Обработка когерентных изображений методом акустооптической пространственной фильтрации (1104181), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Одним изнесомненных достоинств АО метода и его отличием от других методов визуализациифазовых объектов является то, что он позволяет осуществлять одновременный анализ какамплитудной, так и фазовой структуры оптического поля. Все это дает основания6предполагать, что разработанный АО метод обработки оптических сигналов найдетширокое применение не только в физических исследованиях, но и в других областяхзнаний, включая медицину и биологию.Основные положения, выносимые на защиту1.
Совокупность всех углов Брэгга анизотропной дифракции в одноосных кристаллахобразует конические поверхности с направляющими, форма и пространственнаяориентация которых определяются направлением распространения и частотойультразвука. В частности, при распространении акустического пучка перпендикулярнооптической оси кристалла направляющие образуют симметричные кривые, похожие на«овалы Кассини» (лемнискаты с двумя фокусами). При повороте волнового вектораультразвука к оптической оси поверхности трансформируются в круговые конусы.2.
В АО ячейках, созданных на основе одноосных кристаллов, существует три видадвумерныхпередаточныхфункций:крестообразный–приколлинеарномвзаимодействии, аксиально-симметричный – в области тангенциальной геометрии и вформе дуги – во всех остальных случаях.3. Эффектвизуализацииоптическоговолновогофронтавозникает,когдафазомодулированная световая волна падает на АО ячейку, работающую в брэгговскомрежиме, под углом, отличающимся от угла Брэгга. Оптимальным является уголпадения, соответствующий середине склона передаточной функции АО ячейки.
Приэтом визуализируется градиент фазы оптического сигнала.4. При помощи АО метода возможна раздельная визуализация распределения амплитудыи фазы в когерентном световом поле путем регистрации и последующей обработкидвух изображений, полученных при симметричных положениях рабочей точки напротивоположных склонах передаточной функции. Такая визуализация наиболееэффективно реализуется в особой геометрии АО взаимодействия, когда световой пучокдифрагирует одновременно в два брэгговских порядка.Достоверность полученных в работе результатов определяется корректностью постановкизадач, использованием апробированные методов теоретического анализа и эксперимента, атакже согласием теоретических расчетов с результатами компьютерного моделирования иэкспериментов. Теоретический анализ АО эффектов проводился методами теории волн наоснове дифференциальных уравнений, которые вытекают из уравнений Максвелла для7среды, возмущенной акустической волной. АО взаимодействие сложных по структурепучков исследовалось спектральным методом в его пространственном варианте.
Широкоиспользовались компьютерные методы расчета с применением обобщенных безразмерныхпараметров. В основе экспериментальных исследований лежали классические методыоптики, лазерной физики и акустооптики.Апробация работыРезультатыпроведенныхисследованийбылипредставленынаследующихмеждународных конференциях:¾ 2-я школа молодых ученых «Оптика-2002», Санкт Петербург, 2002 г.¾ 10-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных пофундаментальным наукам «Ломоносов-2003», Москва, 2003 г.¾ 32nd Winter School “Molecular and Quantum Acoustics”, Szczyrk, Poland, 2003.¾ 6th International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applications inInformation and Telecommunication Systems”, St.
Petersburg, Russia, 2003.¾ 9th School on Acousto-optics and Applications, Gdansk, Poland, 2004.¾ International Congress on Optics and Optoelectronics (COO-2005), Warsaw, Poland, 2005.¾ 2nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL–2005), Yalta,Ukraine, 2005.¾ 35th Winter School “Molecular and Quantum Acoustics”, Ustron, Poland, 2006.¾ 9th International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applications inInformation and Telecommunication Systems, Non-Destructive Testing, Security andMedicine”, St.
Petersburg, Russia, 2006.¾ 7th International Young Scientists Conference «Optics and High Technology MaterialScience» (SPO-2006), Kiev, Ukraine, 2006.¾ 36th Winter School “Molecular and Quantum Acoustics”, Wisla, Poland, 2007¾ 10th International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applicationsin Information and Telecommunication Systems”, St.
Petersburg, Russia, 2007.Кроме того, результаты исследований докладывались и обсуждались на научныхсеминарах лаборатории акустооптики и кафедры физики колебаний физическогофакультета МГУ.8Работа была также представлена на конкурсе молодых ученых «The Inside Edge 2007»,проводимом компанией Samsung Electromechanics, где заняла третье место.По материалам диссертации опубликовано 10 статей в научных журналах и трудахконференций и 12 тезисов докладов. Список публикаций представлен в концеавтореферата.Структура и объём работыДиссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.
Общий объём работысоставляет 170 страниц. Диссертация включает 59 рисунков. Библиография содержит168 наименования, в том числе 22 авторские публикации.Содержание работыВо введении содержится обоснование актуальности темы исследований, излагаютсяцели диссертационной работы, приводится краткое содержание работы, отмечаетсянаучная новизна и практическая значимость проведённых исследований, сформулированыосновные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробациирезультатов работы.Первая глава диссертации имеет в основном обзорный характер.
Она содержитнеобходимые для последующего изложения сведения из теории АО взаимодействия ванизотропныхсредах.ОтмеченыосновныеособенностиАОвзаимодействияванизотропных средах, показаны достоинства анизотропной дифракции, обусловленныеособой зависимостью угла Брэгга от частоты ультразвука.
