WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 1 07;08;12 Оптимизация акустооптического перестраиваемого фильтра на кристалле KDP © В.Б. Волошинов, Д.В. Богомолов, А.Ю. Трохимовский Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия e-mail: volosh@phys.msu.ru (Поступило в Редакцию 23 марта 2005 г.) Проанализированы характеристики акустооптической ячейки, оптимизированной для работы в качестве перестраиваемого фильтра, обеспечивающего анализ оптических изображений в ультрафиолетовом свете на длинах волн = 200-400 nm. Измерено затухание медленной сдвиговой акустической волны в плоскости (010) кристалла и показано, что затухание ультразвука сказывается на характеристиках фильтрации при частотах звука f > 500 MHz. Представлены результаты расчетов, экспериментальные данные и анализ факторов, влияющих на качество изображений, получаемых с помощью акустооптических фильтров на основе кристаллов KDP.

PACS: 78.20.Hp Введение ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Одним из достаточно перспективных материалов для испольАкустооптические дефлекторы и перестраиваемые зования в фильтрах, анализирующих изображения в фильтры широко используются для решения задач спекультрафиолетовом спектре, является кристалл KDP трометрии и обработки оптических изображений. Спек(KH2PO4) [8–17]. В данной работе рассматривается трометры на базе акустооптических ячеек отличаются возможность применения кристалла KDP в акустоопмалыми габаритами, умеренным энергопотреблением, тических приборах. Дигидрофосфат калия известен тем, возможностью перестройки и обладают рабочим диачто этот двулучепреломляющий материал прозрачен для пазоном фильтруемых длин волн порядка октавы [1–5].

ультрафиолетового диапазона длин волн (до 200 nm).

Акустооптический перестраиваемый фильтр состоит из Поэтому кристалл KDP наряду с кварцем и фторидом прозрачного кристалла с прикрепленным пьезопреобрамагния может быть рекомендован к применению в зователем и акустическим поглотителем. Переменное акустооптических устройствах для работы в ультрафиэлектрическое напряжение, поданное на преобразоваолетовой части спектра оптического излучения [14–17].

тель, генерирует акустическую волну, распространяюК настоящему времени хорошо известны оптичещуюся по кристаллу. Ультразвуковая волна благодаря ские, электрооптические свойства кристалла KDP, а фотоупругому эффекту меняет показатель преломления также нелинейно-оптические свойства этого материала.

среды. Оптический пучок, падающий на акустооптичеС другой стороны, его акустические и акустооптическиe ский столб под определенным углом, дифрагирует на характеристики исследованы недостаточно полно [2].

трехмерной фазовой дифракционной решетке, созданной Интерес к KDP обусловлен еще и тем, что в последнее звуком в кристалле. На выходе фильтра возникают два время была доказана эффективность применения криоптических пучка: прошедший свет нулевого порядка и сталла для анализа изображений в ультрафиолетовой первый порядок фильтрации.

области спектра [16,17].

Брэгговская дифракция света на ультразвуке в общем случае чрезвычайно чувствительна к углу падения оптического пучка. Однако для обработки неколимированных Теоретическое исследование пучков света, а также лучей, формирующих изображедифракции ния, требуется, чтобы оптическое устройство обладало широкой угловой апертурой [1,5,6,7]. Это противоречие Акустооптическое взаимодействие можно рассматриустраняется при использовании двулучепреломляющих вать как рассеяние фотонов оптического излучения на кристаллов и так называемой широкоапертурной геометфононах звуковой волны [1–4]. В этом случае должно рии акустооптического взаимодействия [1–7].

выполняться условие фазового синхронизма при фотонСледует отметить, что акустооптические фильтры фононном взаимодействии обработки изображений используют двулучепреломляющие материалы с особым сочетанием оптических и kd = ki + K, (1) акустических свойств. Для создания акустооптических фильтров чаще всего используется кристалл парател- где |ki | = 2ni/, |kd| = 2nd/ — волновые векторы лурита (TeO2) [1–8]. В последнее время изучается падающего и дифрагированного света соответственно, возможность создания акустооптических фильтров в |K| = 2V / f —волновой вектор звука, ni — показатель Оптимизация акустооптического перестраиваемого фильтра на кристалле KDP Из векторной диаграммы видно, что касательные к поверхности волновых векторов для падающего и дифрагированного света параллельны друг другу, т. е.

выполнено условие широкоапертурной дифракции [1–6].

