WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 11 01;05;07;08 Акустооптические ячейки с неодинаковой длиной взаимодействия в поперечном сечении светового луча © В.Б. Волошинов, Г.А. Князев Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия e-mail: volosh@osc162.phys.msu.su (Поступило в Редакцию 7 февраля 2003 г. В окончательной редакции 14 мая 2003 г.) Исследованы закономерности дифракции света на акустических волнах, генерируемых в акустооптических ячейках пьезоэлектрическими преобразователями сложной конфигурации. В приближении плоских волн рассмотрена дифракция на акустических пучках, имеющих поперечное сечение в виде треугольника, ромба, шестигранника и т. д., когда длина взаимодействия света и звука не одинакова по сечению светового луча.

Неодинаковость длины влияет на форму аппаратной функции акустооптических приборов и обеспечивает уменьшение интенсивности боковых лепестков их функции пропускания. Обсуждаются преимущества использования ячеек с преобразователями сложной конфигурации в перестраиваемых акустооптических фильтрах, работающих в волоконно-оптических линиях связи со спектральным уплотнением каналов.

Введение ностью этой функции является существование основного максимума, а также симметрично расположенных Акустооптическое взаимодействие в стеклах и кри- и убывающих по интенсивности боковых лепестков.

сталлах привлекает внимание исследователей как с точ- Направление на боковые максимумы излучения акуки зрения фундаментального знания, так и прикладной стической энергии зависит от длины пребразователя l.

Передаточная функция акустооптической ячейки, т. е.

науки [1–5]. Однако особый интерес к дифракции света зависимость интенсивности дифрагированного света Id на ультразвуке обусловлен активным использованием от угла падения света, оптической длины волны или акустооптического взаимодействия в науке и технике для управления световыми лучами. Акустооптические моду- частоты ультразвука f, также имеет основной максимум и боковые максимумы [4,6–9].

ляторы, дефлекторы, фильтры и устройства оптической При максимальной эффективности дифракции Id/Ii = обработки информации активно применяются в оптике и = 1.0, где Ii — интенсивность падающего светового спектроскопии, в лазерной физике и технике, а также в луча, энергия света, отклоняемого в боковые максисистемах передачи и обработки данных [3–10].

мумы, может оказаться значительной. Например, при Известно, что акустооптическая ячейка представляет Id/Ii = 1.0 интенсивность первых боковых максимумов собой образец из стекла или кристалла, в котором с с номерами ±1 превышает 10%. Очевидно, что сущепомощью пьезоэлектрических преобразователей генериствование боковых лепестков передаточной функции явруются акустические волны [1,2]. В большинстве случаев ляется недостатком акустооптических приборов [7–10].

преобразователи изготавливаются в виде прямоугольных Например, в акустооптических фильтрах, предназначенпластин малой толщины. Область взаимодействия света ных для селекции сигналов с различными длинами и звука в ячейках определяется поперечными размеволн в волоконно-оптических линиях связи, прирами акустического столба. Сечение звуковых пучков сутствие боковых максимумов пропускания ухудшает представляет собой прямоугольник с длиной l и шиспектральные характеристики системы фильтрации и риной d, при этом длина и ширина ультразвукового повышает уровень перекрестных помех [10].

столба практически совпадают с размерами управляющего электрода-преобразователя. Как правило, ширина столба d выбирается больше диаметра светового луча Управление формой аппаратной для получения максимальной эффективности дифракции функции акустооптических ячеек по сечению светового пучка, а также для снижения влияния краевых эффектов и уменьшения расходимости К настоящему времени известно несколько способов ультразвука. Однако длина акустического столба l вдоль снижения интенсивности боковых лепестков аппаратной направления распространения света одинакова для всех функции акустооптических ячеек [3–5]. Например, уропарциальных световых лучей в пределах сечения световень боковых лепестков может быть значительно снижен вого пучка [1–3].

при использовании секционированных преобразователей Угловая направленность акустической энергии для с аподизацией [4,5,7]. Для снижения уровня боковых ячейки с равномерным распределением мощности уль- лепестков можно также использовать пьезопреобразотразвука по апертуре преобразователя описывается ватели с неодинаковыми длинами секций [7]. Однако функцией вида z = sin c2 [4–6]. Характерной особен- перечисленные методы управления формой функции Акустооптические ячейки с неодинаковой длиной взаимодействия... пропускания акустооптических ячеек представляются весьма сложными. Более простым способом управления аппаратной функцией является применение пьезоэлектрических пребразователей, имеющих сечение управляющих электродов в виде ромба, шестигранника, трапеции, эллипса и т. д. [8,9]. В данной работе уменьшение интенсивности боковых лепестков рассмотрено на примере ячеек акустооптических фильтров с неодинаковой длиной акустооптического взаимодействия по поперечному сечению светового луча [3–5]. Если длина акустооптического взаимодействия l не одинакова для парциальных компонент в падающем пучке света, то Рис. 1. Акустооптическая ячейка и пьезоэлектрические преобусловия возникновения боковых лепестков для каждой разователи с различной конфигурацией управляющих электроиз этих компонент также будут не одинаковыми. Подов: a — ячейка с преобразователем прямоугольной формы, этому в зависимости от длины меняется и положение b — возможные конфигурации управляющих электродов пребоковых максимумов аппаратной функции акустоопти- образователей.

