WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 9 01;07;08;12 Акустооптический фильтр неполяризованного электромагнитного излучения © В.Б. Волошинов, В.Я. Молчанов, Т.М. Бабкина Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия E-mail: volosh@osc162.phys.msu.su (Поступило в Редакцию 18 мая 1999 г. В окончательной редакции 10 ноября 1999 г.) Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований перестраиваемого акустооптического фильтра, нечувствительного к поляризации падающего света. Показана принципиальная возможность создания акустооптического фильтра неполяризованного света, работающего в видимом диапазоне электромагнитных длин волн = 480-750 nm с высоким пространственным и временным разрешением. Число разрешимых элементов отфильтрованного изображения достигает величины 400 400 при спектральной полосе пропускания устройства = 1.7 nm. Обсуждаются результаты обработки оптических изображений, сформированных произвольно поляризованными световыми пучками. Акустооптический фильтр на кристалле TeO2 может использоваться в оптике и спектроскопии при обработке световых пучков с произвольной поляризацией, а также при анализе оптических изображений, сформированных световыми лучами, поляризация которых может меняться со временем.

Введение обыкновенно (o) и необыкновенно (e) поляризованного света. На выходе фильтра наблюдается только один диКак известно, акустооптические фильтры обеспечива- фрагированный световой пучок, что чрезвычайно удобно ют спектральную фильтрацию и оптоэлектронную об- с практической точки зрения.

работку коллимированных и неколлимированных пучков света, а также оптических изображений [1–4]. Интерес Принцип работы фильтров к акустооптическим фильтрам обусловлен широкими на парателлурите функциональными возможностями, простотой их конструкции, узким спектральным интервалом пропускания, Для целей фильтрации электромагнитного излучения а также быстрой электрической перестройкой в широв перестраиваемых акустооптических фильтрах испольком диапазоне длин волн света. К сожалению, не все зуется селективность анизотропного брэгговского рассехарактеристики акустооптических фильтров удовлетвояния света на акустической волне [1–4]. Cпектральная ряют потребностям практики. Например, перестраиваефильтрация оптических сигналов может быть осущемые фильтры, являются чувствительными к поляризации ствлена при использовании фильтра на кристалле парападающего света, так как для работы подобных приборов теллурита с неколлинеарной геометрией акустооптиченеобходимо линейно поляризованное излучение [4–7].

ского взаимодействия [4–7]. Селекция длин волн света Однако применение поляризаторов часто ведет к снижеобеспечивается за счет брэгговского рассеяния оптичению мощности падающего света на 50% и более [8,9].

ского пучка на акустической волне, распространяющейся Проблема фильрации неполяризованного света может вблизи направления [110] в парателлурите в плоскокости быть решена несколькими способами [8–10]. Одна из (110). При использовании данной акустической моды методик предусматривает использование двух прием- достигаются высокие значения акустооптического качеников и дополнительной электронной обработки двух ства M2 кристалла [1–3] и обеспечивается эффективность световых изображений на выходе фильтра. Очевидно, что дифракции, близкая к единице, при малых уровнях упраэто усложняет систему фильтрации и требует больших вляющих электрической мощности P.

затрат времени. Брэгговская дифракция может рассматриваться как В данной работе предложена схема работы с про- процесс рассеяния фотонов на фононах, происходящий с выполнением законов сохранения энергии и импульса.

извольно поляризованными оптическими сигналами, Для использованной схемы фильтрации векторные соотлишенная недостатков известных методов. Методика ношения записываются в виде [1–3] предполагает использование дополнительных пассивных оптических элементов, например призм и зеркал. В этом ko - K - K - k = ke, i d случае произвольно поляризованный свет, падающий на ke + K +K +k = ko, (1) фильтр, разделяется с помощью оптических элемен- i d тов на обыкновенно и необыкновенно поляризованные где ki и kd — волновые векторы падающего и дифрагилучи. Эти лучи направляются в акустическую ячейку рованного света для обыкновенно и необыкновенно попод углами, удовлятворяющими условиям Брэгга для ляризованных лучей, K — волновые векторы звука, K 94 В.Б. Волошинов, В.Я. Молчанов, Т.М. Бабкина Для света с необыкновенной поляризацией можно получить следующее выражение для зависимости акустической частоты от угла Брегга [8]:

V f = ni sin e - n2 - n2 cos2 e. (3) B o i B Из векторной диаграммы также рассчитывается угол дифракции, равный d ni o = arccos cos e. (4) d no B На основе соотношений (3) и (4) для света с длиной волны = 0.63 nm можно построить графики частотных зависимостей угла Брэгга e ( f ) и угла дифракции o( f ) B d при необыкновенно поляризованном падающем свете.

