Акустооптические системы с амплитудной и частотной обратной связью (1102312), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Предложенные методы исследования и результаты анализа АО системы актуальны и для оптических систем с ОС наоснове модуляторов других типов. Ряд результатов актуален для систем с ОС в целом.•В диссертационной работе выработан единый подход к анализу АО системы с ОСамплитудного и частотного типа как в статическом приближении, так и с учётом её динамических свойств, различных режимов бистабильности и стабилизации параметров. Этопозволяет систематизировать основные режимы, характеристики и свойства разных вариантов системы.•Предложенные в работе методы анализа систем с ОС на основе амплитудной характеристики произвольного вида пригодны для определения основных параметров системразличных типов.
Найдены уравнения, определяющие условия существования областибистабильности и её границы.•Исследование динамических эффектов в АО системе с ОС показало важность учётараспределённого запаздывания сигнала в АО ячейке. Определены условия динамическойустойчивости стационарных состояний.•Предложено использовать амплитудную отрицательную ОС в АО системе для стабилизации мощности оптического излучения и для уменьшения неравномерности АЧХдифракционного дефлектора.•Предложена и исследована эффективная система стабилизации направления распространения лазерного пучка на основе АО дефлектора с частотной ОС.Защищаемые положения.
В качестве основных результатов на защиту выносятсяследующие положения:1. Для возникновения в системе с амплитудной ОС бистабильного режима надо выполнить два условия. Одно определяет необходимую глубину ОС, а другое задает положение рабочей точки на амплитудной характеристике АО взаимодействия. Достижение бистабильного режима возможно лишь в режиме высокой эффективности дифракции. Переключать систему из одного равновесного состояния в другое можно, изменяя один из параметров системы (оптический, электрический и расстроечный механизмы переключения).В определенном диапазоне параметров электрическое и расстроечное переключение становятся необратимыми.2. Характеристики динамической устойчивости равновесных состояний существеннозависят от эффекта усреднения сигнала в АО ячейке, связанного с распределенным характером АО взаимодействия.
В случае широкого светового пучка существуют две областивысокой динамической устойчивости системы, когда инерционность оптоэлектронного канала ОС значительно больше или значительно меньше постоянной АО ячейки.3. В АО системе с ОС по частоте бистабильность достижима даже в режиме малой эффективности дифракции. Располагая перед фотоприёмником амплитудный транспарант,можно получить мультистабильность высокого порядка с состояниями, отличающимисяамплитудой, частотой и направлением распространения дифрагированного пучка. Подбором функции пропускания транспаранта можно получить наперёд заданную характеристику системы.4. Применение ОС амплитудного или частотного типа в АО системе позволяет получить эффекты снижения неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)дифракционного дефлектора, стабилизации оптической мощности, а также стабилизациинаправления распространения светового пучка.ОсновныерезультатыдиссертацииАпробация диссертационной работы.обсуждались на научных семинарах кафедры физики колебаний физического факультета5МГУ и были представлены на 6 научных конференциях, в том числе 4 международных: 4-йВсесоюзной конференции «Проблемы оптической памяти».
- Телави, 1990 г.; Совместномсоветско-китайском семинаре «Holography and Optical Information Processing». - Бишкек,1991 г.; 7-й конференции «Оптика лазеров». - Санкт-Петербург, 1993 г.; 6-йМеждународной конференции «Лазерные технологии». - Шатура, 1998 г.; 7-йМеждународной конференции «Авиация и космонавтика – 2008». - Москва, 2008 г.;International Congress on Ultrasonics. - Santiago (Chile), 2009 г.Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из которых 5тезисов докладов на конференциях, 6 статей в трудах конференций, 7 статей в ведущихроссийских и зарубежных журналах: Радиотехника и электроника; Квантовая электроника;Optical Memory and Neural Networks; Optical Engineering; Нано- и микросистемная техника;Мехатроника, Автоматизация, Управление. Список публикаций приведен в конце автореферата.Достоверность полученных результатов определяется использованием апробированных методов теоретического анализа и эксперимента, тщательностью проведения расчётов и измерений, согласием теоретических расчётов с результатами экспериментов, работоспособностью созданных устройств, а также результатами других исследователей,проводивших аналогичные расчёты и эксперименты.Личный вклад автора заключается в проведении теоретических исследований, разработке и изготовлении экспериментальных установок, разработке методик измерения,проведении экспериментов, в обработке и интерпретации полученных результатов.Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, состоящих из нескольких разделов, заключения и списка цитируемой литературы из 104 наименований и содержит 148 страниц текста, 45 рисунков. В конце глав перечислены новыерезультаты, полученные по данному разделу исследований, и основные выводы. В концеработы, в заключении, сформулированы основные результаты и выводы.Содержание работыВо введении изложены цели и задачи диссертационной работы, обоснована актуальность выбранной темы диссертации, показана научная и практическая ценность, а такженаучная новизна работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
Также вовведении изложено основное содержание разделов диссертации.Бистабильность в оптических системахГлава 1, в основном, носит обзорный характер. Первый раздел главы посвящён вопросам оптической бистабильности и мультистабильности. В нём приводятся основныетермины и определения, даётся классификация оптических бистабильных систем, проводится обзор публикаций по оптической бистабильности.Следующий раздел первой главы освещает основные вопросы теории АО взаимодействия. В нём излагается постановка дифракционной задачи и методы её решения. Далееприводятся основные формулы, необходимые для математически корректного описанияАО системы с ОС и кратко формулируются вытекающие из них закономерности АО взаимодействия. Особое внимание уделено АО дифракционным дефлекторам, поскольку в качестве основы АО системы с ОС была выбрана АО ячейка именно такого типа.В заключительном разделе первой главы, с учетом изложенного в предыдущих разделах, разработана функциональная схема АО системы с ОС, сформулирована задача исследования системы в общем виде и поставлены частные задачи.В качестве объекта исследования выбрана АО система с ОС гибридного типа.
