Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование взаимодействия пучков оптического излучения в поле акустических колебаний прозрачного диэлектрика имеет давнюю историю. Однако ясно выраженную прикладную направленность эти исследования получили только после изобретения лазера. В это время возникла практическая необходимость в высокоскоростном динамическом управлении световыми пучками, а также анализе их параметров. Особенно привлекательными представлялись перспективы, открывающиеся перед когерентной оптической обработкой информации. Для реализации известных возможностей оптических методов по преобразованию, хранению и обработке сигналов потребовались соответствующие устройства ввода изображений или сигналов в оптический процессор. Оказалось, что именно эти устройства играют ключевую роль в архитектуре оптических процессоров, поскольку они и определяют быстродействие и возможность работы устройства в реальном масштабе времени. В данной связи акустические волны оказались одним из наиболее удобных средств ввода обрабатываемого или управляющего сигнала.
Указанные перспективы стимулировали и активизировали исследования по созданию устройств управления и анализа оптическчм излучением, основанных на эффекте дифракции света на звуке, разработке соответствующих сигнальных оптических процессоров, синтезу новых материалов, развитию методов математического моделирования процесса акустооптическои модуляции (АОМ). В конечном итоге, данный процесс привел к формированию акустооптики и выделению ее в самостоятельную научно-техническую дисциплину. Ключевыми вехами в развитии техники акустооптики явились работы по создаг'"ю 1- и 2-мерных сигнальных Фурье процессоров (Parks, Lambert), временных и пространственно-временных акустооптических (АО) модуляторов и сканеров (Lean, Quate, Shaw, Cohen, Dixon, Gordon), оптических фильтров, перестраиваемых электрическим сигналом (Harris, Wallase, Chang), акустооптоэлектронных процессоров, в которых обычный сигнальный АО процессе;1 дополнялся обработкой сигнала в ПЗС- фотоприемнике с временным интегрированием (Sprague, Kolipoulos) и др.
Все достижения в области создания высокопроизводительных и быстродействующих АО устройсгв, так или иначе, основываются на динамическом характере процесса АОМ. В данной связи, естественно, возникла потребность в скорейшем усовершенствовании старой статической теории АОВ, разработанной Бриллюэном, Раманом и Натом, Бхатия и Ноблом и др еще в долазерный период. Наиболее распространенной в первое время оказалась феноменологическая модель Гордона, основанная на требовании выполнения условий синхронизма в элементарных актах трехволновых взаимодействий плоских волн, составляющих акустический и световые пучки. Однако такой подход оказался приемлемым лишь для описания процессов однократного рассеяния, но не позволял рассчитывать динамику свегоких пучков при высокой эффективности дифракции.
Состояние проблемы.
Преодоление указанных недостатков модели в настоящее время ищется на пути совершенствования выше упомянутых классических подходов к решению названной дифракционной задачи. Во всех случаях общее решение ищется на основе метода возмущений, применяемого либо к общему волновому уравнению (Kuliasko F., Mertens R., Leroy, Van Den Abelle), либо к уравнениям связанных волн (A. Korpel, В.Н.Парыгин, В.И.Балакший). Отыскание отдельных членов соотвеїсгвующих функциональных рядов, описывающих-очередные итерации модели АОМ, при этом всегда сводится к отдельной самостоятельной задаче. По-видимому, по этой причине решение в замкнутом виде задачи пространственно-временной модуляции световых пучков со сложной поляризационной структурой и частотно-угловым спектром акустическим сигналом с произвольным амплитудным профилем и модулирующей функцией в кристаллах с различной выраженной анизотропией физических свойств до сих пор найдено не было. Таким образом, в настоящее время в акустооптике сложилась ситуация, когда уровень развития технических устройств и сложность интерпретации экспериментальных данных заметно превысили возможности имеющихся теоретических моделей АОМ, носящих, в основном, статический характер. Указанный разрыв, естественно, оказывает сдерживающее шіияние на дальнейшее развитие акустооптики.
Цель и задачи работы
Целью работы является развитие теории пространственно-временной модуляции светового поля акустическими сигналами со сложной пространственно- временной структурой в одно- и двуосных кристаллах, кристаллах кубических сингоний, стеклах и жидкостях. В рамках этой теории предполагается решение следующих задач.
1. Отыскать динамическую оптическую передаточную функцию
(ДОПФ) прозрачной кристаллической среды, возмущаемой волновыми аку
стическими пучками и пакетами, позволяющей рассчитать динамику угловых
спектров взаимодействующих пучков при любом уровне мощности и про
странственно-временной структуре поля акустического сигнала.