Также диаграмма показывает, что угол пространственного разделения падающего и дифрагированного пучков зависит от оптических характеристик кристалла и длины волнового вектора звука. Легко показать, что угол зависит от величины двулучепреломления n = - arccos[(n0/nd) cos ]. (5) Если угловая апертура акустооптического фильтра больше угла, то пучки дифрагированного и прошедшего света перекрываются между собой, поэтому в обработанном изображении в области перекрытия лучей Рис. 1. Векторная диаграмма взаимодействия в кристалле теряется информация, а также возникают дополнительKDP.

ные искажения [3,4,8,16]. Следовательно, угол дифракции определяет максимальную угловую апертуру акустооптического спектрометра. Таким образом, угол преломления падающего света, nd — показатель преломдифракции является одной из важнейших характеристик ления дифрагированного света, — его длина волны, V акустооптического фильтра, поскольку он определяет и f — фазовая скорость акустической волны и частота максимальное пространственное разрешение и светосиультразвука.

лу прибора. Малость угла дифракции неизбежно привоВекторная диаграмма акустооптического взаимодейдит к ухудшению качества отфильтрованного изображествия в кристалле KDP в плоскости (010) представления и к усложнению юстировки прибора.

на на рис. 1. Для определенности падающий луч выВ первых фильтрах на основе кристалла KDP были исбран обыкновенной поляризации, а дифрагированный — пользованы сдвиговые акустические волны, распространеобыкновенной. Дифракция исследовалась для случая няющиеся под углом = 6 к оси X в плоскости (010) сдвиговой акустической волны, распространяющейся в кристалла [16,17]. Недостатком этих фильтров были плоскости (010) под углом к оси X. Как принято ограниченные угловые апертуры приборов из-за малых в акустооптике, углы падения и угол дифракции d углов между падающим и дифрагированным лучами на отсчитываются от направления акустического волнового выходе из ячейки. Например, в фильтре, описанном в фронта [1,6,7]. Угол определяет срез кристалла и задаработе [17], этот угол не превышал 0.7 в кристалле ет направление фазовой скорости акустической волны.

и 1.2 в воздухе. Малось этих значений углов обуПоказатель преломления на рис. 1 дифрагированного словлена небольшим двулучепреломлением кристалла света зависит от угла дифракции d и направления звука KDP: n0 = 1.51, ne = 1.47, n = 0.04 при = 633 nm.

следующим образом:

Для сравнения, угол отклонения лучей в известном n0ne кристалле TeO2 оказывается в несколько раз больше изnd =. (2) за того, что двулучепреломление материала n = 0.15.

n2 sin2(d + ) +n2 cos2(d + ) e Одна из возможностей увеличения угловой апертуры в акустооптическом фильтре на KDP состоит в испольАнализ векторной диаграммы позволяет получить зовании таких срезов кристаллов, в которых ультраформулу для связи угла Брэгга и частоты ультразвука звуковые волны распространяются под углами V () относительно оси X. При этом сохраняется широкоf = n2 - n2 cos2 d - nd sin d. (3) 0 d апертурная конфигурация фильтра, при которой рабочая частота устройства слабо зависит от угла Брэгга.

Для вычисления фазовой скорости сдвиговой ультраС ростом угла увеличивается угол, определяющий звуковой волны V (), распространяющейся под углом разведение лучей на выходе из ячейки.

к оси [100] в кристаллической плоскости (010), можно На рис. 2 представлены рассчитанные зависимости воспользоваться следующей формулой [16,17]:

угла Брэгга от частоты звука для разных углов распространения акустической волны в кристалле KDP при 2 V () = V100 cos2 + V001 sin2, (4) длине волны света = 633 nm. Было определено, что исгде V100 и V001 — скорости вдоль осей X и Z соответ- пользование углов среза порядка 17 соответствует ственно. разведению лучей на выходе из ячейки на = 2.3. ОдЧисленные значения этих скоростей в материале нако, как видно из рис. 2, применение в кристаллах упруравны V100 = 1.65 · 105 cm/s, V001 = 2.34 · 105 cm/s. гих волн с направлением распространения звука вдали 5 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 68 В.Б. Волошинов, Д.В. Богомолов, А.Ю. Трохимовский лись соответственно L = 3cm и d = 1 cm. В качестве источника оптического излучения использовался He–Ne лазер, работающий на длине волны света = 633 nm.

Резонансная частота пьезопреобразователя составляла величину f = 170 MHz, при этом сдвиговые ультразвуковые волны эффективно возбуждались в кристалле в диапазоне акустических частот f = 100-300 MHz, оцениваемом по уровню 3 dB. Однако чувствительность установки и реализуемая в кристалле геометрия взаимодействия обеспечивали возможность даже при небольшой эффективности дифракции проводить измерения в более широком диапазоне частот звука f = 60-450 MHz, существенно превышающем диапазон эффективного возбуждения ультразвука пьезопреобразователем.

