации акустооптических ячеек (1, 3) ;• разработан метод компенсации продольных хроматических аберраций в спектральных фильтрах изображений (1, 2) ;• построена теоретическая модель рассеяния неполяризованного светав двухкристальном широкоапертурном модуляторе (4) ;• теоретически исследованы особенности передаточной функции фильтров неполяризованного света (6) ;• разработана экспериментальная установка и проведено исследование работы акустооптического эквалайзера для волоконно-оптических линий связи (5) .– 10 –Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.

Объём диссертации составляет 137 страниц, включая 40 иллюстраций и 4 таблицы. Списоклитературы содержит 160 наименований.Содержание работы1. Акустооптическая дифракция Брэгга в кристаллахПервая глава диссертации посвящена обзору общих закономерностей неколлинеарной акустооптической дифракции. Рассмотрена общая задача анизотропной брэгговской дифракции в приближении плоских световых волн. Наосновании строгого решения дифракционной задачи получено обоснованиеметода векторных диаграмм, используемого в дальнейшем при расчётах эффективности дифракции. Также показано, что при обработке неколлимированных световых пучков акустооптическая ячейка действует как перестраиваемый фильтр пространственных частот. Кроме того, в первой главе рассмотрены особые конфигурации анизотропной дифракции в одноосных кристаллах, используемые в задачах оптической обработки информации: широкоапертурная геометрия взаимодействия и геометрия дифракции с разделениемполяризации света.2.

Оптимизация неколлинеарных акустооптических фильтровВо второй главе рассматриваются вопросы оптимизации параметров акустооптических фильтров для спектрального анализа изображений. Теоретический анализ широкоапертурной геометрии взаимодействия проведён в приближении малого двулучепреломления, ∆n no , где no — показатель преломления для обыкновенной волны, а ∆n — разница главных показателейпреломления кристалла. Данное приближение часто используется для оцен– 11 –ки характеристик акустооптических фильтров, поскольку оно позволяет значительно упростить вычисления и получить аналитические решения в техслучаях, когда точные уравнения на основе векторных диаграмм не позволяют этого сделать.

Относительная ошибка вычислений при этом не превышаетвеличины ∆n/no .Для выявления закономерностей изменения свойств широкоапертурныхакустооптических фильтров при варьировании конфигурации ячеек необходимо получить зависимость основных характеристик фильтров от геометрических параметров — угла рабочего среза кристалла α и длины пьезоэлектрического преобразователя l. Поскольку широкоапертурная геометрия акустооптического взаимодействия соответствует минимуму зависимости частотыультразвука F от угла Брэгга θ, то величину угловой апертуры можно найти, зная ширину полосы взаимодействия ∆F . Анализ проводится при фиксированной длине волны света λ.

Если ограничиться квадратичным членомстепенного ряда в разложении функции F (θ), то угловая апертура в плоскости акустооптического взаимодействия записывается в виде:s2 sin θwaλ cos(ψ − θwa )·,∆θwa = 1.6∆n l cos ψsin(θwa + α) cos(2θwa + α)(1.а)где ψ — угол сноса энергии упругой волны, а θwa — угол Брэгга при широкоапертурной дифракции. Величина угла сноса ψ определяется только углом среза кристалла α; угол Брэгга θwa в общем случае зависит также и отзначений no и ∆n, однако в приближении малого двулучепреломления еговеличина также является функцией только угла среза.

Аналогичным образом можно найти угловую апертуру фильтра в направлении, ортогональномплоскости акустооптического взаимодействия:sλ cos(ψ − θwa )1∆ϕwa = 1.6·.∆n l cos ψcos α cos θwa cos(θwa + α)(1.б )Сравнение полученных значений угловых апертур с результатами численногомоделирования для парателлурита показало хорошее качественное соответ– 12 –4Угловая апертура3oo1Δθwa2Δϕwa=Δϕi3Δθ i12o1o0o230o5oo10Угол среза, α15o20oРис. 1. Зависимость угловой апертуры широкоапертурной дифракции и дифракции неполяризованного света на длине волны λ = 0.63 мкм от угласреза кристалла парателлурита при длине пьезопреобразователя l = 1 см.ствие и численное различие, не превышающее 5 % в диапазоне углов срезакристалла α 6 17◦ .