Magnich_L_N__Molchanov_V_Ya_-_Akustoopticheskie_u (1239102), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Схема акустооптического фильтра на молибдате кальция:/ — поляризатор; 2 — анализатор; 3 — пьезопреобразователь; 4 — поглотительзвука; 5 — кристалл молибдата кальция; 6 — кювета с силиконовым масломДля того, чтобы ввести свет, кристалл, скошенный под углом45°, помещался в кювету с силиконовым маслом (коэффициент преломления 1,63), обладающим настолько низким акустическим импедансом, что просачиванием звука из кристалла можно пренебречь.Длина кристалла 3,5 см, диаметр пьезопреобразователя 0,3 см.Потери на преобразование составили 7,5 дБ, ширина полосы пьезопреобразователя по уровню 3 дБ — 20 МГц. На рис.
4.10 показаназависимость длины волны, на которую настроен фильтр, от частотызвука, а на рис. 4.11—зависимость прозрачности от длины волнына частоте, соответствующеймаксимальному пропусканию на0,63 мкм. Действующая фотоупругая постоянная для молибдатакальция /745=0,06. Управляющая 'мощность 2,67 Вт обеспечивала90% пропускания.Оригинальная геометрия коллинеарного фильтра описана в работе [52]. В качестве акустооптического материала использовалсякристаллический кварц (рис.
4.12). Фазовая скорость акустическойволны, поляризованной по оси [100], совпадает с направлением[010], групповая скорость, как следствие акустической анизотропии,составляет с этой осью угол 24,3°. Величина этого угла определяется упругими постоянными кристалла.Световой луч, поляризованный на входе кристалла вдоль оси[001] (необыкновенный), дифрагируя, превращается в обыкновенный, поляризованный по оси [100].
Анализатор на выходе фильтра80ориентирован так, что пропускает только этот луч. Область про»зрачности фильтра составила 80 нм на λο=0,514 мкм. Для возбуждения акустической волны в фильтре использовались два сдвиговыхпьезопреобразователя из ниобата лития, настроенные на частоты 75и 145 МГц. Благодаря этому удалось получить перестройку часто-Рис. 4. 10. Зависимость длиныволны настройки фильтра отакустической частоты5ΊΟ'404956100SOIЗООмвт20Р=200мдт"-2000200Рис.
4.11. Область пропускания фильтра при различных уровняхуправляющей мощности.Точке 0 по оси абсцисс соответствует длина волны λο=0,6328 мкмты в очень большом диапазоне от 54 до 175 МГц, что соответствуетперестройке длины волны пропускания от 0,63 до 0,25 мкм.Недостатком прибора является чрезвычайно низкая эффективность, определяемая фотоупругой константой /?45 и относительнонебольшой длиной пути взаимодействия света и звука, что связанос различными направлениями их групповых скоростей.6—35781Увеличить эффективность фильтра можно отказавшись от условия коллинеарности фазовых скоростей, нопотребовав его для групповых скоростей света и звука.Такой подход, описанный в работе [53], позволяет также за счет увеличения пути акустооптического взаимодействия, в соответствии с выражением (4.3), получитьболее высокое разрешение. При расчете геометрии взаимодействия фильтра очень важно обеспечить работоспо-Рис. 4.12.
Коллинеарный фильтр на кристаллическом кварце:/ — поляризатор;2 — анализатор;3 — пьезопреобразователи;4 — кристаллкварца; 5 — звукопоглотительсобность в широком диапазоне углов падающего света.Для того, чтобы фильтром были пропущены все угловыекомпоненты с длиной волны, соответствующей данноЛчастоте звука /о, необходимо выполнить условиеOOL« г/—/огде /о=(0До)А/г; Δη=\η0 — пе\\ α — угол, отсчитываемыЛот основного направления светового луча на входеУсловие (4.4), эквивалентноеd|A/z|/da=0,(4.5)автоматически выполнялось в приборах с коллинеарными фазовыми скоростями [51, 52], в которых излучениераспространялось перпендикулярно оптической оси кристалла.
Для других направлений света реализация(4.5) ограничивает возможный выбор направления распространения света и звука относительно кристаллографических осей. Кроме того учет требований закона сохранения энергии-импульса и коллинеарности направлений групповых скоростей света и звука позволяет определить единственное направление взаимодействия светаи звука.
Численный расчет, проведенный в [53], даетугол с осью [001] в кристаллическом кварце, равныйЮГ, звук и свет распространяются в плоскости (100),82Экспериментально изготовленный фильтр, использующий кристаллический кварц, имел длину взаимодействия звука и света;, 10 см при угловой апертуре не (менее 3° и разрешении 34 нм на( длине волны света 0,63 мкм. Эффективность дифракции около 90%I при мощности управляющего сигнала 1—5 Вт.Высокий коэффициент акустооптического качества парателлурита позволил отказаться от условия коллинеарности групповых; скоростей, сохранив при этом достаточную эффективность дифракции [54]. Одновременно, правда, уменьшилось разрешение фильтра,зависящее от длины пути акустооптического взаимодействия.