Эти зависимости показаны на рис. 2, причем кривая относится к падающему лучу, а кривая 2 иллюстрирует дифрагированный свет. Графики соответствуют строгому выполнению условия Брегга, когда расстройка равна нулю. Аналогично рассчитываются частотные зависиРис. 1. Векторная диаграмма акустооптического взаимодеймости и для обыкновенно поляризованного падающего ствия для необыкновенно поляризованного света.

излучения. Зависимость брэгговского угла падения имеет такой же вид, как на рис. 2, однако кривая 1 будет соответствовать дифрагированному свету, а кривая 2 — падающему лучу.

и k — приращения акустического вектора и векторы расстройки.

В соответствии с формулой (1) вектор ko образуетd Дифракция света с произвольной ся как сумма, а вектор ke — как разность волновых d векторов падающей световой и акустической волн. Век- поляризацией торная диаграмма, иллюстрирующая соотношение (1), представлена на рис. 1. На этом рисунке показана Из рис. 2 и результатов анализа можно сделать вывод, оптическая ось кристалла [001] и углы Брегга o и что на частоте ультразвука f1 = 120.3 MHz частотные B e. Акустичские волны распространяются в кристалле зависимости углов падения обыкновенно и необыкновенB под углом к оси [110] в плоскости акустооптического но поляризованного света пересекаются. Это происходит взаимодействия, как показано на рисунке. при угле падения света 1 = 13. Если свет распростраИзвестны соотношения для длин волновых векторов няется под этим углом к акустическому волновому фронвзаимодействующих пучков kd = 2 · n0/, K = 2 f /V, K = 2 f /V, где V — фазовая скорость звука, f и f — частота акустической волны и ее вариации при нарушении условий синхронизма [5]. В эксперименте использовался фильтр с направлением распространения ультразвука под углом = 10 к оси [110]. Для выбранного среза кристалла TeO2 показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн света при = 0.63 µm соответственно равны no = 2.26 и ne = 2.41, а фазовая скорость звука достигает величины V = 7.08 · 104 m/s.

Волновое число падающего света записывается в виде e ki = 2 ·ni/, где ni — показатель преломления необыкновенной световой волны (n0 ni ne). Параметр ni для исследуемой геометрии взаимодействия равен [7] Рис. 2. Частотная зависимость брэгговского угла и угла no · ne ni =. (2) дифракции для необыкновенно поляризованного падающего n2 · sin2(e + ) +n2 cos2(e + ) света.

o B e B Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Акустооптический фильтр неполяризованного электромагнитного излучения ту, то брэгговское условие синхронизма автоматически Взаимодействие при нарушении выполняется и для необыкновенно, и для обыкновенно условия синхронизма поляризованного света [8,9]. Акустооптическая ячейка при этом становится нечувствительной к поляризации Одной из важнейших характеристик акустооптической светового излучения, так как световые лучи с каждой из фильтрации является спектральная полоса пропускания двух поляризаций одновременно удовлетворяют условию акустооптического фильтра [1]. Известно, что Бреэгга и взаимодействуют с ультразвуком с макси- спектральное разрешение R = / акустооптического прибора зависит от расходимости оптического пучка и мальной эффективностью [8–10]. Исследованный режим ограниченности области, в которой происходит дифракдифракции используется в извесном акустооптическом фильтре для анализа произвольно поляризованных све- ция света [1–3]. При неколлинеарном акустооптическом взаимодействии эта область фактически определяется товых пучков [8]. Особенностью работы такого фильшириной акустического столба l, которая в свою очередь тра являются два дифрагированных световых луча, расзависит от длины пьезоэлектрического преобразователя пространяющихся на выходе акустооптической ячейки l0. Спектральная полоса пропускания акустооптического симметрично прошедшему свету. Из рис. 2 видно, что фильтра рассчитывается из соотношения ( f / f ), угол дифракции для обыкновенно поляризованного дигде f — диапазон частот дифракции вблизи акустичефрагированного света на частоте звука f = f1 равен ской частоты брэгговского синхронизма [1]. Частотный o = 10.4, в то время как необыкновенно поляризованd диапазон f может быть наиболее легко рассчитан ные дифрагированные световые лучи распространяются при фиксированной длине волны света с помощью под углом e = 15.6 к акустическому волновому d векторных построений на рис. 1, учитывающих векторы фронту.

расстройки k [8].

