ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Красноярский государственный технический университет
ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА В РАДИОТЕХНИКЕ
Методические указания
Красноярск 2006
С17
Рецензент:
А. Р. Попов, канд. техн. наук, проф. кафедры «Радиофизика» КГТУ
Оптические устройства в радиотехнике. Методические указания к лабораторным работам / Сост. А. А. Лексиков, А. М. Сержантов. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. 17с.
Изложены физические основы работы и принципы построения акустооптических модуляторов и дефлекторов – важнейших элементов современных систем передачи, обработки и хранения информации. Рассмотрены основные параметры, характеризующие работу таких устройств и пути их улучшения.
.
Предназначены для студентов направления подготовки дипломированных специалистов 654200 – «Радиотехника» (спец. 071500, 200700, 201500), а так же бакалавров и магистров направления 552500 – «Радиотехника» всех форм обучения.
Печатается по решению редакционно-издательского совета университета
© Красноярский государственный технический университет, 2006.
ВВЕДЕНИЕ
Важное место в современных технологиях отводится методам и устройствам, которые, опираясь на достижения лазерной и микроволновой техники, голографии, оптоэлектроники, цифровой техники, открыли возможность нового подхода к решению ключевых проблем информатики, вычислительной техники и радиофизики. Устойчивой тенденцией является проникновение методов радиотехники в оптический диапазон, с одной стороны, и внедрение оптических методов в вычислительную технику, излучающие и канализирующие устройства СВЧ-диапазона и т.п. – с другой. Оптические методы обработки информации используют как преимущества оптического канала передачи информации (возможность параллельной обработки, высокое быстродействие, помехозащищенность и т. п.), так и преимущества, присущие собственно оптическим интегральным схемам (высокая надежность и компактность, малая подводимая мощность, возможность монолитного исполнения). Перечисленные выше вопросы рассматриваются в таких специальных дисциплинах, как «Оптические устройства в радиотехнике», «Волоконно-оптические устройства и системы», «Оптические методы и устройства обработки информации», введенные недавно для расширения кругозора современного радиоинженера.
Одними из важнейших элементов систем оптической обработки информации являются устройства управления характеристиками оптического излучения (интенсивность, пространственное положение, поляризация и т.д.). При этом в настоящее время наилучшими параметрами и технологичностью обладают устройства, в принципе работы которых лежит акустооптический эффект. Целью настоящих лабораторных работ является знакомство с устройством и принципом работы акустооптического модулятора и акустооптического дефлектора − важнейших элементов оптических систем передачи, обработки и хранения информации.
Работа акустооптических устройств основывается на взаимодействии одновременно распространяющихся в веществе оптических и акустических волн (последние называются также звуковыми или упругими волнами). Еще в начале XIX в. Т. Зеебеком и Д. Брюстером было обнаружено изменение под действием упругого механического напряжения показателя преломления вещества п, что приводит к искусственной оптической анизотропии, проявляющейся в двойном лучепреломлении. Это так называемая фотоупругость (пьезооптический или упругооптический эффект), объясняемая смещением атомов и молекул относительно положения равновесия и деформацией их электронных оболочек под действием механических напряжений. Благодаря этому эффекту в веществе возникают чередующиеся полосы с различными показателями преломления n, распространяющиеся со звуковой частотой. При повышении частоты акустических колебаний свет испытывает на чередующихся полосах с различным п дифракцию, аналогичную дифракции рентгеновских лучей на атомных плоскостях в кристалле.
Физическая картина дифракции света на акустической волне может быть описана следующим образом. Распространение акустической волны в упругооптической среде сопровождается появлением в этой среде бегущей периодической последовательности изменения показателя преломления. Если период этой последовательности меньше размеров поперечного сечения светового пучка, то в среде происходит дифракция света на бегущей со скоростью звука фазовой дифракционной решетке. (Фазовая решетка отличается от обычной – амплитудной – тем, что в ней пространственная модуляция осуществляется не по амплитуде, а по фазе). Характер этой дифракции существенно зависит от длины области взаимодействия света и звука L, длины волны света l, длины акустической волны L и определяется параметром дифракции Q = 2πlL / L2.
Рассмотрим два предельных случая:
1. Если выполняется условие Q << 1,т. е. при достаточно малом L, дифракционная картина представляет собой набор значительного числа дифракционных максимумов, расположенных симметрично относительно направления падающего света. Такая дифракция называется дифракцией Рамана – Ната, и происходит она при любом угле падения света на акустический столб. Дифракционная решетка, образованная бегущей акустической волной при этом может рассматриваться как плоская.
Пусть когерентный оптический луч распространяется нормально к направлению распространения звуковой волны (рис. 1, а), тогда на выходе световая волна разбивается на серию пучков, симметрично расходящихся под углами qm к падающему лучу, которые определяются условием
sinqm= ml / L, (1)
где m = 0, ± 1, ± 2; ...; l – длина волны света; L – длина волны звука. Условию т = 0 соответствует нулевой порядок дифракции, т = ± 1 – первый порядок и т. д. Таким образом, энергия падающего луча распределяется среди множества пучков. Соотношение интенсивности дифрагированных пучков зависит от частоты и интенсивности звука, длины пути, пройденного светом в зоне действия звуковой волны (длины взаимодействия L).
2. Если выполняется условие Q >> 1, т. е. при достаточно большом L, наблюдается другой тип дифракции, для которого характерно наличие лишь одного бокового дифракционного максимума. Дифракционная решетка в этом случае является трехмерной, а режим дифракции носит название дифракции Брэгга. Такая дифракция происходит только при определенном угле падения света на ультразвуковой столб, удовлетворяющем так называемому условию Брэгга – Вульфа. Если угол qб между направлением падающего светового луча и нормалью к поверхности, вдоль которой распространяется звуковая волна (рис. 1, б), удовлетворяет условию, аналогичному условию Брэгга – Вульфа для дифракции рентгеновских лучей на системе атомных плоскостей
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.