В еёоснове предложено использовать широкоапертурную АО ячейку, поскольку именно в этомслучае можно реализовать систему с большой линейной и угловой апертурой. Цепь опто6электронной ОС содержит фотоприёмник, регистрирующий часть оптической мощностиодного из дифракционных максимумов, усиленный сигнал которого вместе с опорным напряжением поступает на вход амплитудной (АМ) либо частотной (ЧМ) модуляции генератора высокой частоты (ГВЧ), который в свою очередь используется для возбуждения пьезопреобразователя ячейки. В случае ОС по частоте на входе фотоприемника помещаетсяамплитудный транспарант. Предполагается, что все звенья оптоэлектронной цепи ОС работают в линейном режиме.АО система с амплитудной ОСВторая глава посвящена исследованию системы с ОС амплитудного типа, в которойнапряжение ОС подается на вход АМ ГВЧ, управляя, таким образом, амплитудой акустической волны в ячейке.
Основное внимание уделено тем особенностям системы, которыеявляются следствием специфики АО взаимодействия. Анализ системы, в основном, проведён для амплитудной характеристики, заданной в общем виде, а конкретные числовые значения параметров и графики рассчитаны для реальной характеристики АО ячейки, использованной в экспериментах. В тех случаях, когда необходимо иметь амплитудную характеристику в виде аналитической функции, использовано приближение дифракции Брэгга.В главе определены условия существования в системе бистабильных состояний,изучены особенности различных механизмов переключения [A1-A5,A15], рассмотренывопросы динамической устойчивости [A16-A18], исследованы некоторые режимы автоматического регулирования [A15].Теоретическое исследование.
Квазистатическое приближениеФункциональная схема системы показана на Рис. 1 Входное оптическое излучение 1(монохроматический пучок прямоугольного сечения), проходя через АО ячейку 2, дифрагирует на неоднородностях показателя преломления, индуцированных бегущей акустической волной 3, возбуждаемой пьезопреобразователем 4. Часть дифрагированного излучения 5, отраженная полупрозрачным зеркалом 6, детектируется фотоприемником 7, сигнал скоторого усиливается усилителем 8 и вместе с опорным напряжением V0 подается на входамплитудной модуляции генератора электрических колебаний 9.
Сигнал с генератораРис. 1. Функциональная схема АО системы с амплитудной ОС7подается на пьезопреобразователь, и таким образом замыкается цепь ОС, благодаря которой выходной сигнал фотоприемника управляет амплитудой акустической волны.В квазистатическом приближении мощность дифрагированного света определяетсяинтегральной эффективностью дифракции ξ = ξ (ql ,ηl ) :(1)Pd = P0ξ [ql ,η (ϑ0 , f )l ] ,где P0 - мощность падающего света, q – коэффициент АО связи, пропорциональный амплитуде акустической волны, η - параметр расстройки, l - длина области взаимодействия внаправлении распространения света. Параметр расстройки η , в свою очередь, являетсяфункцией угла падения света на ячейку ϑ0 и частоты ультразвука f.Для линейной цепи ОС в квазистатическом приближении параметр q зависит отмощности дифрагированного света следующим образом:q = β V0 + (iT + SrPd )Rk y .(2)Здесь iT и S - темновой ток и токовая чувствительность фотоприемника, r – коэффициентотражения зеркала, R - сопротивление нагрузки приемника, k y - коэффициент усиленияусилителя, β - коэффициент, учитывающий чувствительность модуляционного входа генератора, коэффициент преобразования амплитуды электрического напряжения на пьезопреобразователе в амплитуду акустической волны и фотоупругий эффект в АО ячейке.Подставив (2) в (1), получим основное уравнение системы, корни которого определяют равновесные состояния системы:Pd = P0ξ βl (V0 + iТ Rk y + SrPd Rk y ),ηl .(3)Таким образом, если известна функция ξ (ql ,ηl ) , то уравнение (3) позволяет определить состояние системы (мощность Pd , а следовательно и Pвых ) по заданным параметрамP0 , V0 , η .Для дальнейшего анализа вводятся безразмерные переменные11~~Pd =βk y RSr Pd ,P0 =ξ max βk у RSrP0 ,(4)q maxq maxql11~V0 =β V0 + iT Rk y , η~ = ηl , q~ ==q(5)q maxq max l qmaxи функция~ ~ ~ ξ (q~q max l ,η~ )ξ (q ,η ) =,(6)[][]ξ maxгде ξ max - максимальное значение интегральной эффективности дифракции, а q max - точкамаксимума.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
