Акустооптические системы с амплитудной и частотной обратной связью

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙРЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 535.241КАЗАРЬЯН АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧАКУСТООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫС АМПЛИТУДНОЙ И ЧАСТОТНОЙОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮСпециальность: 01.04.03 – радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2010 г.Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета им.

М.В.Ломоносова.Научный руководитель – доктор физ.-мат. наук, профессор В.И. БалакшийОфициальные оппоненты:– доктор физ.-мат. наук, профессорА.И. Коробов– доктор технических наук, профессорВ.А. КомоцкийВедущая организация – Федеральное государственное унитарное предприятиеНИИ «Полюс» им. М.Ф.СтельмахаЗащита состоится 15 апреля 2010 г. в 16 часов на заседании Диссертационного совета Д 501.001.67 при Московском государственном университетеим.

М.В.Ломоносова в аудитории им. Р.В.Хохлова физического факультета(119991, Москва, Воробьевы горы, МГУ)С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ.Автореферат разослан 12 марта 2010 г.Ученый секретарьДиссертационного советаД 501.001.67А.Ф. Королев2Общая характеристика работыАктуальность работы. Акустооптическое (АО) взаимодействие является одним изосновных эффектов, применяемых для управления параметрами оптического излучения,обработки информации и неразрушающих измерений различных характеристик объектов.К настоящему времени предложено и исследовано более десятка различных типов АО устройств, отличающихся назначением и принципом действия. Многие из них, такие как модуляторы света, дефлекторы и фильтры выпускаются серийно промышленностью.Первые работы по АО системам с обратной связью (ОС) появились в середине1980-х годов.

Практически во всех работах авторов интересовала именно АО бистабильность. Однако бистабильная система является лишь частным случаем системы с ОС. Введение ОС является стандартным приемом, существенно расширяющим возможностиуправления поведением системы и нередко позволяющим реализовать качественно новыережимы работы, недостижимые без ОС. В системах с ОС наблюдается большое разнообразие режимов работы: от статических с единственным устойчивым состоянием до мультистабильных, от одночастотных колебаний до стохастических, имеющих сплошной спектр.При проектировании на базе системы с ОС функциональных узлов принципиально важноиметь четкое представление обо всех режимах, возможных в системе, и точно установитьграницы допустимых изменений параметров.Но, несмотря на то, что исследование отдельных аспектов явления АО бистабильности начаты достаточно давно и получены оригинальные результаты, необходимо отметитьследующее.

К моменту начала исследований автором диссертационной работы насчитывалось не более 10 публикаций по АО бистабильности. Авторы, изучавшие явление оптической бистабильности в АО системах, ограничивались вариантом амплитудной ОС, рассматривали АО ячейку как амплитудный модулятор света, применяя при теоретическоманализе простейшие математические модели АО взаимодействия и канала ОС. Не рассматривались эффекты, связанные с изменением частоты ультразвука, распределенным характером АО взаимодействия, наличием поперечной структуры светового поля. Практическиполностью остались за рамками исследований режимы работы АО систем с ОС, не связанные с бистабильностью. Не исследовался вариант системы, в котором сигнал ОС управляетчастотой акустической волны, а, следовательно, и направлением распространения дифрагированного света.

Однако именно в таком варианте АО взаимодействие позволяет создавать устройства, которые принципиально не возможны в системах других типов.Таким образом, очевидной потребностью являлась систематизация имеющихся результатов исследований АО систем с ОС, проведение более глубокого, комплексного анализа различных вариантов систем с учетом основных закономерностей АО взаимодействияи вариантов формирования сигнала ОС, выделение общих и частных особенностей поведения систем.Цель работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследовании двух вариантов АО систем с ОС по амплитуде и частоте акустической волны в случае дифракциимонохроматического оптического излучения в широкоапертурной АО ячейке, с учётом основных закономерностей и особенностей АО взаимодействия в кристаллических средах(режима дифракции, геометрии АО взаимодействия, селективных свойств, распределенного характера АО взаимодействия).