-
Провести сравнение и исследовать особенности режимов дифракции с нормальной и коллинеарной геометрией АОМ.
-
Исследовать особенности модуляции света волновым акустическим пакетом, связанные с двумерным характером дифракционной задачи.
-
Исследовать влияние упругой и оптической анизотропии среды на полосу частот и угловую апертуру АОМ. Определить условия существования и провести экспериментальные исследования таких практически важных режимов аномальной АОМ, как широкополосная и широкоугольная дифракция. Определить параметры данных режимов дифракции в наиболее распространенных в акустооптике кристаллах парателлурита и ниобата лития.
-
Исследовать пространственную зависимость ДОПФ, связанную с дифракционным искажением амплитудного профиля и затуханием акустиче-
ского сигнала, и влияние указанных факторов на динамику формирования дифракционного светового поля в различных режі.мах АОМ.
-
Исследовать закономерности преобразования корреляционного тензора статистически однородного, стационарного квазимонохроматического светового пучка при АОВ в кристаллах различных сингоний. Установить закономерности преобразования поляризационной структуры светового поля в различных режимах и эффективности дифракции. Найти соответствующие поляризационные передаточные функции (ППФ) возмущенной среды. Исследовать динамическую зависимость ППФ и эффекты деполяризации оптического поля при АОВ. Определить влияние пространственной и временной когерентности светового поля на скорость протекания переходных процессов при акустооптической модуляции (АОМ).
-
На основе теории АОМ разработать математическую модель динамической аппаратной функции (ДАФ) процесса АОВ, связывающую между собой значения спектрального разрешения и быстродействия дифракционного процесса. Исследовать связь спектральной селективности и скорости перестройки волнового синхронизма АОМ, достигаемой либо за счет использования акустического ЛЧМ сигнала, либо за счет сигнала с дискретной частотной модуляцией.
8. Исследовать анизотропию акустооптической активности акустических волн в анизотропных кристаллах и особенностей акустооптической активности в гиротропных средах. Установить срезы кристаллов, обеспечивающие высокие значения коэффициента акустооптического качества Ml.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. В прозрачной изотропной среде, возмущенной акустическим сигналом с плавной временной огибающей U(t), амплитудным профилем и(х) на апертуре L и фазовой скоростью V, в режиме брэгговской АО модуляции динамика изопланарной скалярной оптической динамической передаточной функции (2и+1) порядка рассеяния в первом приближении метода медленно меняющихся амплитуд описывается интегралом по траектории,
где К- волновое число акустического сигнала; 0- угол Брэгга; к - коэффициент акустооптической связи.
2. Дискретный характер акустического сигнала, модулирующего световой пучок, вносит дисимметрию в процесс формирования пространственно-временной структуры дифракционного светового поля, проявляющуюся уже в линейном режиме модуляции. Дисимметрия оказывается значительно ослабленной или исчезает вовсе, если световые волны удовлетворяют условию
синхронизма или если пространственный размер акустического сигнала зна-чительно.отличается от апертуры опорного пучка.
-
Эффект отклонения групповой скорости акустического пучка от направления его волновой нормали (снос пучка) в режиме нормальной дифракции оказывает заметное влияние на угловую апертуру, полосу частот АОМ и угловое распределение дифракционного поля, если угол Брэгга превышает 5, а снос звукового пучка - 50. Для большинства кристаллов соответствующая поправка не превышает 10%. В кристаллах с выраженной оптической анизо-тропией-(селен и теллур и др.) снос оптического излучения может изменять указанные параметры на 40%. В условиях сноса любого из указанных пучков значения угловой апертуры и полосы частот дифракции для положительного и отрицательного углов Брэгга не равны друг другу. Практически максимальная величина указанного различия не превышает ~25%.
-
Дифракционное распльшание амплитудного профиля акустического сигнала на длине уй может оказывать влияние на динамику дифракционного поля при брэгговской АО модуляции светового пучка с длиной волны X в изотропной среде, если апертура однородного опорного пучка окажется меньше величины 6/=2^(1+2^1/^^0)^-1]-1. Это влияние, в частности, выражается в изменении длительности и перекосе отклика светового поля на акустический сигнал. Величина перекоса изменяется нечетным образом в пределах углового спектра дифрагированного светового пучка.
