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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛОМОНОСОВАФизический факультетКафедра физики колебаний________________________________________________________________На правах рукописиУДК 534.23:535.42:681.7.014.3Юхневич Татьяна ВикторовнаШирокоапертурное взаимодействие в акустооптическихфильтрах видимого и ультрафиолетового диапазонаэлектромагнитного спектра01.04.03 – радиофизикаДиссертация на соискание ученой степениКандидата физико-математических наукНаучный руководителькандидат физ.-мат.

наук, доцентВолошинов В.Б.Москва, 2017ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕГЛАВА 11.1 Акустооптическое взаимодействие в анизотропной среде1.2 Уравнение связанных мод при дифракции Брэгга в анизотропнойсреде41515191.3 Широкоапертурная геометрия акустооптического взаимодействия23Выводы к главе 131ГЛАВА 22.1 Основные характеристики широкоапертурных акустооптическихфильтров32332.2 Широкоапертурные фильтры с геометрией взаимодействия вдали отоптической оси кристалла парателлурита392.3 Общее сравнение характеристик двух типов широкоапертурныхфильтров472.4 Экспериментальное исследование фильтров с геометриейвзаимодействия вдали от оси кристалла.51Выводы к главе 2ГЛАВА 355563.1 Дисперсия показателя преломления кристалла парателлурита.563.2 Компенсация продольных смещений изображения с помощьюрассеивающей линзы603.3 Влияние дисперсии показателя преломления кристалла на работуакустооптических фильтров неполяризованного света64Выводы к главе 3.712ГЛАВА 44.1 Характеристики кристалла KDP72724.2 Экспериментальное исследование передаточной функцииакустооптической ячейки на основе кристалла KDP744.3 Зависимость дрейфа частоты брэгговского синхронизма оттемпературы794.4.

Изменение формы передаточной функции акустооптической ячейки 85Выводы к главе 4.ГЛАВА 55.1 Акустические и фотоупругие свойства кристалла KDP5.2 Экспериментальное исследование акустооптического качествакристалла KDP5.3 Влияние пьезоэлектрического эффекта на индикатрису кристаллаKDPВыводы к главе 5.93949497105111ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИИ.112ЛИТЕРАТУРА113СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА.1223ВведениеАктуальность темы исследованияАкустооптическое взаимодействие основано на явлении дифракциисветовых потоков на фазовых дифракционных решетках, созданныхупругими волнами в различных средах [1,2]. Акустическая волна,распространяясь в оптически прозрачной среде, вызывает периодическоеизменение показателя преломления этого материала из-за фотоупругогоэффекта. Данное явление (акустооптической дифракции) было предсказанофранцузским физиком Л.

Бриллюэном [3] в 1922 году. Российский ученыйЛ.И. Мандельштам [4] приступил к исследованию этого явления в 20-е годы.Экспериментальнодифракциясветанаультразвуковойволне,распространяющейся в жидкости, впервые наблюдалась в 1932 году двумянезависимыми группами физиков. В первую группу входили Р.Люка и П.Бикар (Франция) [5], а во вторую П. Дебай и Ф. Сирсом (США) [6]. Первыйсерьезный подход к изучению акустооптического взаимодействия былпредложен индийскими физиками Ч. Раманом и Н. Наттом в середине 30-хгода XX столетия [7], а также С.М. Рытовым (СССР) [8]. Характер данноговзаимодействия существенно зависит от длины области взаимодействиясвета и звука, а также частоты ультразвуковой волны.

При низких частотахультразвука и малых длинах взаимодействия дифракционная картинапредставляет собой набор множества дифракционных максимумов и носитназваниераман-натовскоговзаимодействия.Привысокихчастотахультразвука и больших длинах взаимодействия характер дифракциистановится похожим на дифракцию в трехмерных периодических структурах:дифракция с высокой эффективностью (100%) становится селективной, тоесть наблюдается только при определенных углах падения света на решетку,для которых выполняется условие фазового синхронизма.

Такую дифракцию,по аналогии с дифракцией рентгеновских лучей на кристаллической решетке,называют брэгговской.4До открытия лазеров рассеяние света на ультразвуке было предметомисследования академической науки. Однако с середины 60-х годов, когдабыли созданы первые лазерные дефлекторы и модуляторы на основеакустооптического эффекта, и по сей день акустооптика динамичноразвивается и находит все большее применение в широких разделах науки итехники. В настоящее время существует множество приборов, позволяющихуправлять интенсивностью, поляризацией, частотой, фазой и направлениемраспространения оптического излучения.

