Автореферат (Широкоапертурное взаимодействие в акустооптических фильтрах видимого и ультрафиолетового диапазона электромагнитного спектра)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА»_________________________________________________________________________На правах рукописиЮХНЕВИЧ ТАТЬЯНА ВИКТОРОВНАШИРОКОАПЕРТУРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В АКУСТООПТИЧЕСКИХФИЛЬТРАХ ВИДИМОГО И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНАЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПЕКТРАСпециальность: 01.04.03 – радиофизикаАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре физики колебаний Физического факультета Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова».Научный руководитель:кандидатфизико-математическихнаук,доцентВолошинов Виталий БорисовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, начальникотделаПожар Витольд Эдуардович(НТЦ уникального приборостроения РАН, Москва)кандидат физико-математических наук, старшийнаучный сотрудникДоброленский Юрий Сергеевич(ИнституткосмическийисследованийРАН,Москва)Ведущая организация:Федеральноегосударственноеавтономноеобразовательное учреждение высшего образования«Санкт-Петербургский государственный университетаэрокосмического приборостроения»Защита состоится «__» ___________ 2017 года в ____-_____ на заседании диссертационногосовета Д 501.001.67 на базе Московского государственного университета имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.

1, стр. 2, Физическийфакультет МГУ, ауд. имени Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова ина сайте http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-67/Автореферат разослан «__» __________ 2017 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.67кандидат физико-математических наук, доцент2А.Ф.КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьТематика данной диссертационной работы относится к области акустооптики.Акустооптическое (АО) взаимодействие основано на явлении дифракции световых потоковна фазовых дифракционных решетках, созданных упругими волнами в различных средах. Дооткрытия лазеров рассеяние света на ультразвуке было предметом исследования толькоакадемической науки.

Однако с середины 60-х годов, когда впервые на основе АО эффектабыли созданы лазерные дефлекторы и модуляторы, и по сей день АО динамично развиваетсяи находит все большее применение в широких разделах науки и техники. В настоящее времясуществуетмножествоАОприборов,позволяющихуправлятьинтенсивностью,поляризацией, частотой, фазой и направлением распространения оптического излучения.Кроме того, АО методы позволяют контролировать основные параметры световых пучков,формирующих изображения. Большинство материалов, применяемых в современной АО,являются одноосными кристаллами. В подобных анизотропных, как оптически, так иакустически, средах специальная геометрия АО взаимодействия позволяет осуществлятьпространственную и спектральную фильтрацию световых пучков наиболее эффективно [1-5].Одной из важных задач современной оптики, оптоэлектроники и АО являетсяобработка неколлимированных световых потоков, формирующих изображение.

Этаобработка или фильтрация оптического излучения осуществляется в узком диапазоне Δλдлин волн света λ при одновременном обеспечении высокого быстродействия по сравнениюс классическими устройствами. Существует два класса АО фильтров, различающиеся междусобой пространственной ориентацией волновых векторов света и ультразвука. Первый класс– это коллинеарные и квазиколлинеарные АО фильтры. В данном случае волновые векторыпадающего света и ультразвука параллельны или пространственно близки друг другу. Такиеустройства, благодаря большой области взаимодействия света и звука, имеют узкую полосупропускания и большое спектральное разрешениеR   /   104 . К сожалению,квазиколлинеарные фильтры, как правило, имеют малую угловую апертуру и, как следствие,используют хорошо коллимированные световые потоки [6-7].Второй класс - это широкоапертурные АО фильтры.При таком типе АОвзаимодействия касательные к волновым векторам падающего и дифрагированного света насечении волновой поверхности параллельны друг другу.

Разрешающая способность такихустройств ниже, чем у коллинеарных, из-за того, что размер области взаимодействия света извука в данном случае определяется размером пьезопреобразователя, который меньше длиныкристалла вдоль направления распространения звука. Однако, данная геометрия позволяетработать со сходящимися и расходящимися световыми потоками, и, как следствие,3осуществлять спектральную фильтрацию изображений. Преимущество широкоапертурнойгеометрии АО взаимодействия состоит в том, что угол разведения падающего идифрагированного света существенно больше, чем в квазиколлинеарной геометриивзаимодействия. Это позволят разделять свет ненулевого и первого порядка на выходефильтров даже без использования селекторов поляризации [6-7].ВнастоящеевремяприсозданиибольшинстваАОприборовиспользуютдвулучепреломляющий кристалл парателлурита. Благодаря своим уникальным акустическими АО свойствам этот одноосный кристалл позволяет наблюдать интенсивную дифракцию.Данный материал наиболее часто используют в АО фильтрах, при этом можно реализоватькак широкоапертурные, так и квазиколлинеарные фильтры.