-
Круговое двупреломление жидкостей и газов не оказывает влияния на АО активность распространяющихся в них упругих волн. В твердых телах гиротропия, как правило, приводит к снижению указанной величины. В данных случаях временные изменения акустического сигнала всегда вызывают динамическое изменение поляризационных параметров дифрагированного пучка уже в линейном режиме АО модуляции. Если же оптическая гиротропия не снижает АО активности упругих волн, то в режиме нормальной АОМ акустическое поле практически не оказывает влияния на состояние поляризации световых пучков. В режиме аномального АОВ и малого кругового двупреломления среды имеет место компенсация оптической, активности среды взаимодействия для дифрагированного светового пучка. В условиях сильной гиротропии, когда эллипс поляризации опорного пучка совершает несколько циклов вращения на длине взаимодействия, дифрагированный пучок характеризуется неравномерным распределением поляризационных параметров по угловому спектру, при немонохроматическом линейно поляризованном опорном световом пучке оказывается полностью деполяризованным.
-
В стеклах и негиротропных кубических кристаллах поляризационные зависимости эффективности дифракции описываются эллиптической лемнискатой Бута. Поляризация дифракционного поля совпадает с поляризацией опорного пучка, если вектор поляризации опорного светового пучка является линейным и.совпадает с любой из осей лемнискаты. При этом эффективность дифракции достигает своих экстремальных значений. В режиме линейной АО-модуляции опорного пучка с однородным пространственным рас-
пределением поляризационных параметров состояние поляризации дифрагированного пучка не зависит т вида модулирующей функции.
-
Акустическое затухание оказывает дисимметрирующее влияние на процесс АО модуляции. В линейном режиме АО модуляции и при узком опорном пучке это проявляется в перекосе амплитуд выбросов на фронтах отклика светового поля дифрагированной волны в дальней зоне, увеличивающимся с ростом коэффициента затухания и изменяющимся четным образом при отклонении волны от направления синхронизма. При этом затухание звука не искажает плоской вершины указанного отклика.
-
Динамическая аппаратная функция процесса АО фильтрации светового поля акустическим сигналом с дискретной частотной модуляцией при малом радиусе когерентности опорного пучка равна квадрату модуля динамической оптической передаточной функции и является четной функцией длины световой волны и времени. Увеличение радиуса когерентности опорного пучка до размера, сравнимого с пространственным размером акустического сигнала, может разрушить симметрию ДАФ и привести к дополнительной динамической погрешности спектральных измерений. Дальнейшее увеличение радиуса когерентности восстанавливает исходную симметрию ДАФ.
-
Анизотропия упругих, фотоупругих, пьезоэлектрических и электрооптических свойств кристалла ниобата лития такова, что абсолютный максимум акустооптической активности объемных акустических волн достигается в режиме аномальной дифракции света на (Медленной сдвиговой волне, распространяющейся под углом 30 к оптической оси в плоскости симметрии кристалла, с которой совпадает и плоскость дифракции. В этих же направлениях указанная волна обладает максимально возможной поперечной пьезоэлектрической активностью. Поэтому для модуляции света в широком диапазоне частот данную волну можно эффективно возбуждать внешним электрическим полем, сконцентрированным в зазоре щели между двумя электродами, расположенными на возбуждающей грани кристалла.
Научная новизна диссертационной работы выражается в следующих теоретических и экспериментальных результатах, впервые полученных автором:
- предложена новая математическая модель пространственно-
временной модуляции света полем акустического сигнала с произвольной
модулирующей функцией н амплитудным профилем в средах любого класса
симметрии;
- показано дисимметрирующее влияние дискретного характера акусти
ческого сигнала на пространственно-временную структуру дифракционного
светового поля даже при малой эффективности дифракции;
- определены условия, при которых дифракционное расплывание амплитудного профиля акустического пучка оказывает влияние на угловое распределение и переходные процессы формирования дифракционного поля при АО модуляции;
установлена зависимость структуры дифракционного поля, диапазона частот АОВ и его угловой апертуры от эффектов сноса взаимодействующих волновых пучков относительно их волновых нормалей;
предложены новые срезы кристалла ниобата лития, предназначенные для работы в пространственно-временных модуляторах акустооптических сигнальных процессоров, позволяющие многократно расширить рабочий диапазон частот этих устройств
Достоверность полученных в диссертации экспериментальных результатов подтверждается использованием физически обоснованных современных экспериментальных методик и калиброванной аппаратуры. Полученные в диссертации теоретические результаты и расчетные данные подтверждаются:
- экспериментальными данными, полученными автором в ходе иссле
дований: режимов широкополосного и широкоугольного АОВ в кри
сталлах ниобата лития и парателлурита; структуры дифракционного
поля рассеянного объемными толстыми голограммами, моделирующи
ми акустические пучки и пакеты; отклика светового поля на дискрет
ные акустические сигналы;
моделированием в расчетных экспериментах качественно новых эффектов, обнаруженных ранее другими авторами опытным путем (зависимости аппаратной функции процесса АО фильтрации от скорости перестройки параметров акустического сигнала);
преемственностью разработанной модели с ранее используемыми моделями в области их применимости;
-логической взаимосвязью и физической наглядностью результатов.