Кроме того, акустооптическиеметоды позволяют контролировать многие параметры световых пучков,формирующих изображения [1,2 9-22].Большинство материалов, применяемых в современной акустооптике,являютсяоднооснымикристаллами.Этонеслучайно,таккакакустооптическая дифракция в анизотропной среде представляется болеесложной и интересной как для фундаментального знания, так и дляприкладных приложений. В подобных анизотропных, как оптически, так иакустически средах, геометрия акустооптического взаимодействия позволяетосуществлять пространственную и спектральную фильтрацию световыхпучков наиболее эффективно [23-27].Одной из важных задач современной оптики, оптоэлектроники иакустооптики является обработка неколлимированного света и пучков,формирующих изображение.

Эта обработка или фильтрация оптическогоизображения осуществляется в узком диапазоне Δλ длин волн света λ приодновременном обеспечении высокого быстродействия по сравнению склассическими устройствами. В решении этой задачи важную роль играютакустооптические фильтры [1,10,20].Данные устройства условно можноразделить на два класса, различающиеся между собой пространственнойориентацией волновых векторов света и ультразвука.

Первый класс – этоколлинеарные и квазиколлинеарные фильтры. В данном случае волновыевекторы падающего света и ультразвука параллельны или пространственноблизки друг другу [1,10,16,20]. Такие устройства, благодаря большой области5взаимодействия света и звука, имеют узкую полосу пропускания и большоеспектральное разрешение R   /   104 . К сожалению, квазиколлинеарныефильтры, как правило, используютхорошо коллимированные световыепотоки, и, как следствие, имеют малую угловую апертуру.Второй класс фильтров основан на широкоапертурной геометрииакустооптического взаимодействия.

При данном типе взаимодействиякасательные к волновым векторам падающего и дифрагированного света насечении волновой поверхности параллельны друг другу [1,10,16,20].Разрешающая способность таких устройств ниже, чем у коллинеарных, из-затого, что размер области взаимодействия света и звука данном случаеопределяется размером пьезопреобразователя, который меньше длиныкристалла вдоль направлении распространения звука. Однако, даннаягеометрия позволяет работать как со сходящимися, так и с расходящимисясветовыми потоками, и, как следствие, осуществлять спектральнуюфильтрациюизображенийПреимущество[28-30].широкоапертурнойгеометрии акустооптического взаимодействия состоит в том, что уголрасхождения между падающим и дифрагированным светом существеннобольше, чем в квазиколлинеарной геометрии взаимодействия, что позволятразделять свет ненулевого и первого порядка на выходе фильтров даже безиспользования селекторов поляризации.В настоящее время при создании большинства акустооптическихприборов используют двулучепреломляющий кристалл парателлурита.Благодаря своим акустическим свойствам этот одноосный кристаллпозволяет наблюдать с его помощью интенсивную дифракцию [31-33].Данный кристалл наиболее часто используют в акустооптических фильтрах,при этом реализуются как широкоапертурные, так и квазиколлинеарныефильтры.Внастоящеевремявлитературеподробноописаныширокоапертурные акустооптические фильтры на кристалле парателлурита,которые работают с малыми углами падения света относительно оптическойоси материала (<370) и сравнительно низкими частотами ультразвука6[1,16,20].Однако,вакустооптикеизвестно,чтоширокоапертурнаядифракция может быть реализована и при более высоких акустическихчастотах, а также углах падения света, близких к 900.

Вместе с тем,оказалось, что в настоящее время высокочастотная широкоапертурнаядифракция исследована недостаточно полно, а возможность её применения вакустооптических фильтрах рассматривалась лишь в одной или двух работах[34,35]. Поэтому данный пробел ликвидирует исследование, проведенное впредлагаемой диссертационной работе.Хорошо известно, что парателлурит прозрачен в видимом и ближнеминфракрасном диапазоне, поэтому некоторые задачи в акустооптике не могутбыть решены с помощью данного кристалла. Например, до сих пор нерешеназадачаакустооптическойфильтрацииоптическихсигналовультрафиолетового диапазона или среднего и дальнего ИК диапазонов.Оказалось, что для фильтрации оптических потоков в ультрафиолетовойобластиэлектромагнитногоспектраможноиспользоватькристаллдигидрофосфата калия или KH2PO4 (KDP) [36,37].