Отли- \001](0птическая оы)читальной особенностью фильтраявляется широкая угловая апертура. Это обеспечивается такимвыбором направления волновоговектора звуковой волны, при котором рассогласование волновыхвекторов из-за расходимости светакомпенсируетсясоответствующимизменениемдвулучепреломления.Работу фильтра иллюстрирует векторная диаграмма рис. 4.13. Направление звуковой волны выбрано так, чтобы касательные к кривым были параллельны, тогда небольшие изменения направления рл ι Q г>волнового вектора падающего све- ма· Ьект°Рная диаграмта не приводят к нарушению уело' иллюстрирующаяработувия сохранения импульса.неколлинеарного фильтра наКонструкция фильтра показапарателлуритенд на рис. 4.14. Сдвиговая акустическая волна распространялась в плоскости (Т 10), ее нормальсоставляла с осью [ПО] угол 10°. Поляризация сдвиговой звуковойволны, как и в анизотропном дефлекторе на парателлурите, совпадает с направлением [ПО].
Линейно поляризованный свет падаетна входную поверхность кристалла, наклоненную к плоскости (001)под углом 20,7°. Резонансная частотапьезопреобразователя2\Рис. 4.14. Неколлинеарный фильтр на монокристалле парателлурита:1 — пьезопреобразователь; 2 — звукопоглотитель; 3 — кристалл парателлурита;4 — поляризатор; 5 — анализатор6*83145 МГц. Из-за акустической анизотропии кристалла звуковой jiytiотклонялся на угол 64,3° от направления [ПО].
При изменениичастоты управляющего сигнала от 100 до 180 МГц осуществляласьперестройка фильтра от 0,7 до 0,45 мкм. Полоса пропускания фильтра на длине волны 0,63 мкм составила 330 нм. Для обеспечения95% прозрачности на этой длине волны потребовалась мощностьуправляющего сигнала всего 0,12 Вт.
Угловая апертура фильтра±7°. Поскольку прошедший и дифрагированный лучи выходят изкристалла под разными углами, для света с небольшой расходимостью можно обойтись без анализатора.Преимущество высокоэффективных материалов, например, таких как парателлурит, в перестраиваемых фильтрах проявляетсяслабее, чем в других акустооптических приборах. Разрешение фильтра и его эффективность растут одновременно с увеличением длиныакустооптического взаимодействия. Поэтому для фильтров с высоким разрешением могут успешно применяться материалы с относительно низким коэффициентом акустооптического качества, такиекак кристаллический кварц или ниобат лития.5. Акустооптические устройствадля обработки информации5.1.
Обработка сигналаМетоды оптической обработки информации исследовались примерно с 1953 г. задолго до появления лазерови акустооптических устройств. В качестве носителяинформации использовалась фотопленка, освещаемаяртутной лампой [55]. Акустооптические пространственные модуляторы в сочетании с лазерами дают иной способ ввода информации в оптическую систему и позволяют ее обрабатывать по мере поступления, т.
е. в реальном масштабе времени.Основная операция, выполняемая акустооптическимипроцессорами — свертка двух сигналов: исследуемого иопорного. Другие операции, такие как сжатие импульса,согласованная фильтрация (выполнение функции корреляции), спектральный анализ сигнала, могут рассматриваться как частный случай свертки с опорным сигналом соответствующей формы.Одной из главных областей применения акустооптических процессоров является радиолокация.
При разработке локатора обычно возникают две основные задачи: получение большого радиуса действия; обеспечение высокого разрешения по дальности. Для решения84Зтйх задач требуется увеличивать энергию импульса иуменьшать его длительность. Однако здесь ограничениенакладывается мощностью генератора и электрическойпрочностью фидерной системы. Другой путь заключается в такой обработке принятого сигнала, которая позволила бы из слабого и протяженного импульса извлечьнеобходимую информацию.Рис. 5.1.
Сжатие радиоимпульсов дисперсионной линией задержкиРассмотрим наиболее простой пример обработки информации: сжатие импульса. Пусть сигнал, излучаемыйлокатором, имеет вид импульса с переменной несущейчастотой, меняющейся за время Т от величины f 4 до /2.Если в приемном тракте находится дисперсионная линия задержки (рис. 5.1), то на выходе этой линии сигнал будет иметь длительность Ti=&f~l, Af=/2 —/ь причем, поскольку энергия в импульсе осталась прежней,его мощность увеличится в ТГ~ =ΓΔ/ раз [14]. С несколько иной точки зрения устройство, обрабатывающееподобным образом входной сигнал, может рассматриваться как линейный фильтр. Известно [56], что в присутствии аддитивного случайного шума оптимальноеотношение пиковой мощности сигнала к средней мощности шума достигается, когда частотная характеристика фильтра согласована с частотной характеристикойпринятого сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
