Диссертация (1105225), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Данная дисперсия влияет на условиебрэгговского синхронизма и не позволяет реализовать интересующий режимдифракции в широком диапазоне длин волн света без дополнительнойюстировки устройства фильтрации.4.Реализованное в эксперименте взаимодействие на длинах волнизлучения от 532 до 1150 нм в кристалле парателлурита с углом среза 10 0потребовало подстройки угла Брэгга на величину Δθpolex = 0.180.71ГЛАВА 4Влияние нагрева кристалла KDP на параметрыакустооптического взаимодействия4.1 Характеристики кристалла KDPВ настоящее время существует множество задач обработки изображенийв ультрафиолетовом диапазоне длин волн оптического спектра.

К такимзадачам,например,относитсяисследованиеспектральногосоставаатмосферы Земли. Как известно, большой интерес для экологии и физикиатмосферы представляет изучение концентрации озона, край полосыпоглощения которого лежит в ближнем ультрафиолетовом диапазоне. Вданном диапазоне длин волн электромагнитного излучения находятся имногие линии поглощения различных химических веществ, входящих всостав атмосфер планет. К сожалению, широко применяемый в акустооптикеи акустооптической спектроскопии кристалл парателлурита не прозрачен надлинах волн меньших 350 нм. Более того, в настоящее время на мировомрынкеакустооптическихприборовпрактическинесуществуетакустооптических устройств обработки сигналов и полностью отсутствуютустройства обработки изображений в ультрафиолетовом диапазоне.Анализ научной литературы показывает, что количество работ поданнойтематикевесьмаограниченно[39-43,69].Оказалось,чтоперспективным для подобных применений в акустооптических фильтрахявляется кристалл дигидрофосфата калия или KDP.

Этот известныйдвулучепреломляющий кристалл широко использовался для генерациивторой гармоники в нелинейной оптике. Именно при помощи кристалла KDPвпервые удалось осуществить фильтрацию излучения ультрафиолетовогодиапазона с хорошим качеством изображения [39,40].К сожалению, результаты исследований акустооптических устройств накристалле KDP показали, что характеристики таких фильтров существенно72уступают характеристикам приборов на кристалле парателлурита. Один изглавныхнедостатковкристаллаKDPзаключаетсявегонизкомакустооптическом качестве [1,39,40].

Из-за малой эффективности дифракциив данном материале для достижения удовлетворительного коэффициентапропускания T акустооптических фильтров к пьезопреобразователю ячейкиприходилось прикладывать высокие значения управляющей электрическоймощности. Это, в свою очередь, приводило к разогреву кристалла за счетпоглощения акустической мощности кристаллом. Очевидно, что повышениетемпературы приводит к изменению показателей преломления кристалла,скорости звука и, как следствие, изменению частоты брэгговскогосинхронизма.

Кроме того, необходимо учитывать и неоднородностьраспределения температур по объему акустооптической ячейки. Ожидалось,что подобная неоднородность может сказаться на форме аппаратнойфункции фильтра. В частности, температурные градиенты приводят куширению полосы пропускания фильтров, дрейфу их параметров, а так жеухудшению качества обрабатываемых оптических сигналов, если фильтрыиспользуютсядляанализаизображений.Подобныеэффектыбылиобнаружены и изучены в кристалле парателлурита [83,84]. Аналогичныхисследований для кристалла дигидрофосфата калия не проводились.Кристалл KDP при комнатной температуре принадлежит к классукристаллов тетрагональной сингонии с симметрией 42m . Интересующийширокоапертурный режим дифракции в кристалле KDP наблюдается вплоскости (010).

При этом чистая медленная сдвиговая акустическая модараспространяется вдоль оси [100] или под малым углом вблизи ее [26].Значение величины скорости акустической волны в плоскости (010) от угласреза кристалла и температуры рассчитывается по следующей формуле:Vc66 T cos 2  c44 T sin 2  ,(4.1)73где ρ = 2338кг/м3 – плотность кристалла KDP, а с44 и с66 – коэффициентытензора упругости, Т - температура кристалла.Как оптический материал данный кристалл дигидрофосфата калияявляется отрицательным кристаллом no>ne.

Поэтому с учетом всехпараметров, зависящих от температуры, условие брэгговского синхронизма(1.16) для отрицательно кристалла может быть переписано в следующемвиде:f V T no2 T   nd2 T  cos d  nd T  sin d ,(4.2)где nd – показатель преломления для дифрагированного света. Соотношение4.2 используется для анализа работы акустооптического фильтра на разныхдлинах волн электромагнитного излучения.4.2Экспериментальноеисследованиепередаточнойфункцииакустооптической ячейки на основе кристалла KDPДляэкспериментальногоопределенияпередаточнойфункциивкристалле KDP была выбрана акустооптическая ячейка с углом среза α = 90 иугловой апертурой Δθ = 1.50.

