Диссертация (1102446), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Двойная стрелка − вектор потока энергии ультразвука.− 128 −f*,МГца)4000300020001000090105120135150165180 χ, градM ×1015,с3/кгб)700600500400300200100090105120135150165180 χ, градРис. 4.9. Зависимость частоты синхронизма при полуколлинеарном взаимодействии икоэффициента акустооптического качества от угла среза кристалла.Графики соответствуют переходу o→e в плоскости (1 1 0).− 129 −ширина рабочего ультразвукового столба (волна 1а) была равна l = 0,2 мм. Электрическаямощность, подводимая к пьезоэлементу, ограничивалась рассеянием тепла в кристаллическомобразце и не превышала 1 Вт.
При этом, акустическая мощность, приходящаяся на рабочийультразвуковой пучок, составляла 30% от входной электрической мощности. Схемаакустооптической ячейки с указанием хода световых лучей представлена на рис. 4.10б.Для измерений была создана установка, схема которой приведена на рис. 4.10а.Основными требованиями, предъявленными при ее разработке, были возможность регистрациислабых оптических сигналов в инфракрасном диапазоне спектра, а также высокая степеньавтоматизации измерений.
Основной частью измерительной установки явился прибор дляизмерения амплитудно-частотных характеристик Х1-42. Генераторный блок данного прибораслужил задающим генератором высокочастотного радиосигнала, подаваемого на пьезоэлементакустооптической ячейки. Особенностью разработанной установки было использованиедвойной модуляции высокочастотного сигнала, осуществляемой внутри задающего генератора.Высокочастотный радиосигнал одновременно подвергался как линейной частотной модуляциина частоте 0,1 Гц, так и амплитудной манипуляции сигналом "меандр" на частоте 700 Гц.Источником опорного сигнала "меандр" служил генератор Г3-36, обеспечивавший синхроннуюработу передающего и приемного трактов установки. В связи с тем, что выходной мощностизадающего высокочастотного генератора оказалось недостаточно для возбуждения в ячейкеультразвуковойволныоптимальноймощности,всоставустановкибылвключенпредоконечный усилитель У3-33, а также оконечный усилитель мощности ЕЯ2.030.065-01 отгенератора Г4-143.
Для контроля мощности возбуждающего высокочастотного сигнала былиспользован электронный вольтметр В7-15.Световое излучение с длиной волны 3,39 мкм от гелий-неонового лазера ЛГ-113подвергалось дифракции в акустооптической ячейке. Излучение, отклоненное в +1-й порядокдифракции, регистрировалось при помощи фотоприемника ФСГ-22-3А1 на основе Ge:Au,охлаждаемого жидким азотом. Катодный повторитель на интегральной микросхеме служил длясогласования высокого сопротивления фоторезистора со сравнительно низким выходнымсопротивлением системы обработки сигнала.
В силу того, что возбуждающий электрическийсигнал подвергался амплитудной манипуляции сигналом "меандр", отклоненное световоеизлучение также оказывалось модулированным по амплитуде по закону меандра. Поэтомуэлектрический сигнал, снимаемый с фотоприемника, содержал полезную составляющую начастоте 700 Гц, амплитуда которой была пропорциональна эффективности дифракции. Задачей,которая была решена при помощи системы обработки сигнала, состояла в измеренииамплитуды указанного полезного сигнала в условиях значительных помех. Полный сигнал,снимаемый с фотоприемника, подавался на вход селективного измерительного усилителя У2-6,− 130 −Х1-42постоянныйуровеньопорныйХ1-42меандрГ3-36опорныймеандрВ9-2700700 Гц300 МГцУ3-33У2-6Гц300МГцЕЯ2.030.
300065-01МГцФСГ22-3А1В7-15700+–Гц300 МГцЛГ-1133,39 мкм3,39 мкма)б)[010][100]1,9 ммl = 0,2 ммrKРис. 4.10. Схема экспериментальной установкии ход лучей в акустооптической ячейке (ср. рис. 3.1б).− 131 −осуществлявшего узкополосную фильтрацию сигнала на частоте 700 Гц и его калиброванноеусиление до величины, требуемой для дальнейшей обработки. Окончательное выделениеполезного сигнала из помех осуществлялось в измерительном преобразователе В9-2,специально предназначенном для работы в комплексе с усилителем У2-6. Прибор В9-2сравнивал подаваемый на его вход сигнал с опорным сигналом "меандр" и выделял из входногосигнала лишь ту его квадратурную составляющую, которая совпадала с опорным сигналом пофазе. Выходным сигналом прибора было постоянное напряжение, получаемое в результатесинхронной демодуляции, величина которого была пропорциональна амплитуде полезногосигнала и эффективности акустооптической дифракции.
Величина выходного напряженияизмерялась при помощи стрелочного индикатора, встроенного в прибор В9-2, а такжевыводилось на экран осциллографического индикатора прибора Х1-42. В связи с тем, чтопериод линейной частотной модуляции возбуждающего радиосигнала в приборе Х1-42 былвыбран значительно большим, чем постоянная времени синхронного демодулятора В9-2, наэкране осциллографического индикатора можно было непосредственно наблюдать формузависимости эффективности дифракции от частоты ультразвука.