В настоящее время в литературеподробно описаны широкоапертурные АО фильтры на кристалле парателлурита, которыеработают с малыми углами падения света относительно волнового фронта ультразвука (<370)и оптической оси материала при сравнительно низких частотах ультразвука. Однако, в АОизвестно, что широкоапертурная дифракция может быть реализована и при более высокихакустических частотах, а также углах падения света, близких к 900. Вместе с тем, оказалось,что в настоящее время высокочастотная широкоапертурная дифракция исследовананедостаточно полно, а возможность её применения в АО фильтрах рассматривалась лишь водной или двух работах [8]. Поэтому данный пробел ликвидирует исследование,проведенное в предлагаемой диссертационной работе.Хорошо известно, что парателлурит прозрачен в видимом и инфракрасном диапазоне,поэтому некоторые задачи АО не могут быть решены с помощью данного кристалла.Например, до сих пор не решена задача АО фильтрации оптических сигналовультрафиолетового или среднего и дальнего ИК диапазонов.

Оказалось, что для фильтрацииоптических потоков в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра можноиспользовать кристалл KDP. Анализ научной литературы показывает, что список работ поАО обработке изображений в ультрафиолетовом диапазоне крайне ограничен [9-13].Оказалось, что характеристики фильтров на кристалле KDP существенно уступаютхарактеристикам приборов на кристалле парателлурита. Был выявлен главный недостатоккристалла KDP при его использовании в АО, он заключается в низком АО качествематериала.

Из-за малого значения АО качества к кристаллу KDP приходится прикладыватьбольшие управляющие мощности, что приводит к разогреву материала и, как следствие,многим негативным эффектам. Таким образом, определение коэффициента АО качествакристаллаиотысканиеоптимальнойгеометрииАОвзаимодействиясвысокойэффективностью дифракции является важной и актуальной задачей современной прикладнойАО.4Цели и задачи работыЦели диссертационной работы состояли в теоретическом и экспериментальномисследовании различных аспектов широкоапертурной геометрии АО взаимодействия воптически и акустически анизотропных средах. При этом необходимо было решитьследующие задачи:1. Исследовать закономерности широкоапертурной анизотропной дифракциисветанаультразвукеводноосныхкристаллахвдалиотоптическойосидвулучепреломляющего материала.2.

Провести сравнительный анализ геометрии АО взаимодействия вдали отоптической оси кристалла с известной приосевой геометрией широкоапертурноговзаимодействия.3. Изучить влияние дисперсии показателей преломления материала АО ячейки нахарактеристики АО фильтров анализа изображений, а также фильтров, работающих снеполяризованным светом.4. Теоретически и экспериментально исследовать влияние градиента температурв кристалле KDP на аппаратную функцию пропускания АО фильтра.5. Исследовать фотоупругие и акустооптические свойства кристалла KDP длявыбора оптимальной геометрии АО взаимодействия в устройствах фильтрации УФдиапазона.Научная новизна1.

В работевзаимодействияподробновдалиотисследованаоптическойосиширокоапертурнаяодноосныхгеометриякристаллов.АОПоказаныпреимущества и недостатки данной геометрии взаимодействия по сравнению сизвестной приосевой геометрией АО взаимодействия.2. Впервые подробно исследовано влияние дисперсии показателя преломленияматериала наработу АО фильтров неполяризованного света при одновременнойдифракции света в ±1 дифракционные порядки.

Показано, что изменение длины волнысвета приводит к сдвигу значения угла Брэгга, достигающему трети допустимойугловой апертуры фильтра.3. Впервые проведен анализ влияния распределения температуры по объемукристалла KDP на основные параметры АО видеофильтра ультрафиолетовогодиапазона электромагнитных волн. Доказано негативное влияние разогрева кристаллаакустической мощностью на эффективность дифракции и частоту брэгговскогосинхронизма центральной длины волны пропускания фильтра.54.

Обнаружено уменьшение эффективности дифракции в широкоапертурномфильтре на кристалле KDP из-за экранирующего влияния пьезоэлектрического иэлектрооптического эффектов.Практическая значимость работыПрактическая значимость поведенныхисследованийзаключаетсяввыдачерекомендаций при разработке новых модификаций перестраиваемых АО фильтров дляанализа изображений, в которых дифракции реализуется вдали от оптической оси кристалла.Указананеобходимостькомпенсацииидополнительнойюстировкиширокоапертурного фильтра с одновременной дифракцией в ±1 дифракционные порядки приизменении длины падающего излучения из-за дисперсии показателей преломленияматериала.Экспериментально доказана необходимость равномерного разогрева кристалла KDPдля уменьшения температурных градиентов, негативно влияющих на коэффициентпропускания и ширину полосы длин волн АО фильтра.При разработке АО фильтров ультрафиолетового диапазона на основе кристалла KDPнеобходимо учитывать экранирующее влияние пьезоэлектрического и электрооптическогоэффектов, которые могут привести к заметному снижению эффективности дифракции посравнению со значением, предсказанным теорией.Основные положения, выносимые на защиту1.

В одноосных кристаллах реализуется широкоапертурный режим АО взаимодействияпри распространении света вдали от оптической оси кристалла. Данный режимхарактеризуется более узкой спектральной полосой пропускания устройствафильтрации и большим числом пространственно разрешимых элементов, однако,меньшей угловой апертурой фильтра по сравнению с классическими устройствами.2.