Научная значимость и практическая ценность диссертационной работы подтверждаются следующими результатами:
установлены закономерности преобразования поляризационных параметров световых пучков при АО модуляции в гиротропных кубических кристаллах и стеклах;
разработаны лабораторные образцы пространственно-временных АО модуляторов с высокими значениями произведения эффективности дифракции на полосу рабочих частот;
расширен банк данных об анизотропии акустооптической активности упругих волн в различных режимах АОВ в ряде распространенных кристаллов;
- ряд практических выводов работы защищен 13 авторскими свиде
тельствами СССР.
Использование результатов работы
В период с 1976 по 1996 год результаты, диссертационной работы использовались при выполнении кафедрой «Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники» Томского университета систем управления и радиоэлек-
троники большинства госбюджетных и хоздоговорных тем, а также международных программ и отражены в соответствующих отчетах.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе результаты получены при непосредственном участии автора. В основных работах, опубликованных в [4-23,25-45,48-64], автору принадлежит инициатива начала работ, постановка научных задач, экспериментальных и модельных исследований, выбор методов решения, физическая интерпретация и анализ полученных результатов.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ТУСУР, НИИ радиооптики (Москва), а также на следующих конференциях и симпозиумах:
-
Всесоюзн. совещ семинар по радио и акустооптич. голографии, (Воронеж, 19 80).
-
Всесоюзн. конф "Измерительные комплексы и системы",. (Томск 1981).
-
Всесоюзн. совещ.-семинар' "Современное состояние и перспективы нучных исследований в обл. радио и акустич. голографии", (Гомель, 1981).
-
Всесоюзн. научно-техн семинар "Применение акустооптических методов и устройств в промышленности" (Ленинград, 1984).
-
Пятая Всесоюзн. конф. по оптич.обработке информации, (Киев, 1984).
6. Региональная, конф. "Радиотехнические методы и средства из
мерений", (Томск, 1985).
-
12 Всес. конф. "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекягощих процессов", (Москва 1985).
-
Шестая всесоюзн. школа-семинар по оптической обработке информации, (Фрунзе, 1986).
-
Всесоюзная конф. "Оптико-электронные измерительные устройства и системы", (Томск, 1989). ,
-
Региональная научн. конф "Молодые ученые и специалисты ускорению научно технического прогресса", (Томск, 1986).
-
Всесоюзн. совешания.-семнар по применению голографии и оптической обработки информ.в радиолокации, гидролокации, радионавига ции, (Минск, 1986).
-
Всес. конф. "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов", (Москва, 1989).
-
Всесюзн. научн техн.конф. "Развитие и внедрение новой техники ра-диопримных устройств и обработки сигналов", (Москва, 1989).
-
Всесоюзн.совещание "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе", (Барнаул, 1990).
-
7-th Conf. on Piezoelectronics "Piezo'90", (Warsaw, 1990).
16. Международная школа - семинар Acoustooptics: Researches and
Developments", (Ленинград, 1990).
17. 15 Вссоюзн. конф. "Акустоэлетроника и физическая акустика твер
дого тела", (Ленинград, 1991).
18. International Congres on Optical Science and Engineering (The
Hague,1991).
-
Международная конф. "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радио" (Москва, 1995).
-
World Congress on Ultrasonics, (Berlnn, 1995).
-
Вторая международная конф. по оптнч.обработке инф. (С.Петербург, 1996). -
-
International conference for Young Researchers on Acoustoelectronic and Acoustooptic Information Processing. (С.Петербург, 1998).
Работа поддерживалась грантами NY 4000 и NY 4300 международного научного фонда (Сороса)
Публикации
Основной материал диссертационной работы отражен в 64 публикациях, включая 1 монографию (в соавторстве с Шандаровым СМ. и Шаранговичем С.Н. Изд-во Томского ун-та.), 34 статьях в центральных периодических журналах, 16 статьях в сборниках научных трудов и материалах конференций, 13 авторских свидетельствах СССР.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, трех приложений и списка литературы. Общий объем диссертации 371 страница, в том числе 332 страницы основного текста с рисунками и 18 страниц приложений с рисунками. Список литературы на 19 страницах содержит 310 наименований.
