Введение к работе
Актуальность темы.
Главное достоинство акустооптических фильтров - возможность точной электронной перестройки полосы пропускания в широком, порядка нескольких тысяч ангстрем, диапазоне длин волн. Время срабатывания подобных устройств определяется временем прохода акустической волны через кристалл и равняется нескольким микросекундам; причем допускается как плавная, так и дискретная перестройка частоты фильтра.
Как известно, полоса акустооптических фильтров ДА, определяется длиной области взаимодействия света и звука, то есть длиной акустооптической ячейки L. Эта полоса обратно пропорциональна длине взаимодействия, поэтому стараются делать фильтры на длинных кристаллах. Сейчас известны фильтры длиной до 20 см с полосой порядка 1А. В большинстве случаев при коллинеарном акустооптическом взаимодействии используют непрерывный режим дифракции, то есть такой режим, при котором генератор создает непрерывный гармонический сигнал. Это связано с необходимостью использование всей длины кристалла в качестве области акустооптического взаимодействия. Полоса фильтра при этом наиболее узка, но характеристика пропускания кроме центрального максимума имеет еще и достаточно большие боковые лепестки.
В данной работе показано, что полосу пропускания коллинеарного акусто-оптического фильтра можно изменять электрически, если использовать для управления фильтром акустические цуги конечной длины, вместо непрерывного сигнала. Меняя длительность и форму цуга, можно существенно влиять на такие важнейшие характеристики фильтра, как ширина полосы пропускания и величина боковых лепестков. Очевидно, что при использовании импульсного режима ширина полосы пропускания несколько увеличится, но в то же время становится возможным значительное подавление боковых лепестков, а также получение эквидистантного спектра ' частот при использовании многоимпульсного режима.
Теоретическая часть диссертации представляет собой вывод расчетного дифференциального уравнения, которое решается численно для случаев различного распределения акустической волны. Расчеты проводились для различных форм и длительностей акустических импульсов. А также для различных распределений звука в поперечном направлении и для различных расходимостей света и звука. Световой и звуковой пучки имеют некоторую естественную
расходимость, которая зависит от их поперечных размеров. В зависимости от соотношения этих расходимостей и от формы акустической волны в поперечном направлении результаты будут различаться. Например, прямоугольное распределение звука на входе в ячейку приводит к более сложному виду звука при его распространении, чем гладкое гауссово распределение. Поэтому для очень широкого слаборасходящегося светового пучка (порядка ширины звукового пучка) дифрагированный свет считывает информацию о распределении звука и также приобретает сложную структуру.
В литературе имеются несколько работ, рассматривающих поперечное взаимодействие света с акустическими цугами. В последнее время стали появляться теоретические работы, посвященные коллинеарному взаимодействию света с акустическими цугами. Но теоретических и экспериментальных исследований коллинеарной дифракции света на коротких акустических цугах нам не известно. Поэтому данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению коллинеарной дифракции света на трехмерном акустическом цуге конечной длины и зависимости характеристик фильтра от его формы и длительности.
Целью диссертационной работы являлось:
-теоретическое исследование коллинеарного акустооптического взаимодействия в приближении гауссового светового пучка для случаев гауссового и прямоугольного звукового пучков; сравнение вышеперечисленных результатов. Расчет влияния формы и длительности акустического импульса на ширину полосы пропускания фильтра и уровень ее боковых лепестков;
-создание экспериментальной установки на основе коллинеарного акустооптического фильтра на кристалле молибдата кальция (CaMoQf) для изучения особенностей коллинеарной дифракции при использовании импульсного режима коллинеарного взаимодействия света и звука;
-экспериментальное и теоретическое исследование особенностей дифракции света на серии акустических импульсов в кристалле. Изучение вида аппаратной функции (полосы пропускания) для этого случая и возможностей практического применения;
-изучение влияния нагревов, связанных с работой пьезопреобразователя и затуханием звука в кристалле, на работу акустооптической ячейки.