Анализ научнойлитературы показывает, что список работ по акустооптической обработкеизображений в ультрафиолетовом диапазоне крайне ограничен [38-43].Оказалось, что характеристики фильтров на кристалле KDP существенноуступают характеристикам приборов на кристалле парателлурита. Былвыявлен главный недостаток кристалла KDP при его использовании вакустооптике: он заключается в низком акустооптическом качествематериала. Из-за малой акустооптической эффективности к кристаллуприходится прикладывать большие управляющие мощности, что приводит кразогреву материала и, как следствие, многим негативным эффектам. Такимобразом, определение коэффициента акустооптического качества кристалла иотыскание оптимальной геометрии акустооптического взаимодействия свысокой эффективностью дифракции является важной и актуальной задачейсовременной акустооптики.7Цели диссертационной работыЦелидиссертационнойработысостояливтеоретическомиэкспериментальном исследовании различных аспектов неколлинеарнойгеометрии акустооптического взаимодействия в оптически и акустическианизотропныхсредахоптоэлектроникиидляее примененияоптическойобработкив новейших устройствахинформации.Приэтомнеобходимо было решить следующие задачи:1.Исследовать закономерности широкоапертурной анизотропнойдифракции света на ультразвуке в одноосных кристаллах вдали отоптической оси двулучепреломляющего материала.2.Провести сравнительный анализ геометрии акустооптическоговзаимодействия вдали от оптической оси кристалла с известнойприосевой геометрией широкоапертурного взаимодействия.3.Изучить влияние дисперсии показателей преломления материалаакустооптическойячейкинахарактеристикиакустооптическихфильтров анализа изображений, а также фильтров, работающих снеполяризованным светом.4.Теоретическииэкспериментальноградиента температур, создаваемогоисследоватьвлияниев кристалле KDP потокомуправляющей акустической мощности на параметры акустооптическогофильтра.

В частности, оценить влияниеградиента на аппаратнуюфункцию пропускания акустооптических ячеек на кристаллах KDP.5.Исследоватьфотоупругиеиакустооптическиесвойствакристалла KDP для выбора оптимальной геометрии акустооптическоговзаимодействия в акустооптических устройствах фильтрации УФдиапазона на кристалле KDP.8Научная новизна1.В работе впервые подробно исследована широкоапертурнаягеометрия акустооптического взаимодействия вдали от оптической осиодноосных кристаллов. Показаны преимущества и недостатки даннойгеометрии взаимодействия по сравнению с известной приосевойгеометрией акустооптического взаимодействия.2.Впервые подробно исследовано влияние дисперсии показателяпреломленияматериаланаработуакустооптическихфильтровнеполяризованного света при одновременной дифракции света в ±1дифракционные порядки. Показано, что изменение длины волны светаприводит к сдвигу значения угла Брэгга, который достигает третидопустимой угловой апертуры фильтра.3.Впервые проведен анализ влияния распределения температурыпо объему кристалла KDP на основные параметры видеофильтраультрафиолетовогодиапазонаэлектромагнитныхволн.Доказанонегативное влияние разогрева кристалла акустической мощностью наэффективностьдифракцииичастотубрэгговскогосинхронизмацентральной длины волны пропускания фильтра.4.Обнаруженоуменьшениеэффективностидифракциивширокоапертурном фильтре на кристалле KDP из-за экранирующеговлияния пьезоэлектрического и электрооптического эффектов.Практическая значимость- Практическая значимость поведенных исследований заключается ввыдачерекомендацийприразработкеновыхмодификацийперестраиваемых акустооптических фильтров для анализа изображений, вкоторых дифракция реализуется вдали от оптической оси кристалла.- Указана необходимость компенсации и дополнительной юстировкиширокоапертурного фильтра с одновременной дифракцией в ±19дифракционные порядки при изменении длины падающего излучения, изза дисперсии показателей преломления материала.- Экспериментально доказана необходимость равномерного разогревакристалла KDP для уменьшения температурных градиентов, негативновлияющих на коэффициент пропускания и ширину полосы частотакустооптического фильтра.-Показано,чтоприразработкеакустооптическихфильтровультрафиолетового диапазона на основе кристалла KDP необходимоучитыватьэкранирующеевлияниепьезоэлектрическогоиэлектрооптического эффектов, которые могут привести к значительномуснижению эффективности дифракции по сравнению со значением,предсказанным теорией.Основные положения, выносимые на защиту1.