Акустооптические модуляторы и спектроанализаторы

С целью амплитудной, фазовой и частотной модуляции света в оптических системах обработки информации нередко используются акустооптические модуляторы (АОМ). Действие АОМ основано на дифракции света на динамической фазовой дифракционной решетке, образующейся в результате распространения в оптически прозрачной среде акустических волн. Так бегущая акустическая волна создает в изначально однородной среде периодические изменения плотности, следовательно, и изменения показателя преломления среды,

где - средний показатель преломления материала, - частота волны,

- скорость звуковой волны. Амплитуда модуляции показателя преломления среды равна

где - упругооптическая постоянная среды, - мощность звука, -модуль упругости материала звукопровода. Длина звуковой волны в таком звукопроводе равна

В зависимости от числа образующихся дифракционных порядков, различают многопорядковый (Рамана-Ната) и однопорядковый (Брэгга) режимы дифракции света на объемных фазовых периодических структурах. Границы этих режимов определяются значением безразмерного параметра Кляйна-Кука,

где - поперечные размеры звукопровода, - длина волны дифрагирую­щего света. Режим дифракции Рамана-Ната достигается при малых значениях режим Брэгга - при Благодаря высокой эффективности дифракции, наиболее практичен режим дифракции Брэгга, схема которого по­казана на Рис. 20.

Рис. 20. Дифракция Брэгга на акустической объемной дифракционной решетке

Бегущая акустическая волна создается пьезоэлектрическим излучателем звука, закрепленным на нижнем (см. рисунок) торце звукопровода. На противоположном верхнем торце звукопровода обычно размещается поглотитель звука. В фиксированный момент времени распределение величины показателя преломления вдоль оси звукопровода показано на Рис. 21.

Рис. 21. Фазовая дифракционная решетка, образованная акустической вол­ной в фиксированный момент времени

Для эффективной дифракции необходимо выполнение специального соотношения (условия Брэгга) между длиной волны дифрагирующего света, периодом решетки и углом падения света на дифракционную решетку,

где - угол падения света, измеренный в среде (угол Брэгга). Дифракционная эффективность равная отношению мощности дифрагированного света к мощности падающего света, у пропускающих фазовых решеток Брэгга периодически зависит от толщины звукопровода и других параметров дифракции,

Изменяя мощность Ж акустической волны в звукопроводе (см. (58)), можно достичь величины аргумента синуса в (62), равной при этом эф-фективность дифракции света может приближаться к 100%.

Отличительной особенностью дифракции Брэгга являются высокие угло­вая (Рис. 22 а) и спектральная (Рис. 22 б) селективности дифракции.

Для пропускающей решетки Брэгга спектральная селективность дифракции определяется соотношением

а угловая селективность соотношением

Рис. 22. Угловая (а) и спектральная (б) селективности дифракции

Заметим, что при дифракции света на бегущей акустической волне частота света, дифрагирующего в первом порядке, всегда сдвинута относительно частоты падающего света на величину частоты звуковой волны. При этом знак смещения частоты, подобно эффекту Доплера, определяется направлением звука относительно падающего луча света (например, на Рис. 20 частота дифрагированного света меньше частоты падающего света на величину ). Это свойство используется в устройствах плавной регулировки частоты света, применяемых в интерферометрах, системах оптического гетеродинирования, в волоконных гироскопах и др.

Акустооптические модуляторы, действующие в режиме дифракции Брэгга, используются в качестве устройств ввода информации в оптические корреляторы СВЧ-сигналов. Например, при подаче на брэгговский ультразвуковой преобразователь линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала, АОМ приобретает свойства цилиндрической фокусирующей линзы - см. Рис. 23.

Рис. 23. АОМ, возбуждаемый линейно-частотно-модулированным сигналом

(здесь падающий свет имеет расходимость большую, чем угловая селективность дифракции). Расположив в фокальной плоскости такой акустической линзы диафрагму с отверстием в точке фокуса и фотоприемник, получаем коррелятор (согласованный фильтр) ЛЧМ-сигнала заданных формы и час­тоты. При этом диафрагма здесь играет роль оптического пространственного фильтра (ПФ), согласованного с принимаемым сигналом, а фотоприемник, расположенный за диафрагмой, регистрирует сигнал отклика такого фильтра.

Пример применения АОМ в спектроанализаторе СВЧ-сигналов с несущей частотой в десятки-сотни (или более) МГц показан на Рис. 24.

Рис. 24. Оптический спектральный анализатор СВЧ-сигналов

Радиочастотный СВЧ-сигнал возбуждает в звукопроводе акустические колебания, пространственный спектр которых определяется спектром СВЧ-сигнала и передаточной характеристикой электроакустического преобразо­вателя. При освещении АОМ расходящимся светом в фокальной плоскости линзы формируется фурье-спектр оптического сигнала, дифрагирующего на АОМ. Каждой фурье-гармонике этого спектра соответствует определенная фурье-компонента спектра анализируемого СВЧ-сигнала. Распределение мощности света в фокальной плоскости линзы, отображающее спектр СВЧ-сигнала, регистрируется, например, с помощью линейки ПЗС.

Дата добавления: 2017-01-14