Научная новизна работы заключается в следующем.
До настоящего времени для описания звука использовалось приближение плоских волн или гауссового пучка. В теоретической части работы впервые было произведено рассмотрение дифракции света на акустической волне, представляющей в поперечном направлении прямоугольный расходящийся пучок. Такое приближение ближе к реальной системе, так как пьезопреобразователь обычно имеет прямоугольную форму.
Впервые было произведено экспериментальное исследование влияния формы и длительности акустического импульса на полосу пропускания коллинеарного акустооптического фильтра. Определены оптимальные форма и длительность импульса, при которых наблюдается существенное подавление боковых лепестков характеристика фильтра при незначительном уширении полосы.
Исследована впервые теоретически и экспериментально дифракция света на двух и на серии акустических импульсов, одновременно находящихся в кристалле. Изучены особенности поведения дифракционного луча при синфазном и антифазном случаях. Показано, что фаза колебаний в соседних импульсах существенно влияет на результат дифракции.
Изучено теоретически и экспериментально влияние нагрева пьезопреобразователя и поглощенной кристаллом акустической мощности (которая также нагревает кристалл) на работу акустооптических приборов.
Научная и практическая значимость работы.
Показано, что импульсный режим дифракции может быть использован в акустооптических коллинеарных фильтрах. Причем, использование импульсов определенной формы и длительности значительно улучшает характеристики фильтров.
Использование режима дифракции на серии акустических импульсов имеет практическую ценность для получения оптического сигнала с эквидистантным спектром. Спектр в данном случае представляет собой набор пиков, сдвинутых друг относительно друга на одинаковую частоту. Расстояние между соседними пиками легко регулируется путем изменения количества импульсов в серии. Данные результаты могут найти свое применение, например, в системах волоконной оптической связи.
Определено влияние побочных тепловых эффектов на работу акустооптических устройств. Указано, при каких температурах преобразователя и при какой звуковой мощности, поглощенной
кристаллом, необходимо учитывать тепловые искажения показателя преломления.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. При коллинеарной дифракции света на звуке при размере
пучка света порядка размеров пучка звука случаи гауссового и
прямоугольного приближения звукового пучка различаются, причем
случай прямоугольного приближения ближе к реальности. При
размерах светового пучка много меньше звукового результаты обоих
приближений практически совпадают.
-
При использовании гауссовых акустических импульсов длительностью меньше длины кристалла боковые лепестки характеристики пропускания значительно подавляются, при этом наблюдается некоторое угаирение полосы пропускания фильтра.
-
При одновременном нахождении в кристалле нескольких коротких одинаковых акустических импульсов большую роль играет разность фаз колебаний в соседних импульсах. Полоса пропускания фильтра представляет собой биения, в результате которых наблюдается набор эквидистантно расположенных пиков. Причем, количество акустических импульсов определяет расстояние между пиками характеристики; а длительность импульса определяет огибающую, то есть амплитуду каждого пика.
4. Для правильной работы акустооптических приборов
необходимо учитывать влияние тепловых эффектов, вызванных
нагревом грани электроакустическим пьезопреобразователем и
нагревом кристалла затухающей акустической волной. Нагретая
пьезопреобразователем грань приводит к смещению луча
Неоднородное распределение температуры из-за затухания
акустической волны приводит к расплыванию пучка света.
Апробация работы.
Результаты проведенных исследований докладывались на конференции "Ломоносов-96", международной конференции "International Symposium on Acoustoelectronics, frequency control and signal generation." (Узкое, 1996), международной конференции 4th International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures. (Санкт-Петербург, 1998), международной конференции 3rd International Conference of Optical Information Processing. (Суздаль, 1999), обсуждались на научных семинарах кафедры физики колебаний физического факультета МГУ.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы представлены в 8 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 130 наименований. Работа изложена на 118 страницах, включая 72 рисунков.