На частоте акустической волны f = f1 может быть реРасстройки k при акустооптическом взаимодейализован еще один интересный с практической точки зрествии, ортогональные границам акустического столба, ния режим дифракции [9]. Именно этот режим был иссвязаны с шириной акустического столба l условием пользован в настоящей работе. Из рис. 2 непосредственk 0.8/l [1]. Ширина акустического столба завино следует, что условие Брэгга при f = f1 выполняется сит от угла между векторами фазовой и групповой для необыкновенно поляризованного падающего света, скорости звука l = l0 cos. При ориентации волнового если угол падения выбран равным e = 15.6. ОчевидB вектора звука вдоль = 10, угол сноса акустической но, что угол дифракции при этом равен o =1 = 13.

d энергии равен = 57 [7]. Очевидно, что ограничение С другой стороны, для обыкновенно поляризованных на величину вектора расстройки принимает вид падающих лучей условие Брэгга выполняется на той же частоте ультразвука, если угол падения выбран равk 0.8/l0 cos. (5) ным o = 10, 4. Угол дифракции при этом также B Из векторных диаграмм на рис. 1 находится связь оказывается равным e = 13. Таким образом, углы d между длиной вектора k и вектором K. Таким дифракции для обыкновенно и необыкновенно поляриобразом, векторное построение и соотношение (5) дают зованных световых лучей будут строго равны между возможность получить выражение для полосы акустичесобой. Это означает, что на рис. 1 оба дифрагированных ских частот световых пучка имеют коллинеарные волновые векторы, направленные вдоль штриховой линии. Поэтому 0.8V niV cos( - e ) - f sin B f. (6) можно сделать вывод, что дифрагированные световые l0 cos niV sin e - f B лучи распространяются в кристалле в одном и том же В приближении малости двулучепреломления материнаправлении [9].

ала, а также с учетом условия K K из соотношения Таким образом, направляя на ячейку ортогонально по(6) получается выражение для акустического частотного ляризованные световые лучи под углами соответственно диапазона f, а также для полосы пропускания фильтра o = 10.4 и e = 15.6, на частоте ультразвука B B f1 = 120.3 MHz можно наблюдать одновременную ди0., (7) фракцию обыкновенно и необыкновенно поляризованных l0 cos n sin2(e + ) B пучков падающего света. На выходе акустооптической ячейки в результате дифракции будут распространяться где n = ne - no.

три световых луча. Два из них являются прошедшими Оценки по формуле (7) показывают, что для выбрансветовыми пучками нулевого порядка, а третий пучок со- ной геометрии взаимодействия и длины преобразователя стоит из двух дифрагированных лучей +1 и -1 порядка.

l0 = 1.2 cm полоса пропускания фильтра составляет Дифрагированный пучок при этом имеет произвольную величину = 1.7nm.

поляризацию, так как является суммой дифрагированных Следует отметить, что исследуемый режим акустокомпонент двух исходных волн, причем направление его оптического взаимодействия является близким к случаю поляризации всегда совпадает с поляризацией исходного широкоапертурной дифракции [4]. Поэтому выбрансветового луча. ная геометрия взаимодейсвия не только гарантирует Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 96 В.Б. Волошинов, В.Я. Молчанов, Т.М. Бабкина получение узких полос пропускания, но и обеспечивает При освещении транспаранта светом и подаче на ячейдостаточно широкие угловые апертуры при фильтрации ку электрического сигнала с частотой f1 = 120.3MHz световых лучей. В принципе это позволяет без потерь от высокочастотного генератора на выходе акустооптиоптической мощности обрабатывать световые пучки, ческой ячейки наблюдались два дифрагированных луча формирующие изображения. Однако главным достоин- света, распространяющихся в одной и том же направлеством исследованного режима взаимодействия является нии, как показано на рис. 3. Поляризация этого света соего нечувствительность к поляризации падающего света. впадала с исходной, что доказывало способность фильтра обеспечивать обработку произвольно поляризованных световых пучков.

Экспериментальное исследование Предватительные экспериментальные исследования, дифракции проведенные с помощью источника когерентного света на длине волны = 0.63 µm, показали, что при упраАкустооптическая ячейка, использованная для фильвляющей ВЧ мощности P = 1.2 W эффективность дитрации оптических изображений, была выполнена на фракции достигала величины T = 90%. В экспериментах основе монокристалла парателлурита. Очевидно, что для определялась зависимость брэгговских углов падения от данных целей может быть использован любой двулучеакустической частоты для обыкновенно и необыкновенно преломляющий материал, если в нем реализуется интеполяризованного падающего света. Экспериментальные ресующий режим дифракции. В настоящей работе выбор точки, показанные на рис. 2, хорошо согласуются с данкристалла парателлурита был обусловлен высоким знаными расчетов. Таким образом, эксперимент подтвердил, чением акустооптического качества материала [1–4].

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.