Глава включает такжеинформациюобАОвзаимодействииволновыхпучков,имеющихсложнуюпространственно-временную структуру, и ее влиянии на спектр дифрагированного света.Приведено общее решение дифракционной задачи.Во второй главе диссертации проводится изучение АО ячейки как фильтрапространственных частот. Задача АО взаимодействия решается в классической постановкес использованием спектрального метода. Анизотропная АО ячейка рассматривается каклинейная оптическая система с передаточной функцией Ta(1) для первого порядкадифракции и Ta( 0 ) - для нулевого порядка. В случае брэгговского двухмодового рассеяниясвета передаточные функции имеют видTa(1) (ϑi , χ ) = −( A 2 )sinc(9)A 2 + R 2 2π ,(1)[ (Ta(0 ) (ϑi , χ ) = cos)A 2 + R 2 2 − j (R 2 )sinc()]A 2 + R 2 2π exp( j R 2 ) ,(2)где ϑi и χ - углы, определяющие пространственные частоты f z = n0ϑi λ и f y = n0 χ λ , λ- длина волны света в вакууме.
В формулах (1)-(2) A = A(ϑi , χ ) – параметр Рамана-Ната,пропорциональный амплитуде акустической волны, аR = R(ϑi , χ ) – безразмернаярасстройка. Для квазиколлинеарного взаимодействияR=2πl ⎛λf ⎞222⎜ − n0 sin ϑi ± n1 − n0 cos ϑi − ⎟ ,V ⎠λ ⎝(3)а для квазиортогонального2⎞2πl ⎛⎜λf ⎞⎛2R=n0 cosϑi cos χ m n1 − ⎜ n0 sin ϑi + ⎟ − n0 cos 2 ϑi sin 2 χ ⎟ ,⎟λ ⎜V ⎠⎝⎝⎠(4)где n0 и n1 - показатели преломления падающей и дифрагированной световых волн, ϑi угол падения света, l – длина АО взаимодействия, λ – длина волны света, f – частотаультразвука, V – скорость распространения акустической волны. Соотношения (3)-(4)получены в предположении, что дифракция света происходит в положительном кристалле,а падающий свет имеет необыкновенную поляризацию, вследствие чего n0 = n0 (ϑi , χ ) .Из условия фазового синхронизма R = 0 в диссертационной работе получены частотныезависимости углов Брэгга и рассчитана пространственная структура АО фазовогосинхронизма, определяющая для фиксированных значений частоты и ориентацииволнового вектора ультразвука направления, в которых падающий на АО ячейку светбудет дифрагировать с максимальной эффективностью.
Показано, что совокупностьбрэгговских углов анизотропной дифракции в одноосных кристаллах образует коническиеповерхности с направляющими, форма которых зависит от частоты и направленияраспространения ультразвука относительно кристаллографических осей. В частности, прираспространении акустического пучка в плоскости, перпендикулярной оптической осикристалла, направляющие образуют симметричные кривые типа овалов Кассини(лемнискаты с двумя фокусами).
При повороте волнового вектора ультразвука коптической оси поверхности трансформируются в круговые конусы.Пространственная структура брэгговских углов дает возможность представить себедвумерную структуру передаточных функций АО ячейки. Выполненные во второй главерасчеты показывают, что в одноосных кристаллах можно выделить три принципиальноразличных варианта передаточных функций.
Для большинства случаев передаточная10χфункция имеет форму дуги (рис. 1). Здесь0.5ºпоказанадвумернаяструктурапередаточной функции в координатных0.25ºосях, соответствующих пространственным0частотам.Большей яркостиизображения-0.25ºсоответствуетзначение-0.5º-0.5º-0.25º0º0.25º0.5ºпередаточнойПредставленныйϑiбольшеевидфункции.передаточнойфункции характерен для всех вариантовРис. 1. Двумерная передаточная функцияпервого порядка дифракции, рассчитаннаядля АО ячейки на основе CaMoO4 приα = 17° , f = 42.6 МГц, l = 4см.изотропной дифракции.
При этом дугаориентированаперпендикулярноплоскости АО взаимодействия. В случаеанизотропной дифракции дуга может иметь любую ориентацию относительно плоскостивзаимодействия, в том числе и вдоль плоскости взаимодействия.Совсем другой вид имеют передаточные функции при коллинеарной дифракции(рис. 2). Если акустическая частота равна частоте коллинеарного фазового синхронизмаf c , то передаточная функция имеет крестообразную форму с лучами, ориентированными45°приблизительно под угломПриуменьшениичастотыкоптическимосямY и Z кристалла (рис. 2а).крест расщепляется на две дуги, смещающиеся по оси ϑiв противоположных направлениях (рис.
2б). Если же частота увеличивается, то крестразделяется на две дуги, перемещающиеся по оси χ (рис. 2в).5ºχ5ºχ5º2.5º2.5º2.5º0º0º0º-2.5º-2.5º-2.5º-5º-5º-2.5º0º(a)2.5º5ºϑi -5ºχ-5º-5º-2.5º0º(б)2.5ºϑ5º i-5º-2.5º0º2.5º(в)Рис. 2. Двумерные передаточные функции первого порядка коллинеарнойдифракции. а: f = f c = 46.62 МГц; б: f = 46.55 МГц; в: f = 46.7 МГц.115ºϑiТретий вариант передаточных функций реализуется в области тангенциальнойгеометрии АО взаимодействия. Двумерные передаточные функции для этого варианта,рассчитанные для ячейки на основе кристалла TeO2, показаны на рис. 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