Для более точной регистрациисигнала в отдельных точках этой зависимости была предусмотрена возможность остановкикачания высокой частоты с отсчетом величины сигнала в данной точке по стрелочному прибору.Единственной помехой, которая принципиально не могла быть устранена методамиузкополосной фильтрации и синхронной демодуляции, являлась наводка, синфазная с опорнымсигналом "меандр". Данная помеха выражалась в аддитивной систематической погрешности,вносимой в выходной сигнал. Для ее устранения перед каждым проведением измеренийосуществлялась установка обоих индикаторов (осциллографического и стрелочного) на "ноль"при механически закрытом окне фотоприемника и включенном высокочастотном сигнале.Таким образом, примененная в установке система обработки сигнала осуществляласелекцию полезного сигнала от помех по всем трем параметрам − частоте, фазе и амплитуде,что и явилось основой высокой чувствительности измерительной системы.
Соотношениесигнал-шум в процессе обработки повышалось на 50 дБ по сравнению с таким соотношением висходном сигнале, снимаемом с выхода фотоприемника. При этом, наименьшее напряжениеполезного сигнала на частоте 700 Гц на выходе фотоприемника, которое еще было возможнозарегистрировать, не превышало 1 мкВ, что соответствовало эффективности дифракции 2·10−6.Для сравнения следует отметить, что в акустооптике достаточно редко встречаются точныеизмерения эффективности дифракции менее 10−4 даже в видимой области спектра, для которойсуществуют намного более чувствительные фотоприемники (ФЭУ), чем для инфракрасногодиапазона.− 132 −Врезультатеэкспериментабылаопределенашириначастотнойполосыполуколлинеарной дифракции 0,60 + 0,04 МГц при использовании широкого гауссова пучкасвета (b = 2 мм) и 1,4 + 0,1 МГц при использовании узкого прямоугольного пучка света(b = 0,9 мм).Данныерезультаты находятся в согласиис теоретическимиданными,полученными по формулам (4.17) и (4.13), соответственно.
Тем самым, был подтвержденсделанный в п. 4.2 вывод о том, что ширина частотной полосы взаимодействия вполуколлинеарном режиме дифракции существенно определяется апертурой светового пучка[95, 97-101]. Эффективность дифракции при синхронизме составляла величину 3,6·10−4 впересчете на 1 Вт электрической мощности, подводимой к пьезопреобразователю, то есть0,3 Вт акустической мощности пучка. Теоретическое значение эффективности дифракции приданной мощности и параметрах l = 0,2 мм и b = 2 мм, рассчитанное по формуле (4.16),составляет величину 1,4·10−3.
Различие в 4 раза по сравнению с величиной, измеренной вэксперименте, может быть обусловлено значительным затуханием ультразвуковой волны надлине взаимодействия. Как показано в п. 4.4, затухание ультразвука весьма слабо влияет начастотный диапазон взаимодействия, однако при этом приводит к значительному падениюэффективности дифракции. Именно этим можно объяснить, что измеренная ширина частотнойполосы полуколлинеарной дифракции оказалась соответствующей теоретическим данным, аизмеренная эффективность дифракции оказалась в несколько раз ниже теоретическипредсказанной. К сожалению, в литературе отсутствуют точные данные по затуханиюультразвуковых волн с большими углами сноса в парателлурите, поэтому провестиколичественный анализ полученных результатов не представляется возможным.− 133 −Основные результаты главы 41) Рассмотрен режим дифракции света на ультразвуке в упруго-анизотропной среде, прикотором световой пучок одного из дифракционных порядков направлен строго вдольультразвукового столба.
Показано, что данный режим дифракции не может быть описан врамках известной теории акустооптического взаимодействия, основанной на одномерномуравнении связанных мод. В связи с тем, что исследуемый режим является коллинеарным дляодного из порядков дифракции и поперечным − для другого, для его обозначения предложеноиспользовать термин полуколлинеарный режим дифракции.2) Получено двумерное уравнение связанных мод, описывающее полуколлинеарныйрежим дифракции света на ультразвуке, и найдены решения этого уравнения при произвольномсечении падающего светового пучка. Показано, что частотная полоса акустооптическоговзаимодействия в данном режиме определяется апертурой светового пучка, а эффективностьдифракции − как апертурой светового пучка, так и шириной ультразвукового столба.
Этисвойства существенно отличают полуколлинеарный режим от известных в настоящее времярежимов дифракции света на ультразвуке.3) Найдено направление вектора расстройки, определяющего степень нарушениясинхронизма при акустооптическом взаимодействии. Показано, что в полуколлинеарном случаевектор расстройки направлен перпендикулярно к падающему световому пучку. При помощиметода векторных диаграмм получено выражение для угла сканирования отклоненногосветового пучка при перестройке частоты ультразвуковой волны, на которой происходитдифракция света.4)Исследованазависимостьэффективностиполуколлинеарнойдифракцииоткоэффициента акустооптической связи. Показано, что происходит насыщение эффективностидифракции при увеличении коэффициента связи, причем уровень насыщения равен единице ине зависит от длины ультразвукового столба.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
