Взаимная модуляция сигналов в одноканальном акустооптическом модуляторе

Динамический диапазон (ДД) – важный параметр акустооптических систем, обладающих способностью одновременно обрабатывать несколько сигналов в реальном масштабе времени. По определению динамический диапазон равен отношению максимальной амплитуды входных сигналов к их минимальной амплитуде, при которой отношение сигнал-шум на выходе равно заданной величине при наличии на входе системы по крайней мер двух одинаковых сигналов. При одновременной обработке нескольких сигналов в акустооптических системах возникает проблема ограничения ДД из-за взаимной модуляции (интермодуляции) сигналов в АОМ.

На рис. 2.12 показано распределение интенсивности света в фокальной плоскости интегрирующей линзы при спектральном анализе в акустооптической системе двух одинаковых по амплитуде, сигналов с частотами f₁ и f₂ в зависимости от пространственной частоты f(x). Кроме основных дифракционных максимумов 1-го порядка 2, на выходе системы наблюдаются максимумы составляющих взаимной модуляции 3-го порядка 3, атакже боковые лепестки 0-го порядка 1, обусловленные конечной апертурой АОМ. Дополнительные составляющие интенсивности света являются мешающими компонентами, ограничивающими ДД акустооптической системы. Если на выходе элементов детекторной матрицы, регистрирующей распределение интенсивности света, представленное на рис. 2.12, имеется постоянный уровень шума, то этот шум, а также составляющие интенсивности света 0-го порядка, могут быть скомпенсированы при вторичной обработке сигналов после детектирования. Однако этим способом нельзя добиться эффективного подавления боковых лепестков в спектре анализируемого сигнала, составляющих рассеяния в оптических компонентах и составляющих взаимной модуляции сигналов 3-го порядка 2f₂ – f₁ и 2f₁ – f₂, обусловленных в первую очередь нелинейностью АОМ. Уровень фонового рассеяния света можно снизить при использовании высококачественных оптических компонентов (объективов, транспарантов), уровень боковых лепестков 0-го порядка – при соответствующем взвешивании оптического пучка света, освещающего звукопровод АОМ. Составляющие взаимной модуляции сигналов 3-го порядка могут быть снижены за счет уменьшения индекса фазовой модуляции.

Рис. 2.12 Распределение интенсивности света в фокальной плоскости

интегрирующей линзы.

В литературе выполнен подробный анализ нелинейных эффектов в акустооптических устройствах при многочастотной дифракции света на звуке для различных режимов. Аналитические выражения для нормированных интенсивностей света, обусловленных составляющими взаимной модуляции 3-го порядка, оказывающими основное влияние на ДД, равны случае дифракции Рамана-Ната и в случае дифракции Брега. Брэгга. При небольших значениях индекса фазовой модуляции Y, когда можно апроксимировать функцию Бесселя n-го порядка первым членом разложения в степенной ряд , приближенные выражения для составляющих взаимной модуляции интенсивности света принимают следующие значения:

– для режима дифракции Рамана – Ната;

– для режима дифракции Брэгга.

Расчетные зависимости интенсивности света от мощности входных сигналов равной амплитуды для различных режимов дифракции световых волн на ультразвуковых волнах изображены рис. 2.13.

Интенсивность мод взаимной модуляции 3-го порядка в режиме дифракции Брэгга в 9 раз слабее, чем в режиме дифракции Рамана-Ната. Если принять уровень шума, возникающего из-за наличия боковых лепестков при ограниченной апертуре оптических компонентов реальной системы, за 10^-7, то ДД, в котором не возникают составляющие взаимной модуляции 3-го порядка, приблизительно равен 50 дБ при максимальной эффективности дифракции 1%. Для получения такого ДД необходимы усилители мощности с малой нелинейностью амплитудной характеристики для возбуждения АОМ. Используя полученные результаты, можно выбрать необходимый режим работы АОМ в зависимости от требований, предъявляемых к оптической обрабатывающей системе.

Рис. 2.13. Зависимость нормирований интенсивности основных мод I_1,0 мод взаимной модуляции 3-го порядка I_2,1 от нормированной мощности двух равных сигналов: —— режим дифракции Брэгга; ------ режим

дифракции Рамана-Ната.

Дата добавления: 2015-05-06