В связи с этим в диссертации решались следующие основные задачи:1. Исследование АО системы с амплитудной ОС. Определение основных параметровсистемы с учётом реальной характеристики АО ячейки; определение различных режимовработы системы и граничных параметров, соответствующих переходу от одного режима кдругому; исследование особенностей различных бистабильных режимов; проверка возможности реализации мультистабильного режима; изучение возможности использованияразличных дифракционных максимумов для получения сигнала ОС.32.

Исследование АО системы с частотной ОС. Определение основных параметровсистемы; изучение влияния селективных свойств и геометрии АО взаимодействия на характеристики системы; исследование режима угловой стабилизации светового пучка.3. Исследование динамических эффектов в АО системах с ОС с учетом инерционности оптоэлектронного канала ОС и распределенного характера АО взаимодействия; определение области устойчивости равновесных состояний.Научная новизна работы состоит в следующем.1.

Впервые проведено детальное исследование АО системы с оптоэлектронной ОСчерез дифракционные максимумы разных порядков, в которых сигнал ОС управляет амплитудой или частотой ультразвуковых волн в АО ячейке. Получены уравнения, описывающие поведение таких систем при произвольных видах амплитудных и частотных характеристик АО взаимодействия и произвольной структуре падающего на ячейку светового пучка.

Показано, что в АО системе с амплитудной ОС достижение бистабильного режима возможно лишь в режиме высокой эффективности дифракции. Исследованы особенности оптического, электрического и расстроечного механизмов переключения системы изодного состояния в другое. Установлено, что в определенном диапазоне параметров системы электрическое и расстроечное переключение становится необратимым.2. Впервые исследованы динамические процессы в АО системах с ОС с учетом конечного времени распространения ультразвука в ячейке и инерционности цепи обратной связи. Показано, что характеристики динамической устойчивости существенно зависят от соотношения параметров инерционности электронной части цепи ОС и АО ячейки.

Установлено, что в случае широкого светового пучка система имеет бόльшую динамическую устойчивость, когда постоянная цепи ОС значительно больше или значительно меньше постоянной АО ячейки.3. Экспериментально реализована бистабильная АО система на основе ячейки из парателлурита с амплитудной ОС через брэгговские максимумы нулевого, первого и второгопорядков. Исследованы режимы переключения системы оптическим и электрическим сигналами, а также путем изменения частоты ультразвука. Впервые реализован мультистабильный режим с тремя устойчивыми состояниями.4. Предложена и исследована система с ОС по частоте, содержащая амплитудныйтранспарант, расположенный перед фотоприемником.

Показано, что в такой системе дажев режиме малой эффективности дифракции можно получить мультистабильность высокогопорядка с устойчивыми состояниями, отличающимися амплитудой, частотой и направлением распространения дифрагированного пучка. Максимальное число состояний ограничено разрешением АО ячейки в дефлекторном режиме работы. Подбором функции пропускания транспаранта можно легко синтезировать наперед заданную характеристикумультистабильности. В брэгговском режиме дифракции роль транспаранта может выполнить передаточная функция АО ячейки.5. Экспериментально реализована мультистабильная система с транспарантом, имеющим периодическую функцию пропускания.

Число устойчивых состояний в режиме электрической мультистабильности, равное восьми, ограничивалось количеством периодовтранспаранта. Исследовано влияние селективности АО взаимодействия на характеристикимультистабильности.6. Впервые рассмотрены возможности применения АО систем с ОС для улучшения характеристик дефлекторов, стабилизации параметров оптического излучения, переключения оптических каналов в системах связи. Экспериментально исследована система стабилизации направления лазерного пучка с коэффициентом стабилизации, равным 150, в угловом диапазоне 4.5 мрад.Научная и практическая ценность диссертационной работы определяется тем, чтополученные в ней результаты дают более ясное понимание особенностей поведения АОсистемы с ОС при разных значения входных параметров, указывают на важность учёта за4кономерностей АО взаимодействия (режима дифракции, геометрии АО взаимодействия,селективных свойств, наличия поперечной структуры светового поля, распределенного характер АО взаимодействия), что в целом позволяет определять пути совершенствованияизвестных АО устройств и разрабатывать на их основе новые.