На рис. 3 представлены рассчитанные кривые зависиРис. 2. Зависимость угла Брэгга от акустической частоты мости угла Брэгга от частоты ультразвука для кристалла для разных углов распространения акустической волны.

KDP, вырезанного под углом = 9, для обыкновенной (o) и необыкновенной (e) поляризации падающего излучения. На этом графике также представлены эксот оси кристалла сопровождается увеличением акусти- периментальные результаты, соответствующие данной ческой частоты фильтра f свыше 100 MHz. Следует зависимости для случая обыкновенно поляризованного также учитывать, что в соответствии с уравнением (3) оптического излучения. Небольшой сдвиг эксперименчастота акустической волны f обратно пропорциональна тальных точек по оси абсцисс относительно рассчитандлине волны света. Так, рабочая частота акустоопти- ных данных на рис. 3 можно объяснить неточностью ческого фильтра на основе кристалла KDP, вырезанного ориентации кристалла. Так как в исследуемом случае под углом = 15 к Z в плоскости (010) и работающего дифракция происходит с изменением типа оптической на длине волны = 300 nm, составляет f = 250 MHz. моды, то угол между падающим и дифрагированным пучком может быть определен для каждой частоты f Подобное увеличение частоты является нежелательным:

на этом рисунке как разница значений углов Брэгга для во-первых, из-за сложности синтеза цепей согласования пьезопреобразователя и управляющего генератора. И во- двух поляризаций света.

вторых, на столь высоких частотах звука следует учиты- Измерение затухания проводилось акустооптическим методом по стандартной методике [1,2]. В эксперименте вать затухание акустической энергии в звукопроводе, так обеспечивалось перемещение образца по направлению как оно может быть довольно существенным и влиять распространения звука и перпендикулярно к направлена работу прибора. Следует отметить, что уменьшение нию луча лазера. Таким образом, оптическое излучение амплитуды ультразвука по мере распространения вдоль дифрагировало на разном расстоянии от пьезопреобракристалла ограничивает линейную апертуру устройства зователя. Как известно, интенсивность дифрагированнофильтрации и ухудшает качество получаемого изобраго света Id определяется мощностью звука Pa: Jd Pa.

жения [7,16]. Однако, несмотря на то что кристалл KDP применяется в оптоэлектронике не один десяток лет, к настоящему времени не имеется сведений о величине затухания ультразвука в этом кристалле. Таким образом, одной из задач настоящей работы было измерение коэффициента затухания упругой волны в этом акустооптическом материале. Другой задачей было определение геометрии акустооптического взаимодействия для использования KDP в акустооптических фильтрах и акустооптических дефлекторах.

Экспериментальное исследование дифракции В экспериментах использовались ячейки фильтра на основе дигидрофосфата калия, предназначенные для анализа изображений в ультрафиолетовой области спектра.

Кристалл KDP был вырезан под углом = 9 к Z Рис. 3. Зависимости угла Брэгга от акустической частоты в плоскости (010). Длина и ширина кристалла равня- для обыкновенной и необыкновенной поляризации света.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Оптимизация акустооптического перестраиваемого фильтра на кристалле KDP Поэтому, зная зависимость интенсивности дифрагированного света от расстояния, пройденного акустической волной, можно определить распределение относительной акустической мощности по длине кристалла. Чтобы уменьшить ошибки, вносимые неравномерным распределением звука в плоскости, перпендикулярной направлениию его распределения, измерения проводились не только на разном расстоянии от пьезопреобразователя, но и в различных точках по сечению звукового столба.

Для наблюдения дифракции на высоких частотах ультразвука акустооптическая ячейка была развернута на несколько градусов в сторону малых углов Брэгга.

При этом удалось зафиксировать дифракцию во всем диапазоне углов падения и частот ультразвука, соответствующих переходу от режима работы акустооптического дефлектора при = 2-3 и f = 90-400 MHz, до режима акустооптического фильтра при = 6-14 Рис. 5. Коэффициенты затухания акустической волны.

и f = 65-68 MHz на длине волны = 633 nm. Из рис. 3 видно, что в пределах изменения угла = 2-частота устройства изменятся именно в пределах Экспериментально определенная зависимость ( f ) f = 60-400 MHz.

оказалась близка к степенной, характеризующейся стеВ эксперименте были определены зависимости отпенью 1.5. Примечательно, что характерной для больносительной интенсивности света в первом порядке шинства диэлектрических материалов, применяемых в дифракции Id/Imax от расстояния до пьезопреобразоваакустооптике, является квадратичная зависимость затутеля при различных частотах акустической волны.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.