9. Сравните акустооптический модулятор с модуляторами света, работа которых основана на других физических принципах.
10. Назовите области применения акустооптических модуляторов.
Цель работы. Целью работы является знакомство с устройством, принципом работы и основными характеристиками акустооптического дефлектора.
Общие сведения об акустооптических дефлекторах
Решение многих задач оптической обработки и хранения информации связано с необходимостью пространственного управления световыми пучками, что необходимо для формирования изображения в системах лазерного телевидения, в системах поиска и слежения за движущимися объектами, в блоках оптической памяти ЭВМ и т. д.
Среди всех известных в настоящее время отклоняющих устройств особое место занимают акустооптические дифракционные дефлекторы (рис. 4), обладающие высоким разрешением и хорошим быстродействием. Они позволяют осуществлять как непрерывное сканирование луча по произвольному закону, так и дискретное переключение в любое из разрешимых положений. Все это, наряду с простотой конструкции и управления, низким энергопотреблением, небольшими размерами, обеспечивает таким дефлекторам самое широкое применение. Из всех акустооптических устройств дефлекторы исследованы наиболее детально.
Принцип действия дифракционных дефлекторовоснован на зависимости угла дифракции от частоты акустической волны. При изменении частоты все дифракционные максимумы, за исключением нулевого, сканируют по углу. Практически в дефлекторах используется геометрия взаимодействия, близкая к ортогональной, а режим дифракции – промежуточный между режимами Рамана – Ната и Брэгга. Угол сканирования, как правило, не превышает десяти градусов. Поэтому можно пользоваться линейным приближением, откуда следует, что угол сканирования пропорционален диапазону изменения частоты
Dq = (ml / Vак)Dfак. (3)
Обычно рабочим является первый дифракционный максимум.
|
|
Рис. 4. Принципиальная схема однокоординатного дефлектора: а – вид сбоку, б – вид сверху. 1 – падающий световой пучок; 2 – дифрагированный пучок; 3 – акустооптическая ячейка; 4 – пьезопреобразователь; 5 – поглотитель; 6 – коллиматор; 7 – цилиндрические линзы; 8 – сферическая линза; 9 – выходная плоскость (экран)
В принципе, для сканирования можно использовать как Раман-Натовскую, так и Брэгговскую дифракцию. Но поскольку дифракция Рамана – Ната наблюдается на низких частотах и диапазон Dfак для нее обычно не превышает нескольких десятков мегагерц, то создать дефлектор с высокими разрешением и быстродействием в этом случае не представляется возможным. Кроме того, в дефлекторе с Раман-Натовской дифракцией неизбежны большие световые потери, так как в рабочий максимум перекачивается не более 33 % падающего света. Недостатком Брэгговской дифракции является ее угловая селективность. При Брэгговской дифракции расширение диапазона отклонения луча можно достичь при использовании расходящейся, а не плоской звуковой волны. Такую волну можно рассматривать как совокупность плоских волн, направленных в пределах некоторого углового интервала. Для заданной частоты звука дифракция будет наблюдаться на той компоненте звуковой волны, для которой выполняется условие Брэгга. Очевидно, что чем больше расходимость звуковой волны, тем в большем угловом интервале можно отклонять световой луч, изменяя частоту звука. При этом, однако, уменьшается длина акустооптического взаимодействия и для получения той же интенсивности дифрагированного луча приходится увеличивать интенсивность звуковой волны.
Для наблюдения акустооптического эффекта звуковую волну в кристалле возбуждают при помощи акустоэлектрического преобразователя, представляющего собой пьезоэлектрическую пластинку, прикрепленную к кристаллу. Приложение к преобразователю переменного электрического напряжения вызывает механические колебания пластинки и может возбуждать в кристалле звуковые волны в широком диапазоне частот, вплоть до десятков гигагерц, уходящие в акустический поглотитель на противоположном конце кристалла (например, эпоксидная смола с наполнителем, сплав висмута с индием и т. п.). В настоящее время наилучшие характеристики имеют дефлекторы, работающие в промежуточном режиме дифракции.
Одной из важнейших характеристик сканирующего устройства является число разрешимых положений светового пучка N. Для одномерного (однокоординатного) дефлектора
N = Dq / j, (4)
где j – угловая ширина светового пучка на выходе из дефлектора. Используется и другое, но вполне адекватное определение N как числа разрешимых световых пятен, укладывающихся вдоль линии сканирования на экране. Следует подчеркнуть, что число разрешимых положений является более важной характеристикой, чем угол сканирования, так как Dq можно увеличить или уменьшить пассивными оптическими элементами (линзами, призмами), но N при этом в лучшем случае не изменится.
Если угол j обусловлен только дифракционными эффектами, связанными с конечной шириной пучка d, то
j = ml / d, (5)
здесь m – коэффициент, зависящий от структуры пучка и выбранного критерия разрешения. Обычно используется критерий Рэлея, и тогда для однородного пучка прямоугольного сечения m = 1. Отметим также, что в телевидении разрешение принято оценивать количеством черно-белых пар линий. Каждый разрешимый по Рэлею элемент соответствует одной черно-белой паре или двум линиям по телевизионной терминологии.
После подстановки (3) и (5) в (4) получаем
N = Dfакd / Vак = Dfакt, (6)
где t = d / Vак – время прохождения акустической волны через апертуру светового пучка.
Величина t определяет быстродействие дефлектора, поскольку нельзя перевести сканирующий луч из одного положения в другое быстрее, чем за время, необходимое для того, чтобы по всей апертуре установилась акустическая волна новой частоты.
Соотношение, связывающее две важнейшие характеристики – разрешение и быстродействие, является основным в теории дифракционных дефлекторов. Из него следует, что есть два пути повышения разрешения: увеличение ширины светового пучка d и расширение диапазона Dfак. Первый путь является более простым, хотя он и связан с ухудшением быстродействия. Для расширения пучка используется телескопическая система или призмы, которые располагаются на входе отклоняющей ячейки. На выходе ячейки ставится либо еще один телескоп, сужающий пучок света, либо линза, фокусирующая дифрагированное излучение в пятно на экране.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.