Данный фильтр рассчитан на работу с длинамиволн оптического излучения от 200 нм до 400 нм, что соответствует полосеперестройки частот ультразвука 110 - 300 МГц. Очевидно, что дляопределения передаточной функции акустооптического фильтра даннуюячейку необходимо исследовать в немонохроматическом свете. Это означает,чтотребуетсяизучитьизменениеэффективностидифракциипрификсированной частоте ультразвука f, изменяя длину волны света λ. Однако,гораздоудобнеепроводитьизмерениявмонохроматическомсвете,наблюдая, как изменяется эффективность дифракции при изменении частотыультразвука.

Данные измерения будут корректны, так как произведениечастоты ультразвука на длину волны падающего излучения, следуя74соотношению (4.2), является практически постоянной величиной λf = const, аf f  1 .Блок схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4.1.Для проведения корректных измерений было необходимо установитьсоотношение падающей и отраженной ВЧ мощности, чтобы достоверноконтролировать эти значения при определении управляющего акустическогосигнала.Сигнал с генератора ВЧ сигналов (1) усиливался, проходя черезусилитель (2). Мощность сигнала, поступающего на ячейку, варьировалась винтервале 0.25 – 3 Вт.

Зависимость отраженной ВЧ мощности в ячейкепредставлена на рисунке 4.2, где можно видеть, что на частотах 125-310 МГцотраженная мощность составляет меньше 20%. Этот факт был принят вовнимание, при проведении измерений.В качестве источника излучения был выбран криптоновый лазер (3) сдлиной волны λ= 347.5 нм и линейной поляризацией. Исследуемая ячейка (4)располагалась таким образом, что входное излучение падало на входнуюгрань кристалла перпендикулярно. В этом случае условие брэгговскогосинхронизма, как предсказывает теория, должно было выполняться начастоте ультразвука f = 130.3 МГц.

Два фотодиода (5), измеряющиеинтенсивность света в первом и нулевом порядке дифракции, размещалисьна расстоянии 13.5 см от ячейки. На пьезопреобразователь фильтраподавался непрерывный сигнал мощностью 0.5-3 Вт с шагом 0.5 Вт. Послеизмеренийприкаждомуровнемощности,температураячейкистабилизировалась в течение не менее 10 минут перед выполнениемследующихизмерений.Припроведенииэкспериментачастотаультразвукового сигнала менялась в пределе 128-131 МГц с шагом 0.05 МГц.Зная интенсивность света в первом I1 и нулевом I0 порядках, можно выразитьизмеренную функцию пропускания ячейки следующим образом:75Рис. 4.1.

Блок схема экспериментальной установки для исследованияпередаточной функции акустооптического фильтра на кристалле KDP.Рис. 4.2 Зависимость отраженной ВЧ мощности в тракте генератор пьезопреобразователь от частоты ультразвука.76Tex I1  f I1  f   I 0  f .(4.4)На рисунке 4.3 представлена измеренная функция пропусканияакустооптическойультразвука.ячейкиЗависимостьдляшеститемпературы,различныхуровнейизмереннойнамощностиповерхностикристалла, от приложенной мощности представлена на рисунке 4.4. Каквидно из рисунка 4.3, увеличение управляющей мощности приводит к сдвигучастоты брэгговского синхронизма в сторону меньших частот.

В частности,при изменении акустической мощности от 0.5 Вт до 3 Вт уходы частоты δfдостигали величины 1.0 МГц. Данное смещение частоты почти в 3 разапревосходитчастотнуюполосупропусканияячейки.Эффективностьдифракции при мощности 3.0 Вт оказалась меньше ожидаемой величины исоставила только Т = 27% вместо ожидаемого значения Т = 80%. Формапередаточной функции при увеличении акустической мощности такжеизменялась: чем выше была акустическая мощность, тем больше оказалисьотклонения от классической формы передаточной функции, описываемойформулой (1.12).Исходя из этого, было сделано предположение, что на изменениепараметров акустооптической ячейки влияет разогрев кристалла. Дляпроверки этой гипотезы экспериментальная установка, показанная на рис.4.1.

была модифицирована. Генератор непрерывного ВЧ сигнала (1) былзаменен импульсным генератором ВЧ сигнала, и точно такие же измерениябыли проведены в импульсном режиме. На пьезопреобразователь ячейкипоступали прямоугольные импульсы, длительностью 70 мс с частотой 1 с,что соответствовало 7% рабочего цикла. В данном режиме работы кристаллпрактически не разогревался. Передаточные функции в импульсном режимеработы ячейки представлены на рисунке 4.5.

Характеристики

Список файлов диссертации