ческой ячейки относительно центрального максимума.

Таким образом, на выходе устройства будет наблюдаться изменение формы функции пропускания по сравнению с Из выражений (1) и (2) видно, что при управтрадиционным случаем прямоугольного электрода.

ляющей акустической мощности P = P0, где P0 = По сравнению с известными вариантами использо= 0.5S2 cos2 /M2l2, в ячейке реализуется режим дивания в акустооптических приборах преобразователей фракции с максимальной интенсивностью дифрагировансложной формы [4,8,9] в настоящей работе исследуется ного света. Произведение коэффициента акустооптичеслучай, когда максимальная длина l и d ширина преобской связи и длины взаимодействия в этом случае равно разователя фиксирована. При этом считается, что измеql =. Очевидно, что условие ql = является общим нение формы управляющего электрода преобразователя для всех парциальных компонент света в сечении оптиячейки происходит в пределах, ограниченных размерами ческого луча на рис. 1, a, так как длина взаимодействия прямоугольного преобразователя. На практике эти оградля всех оптических компонент одинакова.

ничения возникают, например, если длина пьезоэлектрической пластинки l лимитирована размером акустооптического кристалла, его оптической однородностью Расчет эффективности дифракции или поглощением света, а ширина ограничена апертурой при неодинаковой длине светового луча a, т. е. d a.

взаимодействия Интенсивность дифрагированного света Иная картина дифракции наблюдается в том случае, когда пьезопреобразователь генерирует в ячейке акуИзвестно, что в акустической ячейке с преобразовастический столб, имеющий сечение, отличающееся от телем прямоугольной формы, показанном на рис. 1, a, прямоугольного. На рис. 1, b показаны некоторые из интенсивность дифрагированного света зависит от инвозможных конфигураций управляющих электродов пьетенсивности падающего светового пучка по закону зопреобразователей акустооптических ячеек. При анализе считается, что максимальные размеры управляющих q2 l Id = Ii · sin2 q2 + 2, (1) электродов различных конфигураций ограничены размеq2 + 2 рами традиционного прямоугольного преобразователя, где — коэффициент расстройки; q — коэффици- как показано на рисунке. В работе анализировались разент акустооптической связи, зависящий от амплиту- личные конфигурации электродов преобразователей, одды упругой деформации и фотоупругих свойств среды нако в данной работе расчет эффективности дифракции взаимодействия, а также длины волны и брэгговского проводится только для пьезоэлектрических пластинок с угла падения света, коэффициента акустооптического формой управляющего электрода в виде треугольника, качества материала M2, акустической мощности P и ромба или шестигранника. Тем не менее результаты сечения S = ld акустического столба [1–4]. проведенного исследования легко обобщаются и на слуПри выполнении условия фазового синхронизма коэф- чаи преобразователей более сложной формы, например, фициент тождественно равен нулю. Можно показать, эллиптической и гауссовой.

что при синхронизме интенсивность дифракции равна Пьезоэлектрический преобразователь с электродом в виде ромба показан на рис. 2, a. Из рисунка видно, что l M2P длина взаимодействия света и звука зависит от коорId = Ii sin2. (2) cos 2S динаты x, если световой пучок направить вдоль оси y.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 120 В.Б. Волошинов, Г.А. Князев Анализ соотношения (4) показывает, что в ячейке с неодинаковой длиной акустооптического взаимодействия принципиально невозможно получить максимальную эффективность дифракции Id = 1.0. Это связано с тем, что при фиксированном значении коэффициента связи q произведение ql(x) равно лишь при единственном значении координаты |x| =(l0 - /q) tg. Для всех остальных значений x это произведение отлично от. Поэтому происходит ослабление суммарной интенсивности дифрагированного света по сравнению с максимально возможной.

Проведенное исследование также подтверждает принципиальный вывод о том, что результирующая эффективность дифракции Id при заданной мощности ультразвука P зависит от формы управляющего электрода пьезоэлектрического преобразователя. Из соотношения (4) видно, что эффективность дифракции определяется углом. На рис. 3 представлено семейство кривых зависимости суммарной интенсивности дифрагированного света от нормированной мощности ультразвука P/P0, рассчитанных при различных значениях угла, где Рис. 2. Преобразователи с формой электродов в виде ромба 1 = 90 (кривая 1) и 2 = 75, 3 = 60 и 4 = и пятиугольника. a — оценка эффективной длины взаимодей(кривые 2–4). Из рисунка следует, что максимальное ствия, b — конфигурация электрода преобразователя.

значение результирующей эффективности дифракции Id = 1.0 достижимо только в случае прямоугольного электрода. При уменьшении угла происходит убывание величины максимального значения эффективности В том же случае, если управляющий электрод имеет дифракции.

форму треугольника (рис. 2, b), длина взаимодействия Данные, приведенные на рис. 3, доказывают, что в может быть представлена в виде l(x) =l0 -|x| ctg, где ячейках с преобразователями непрямоугольной формы |x| 0.5d. В приведенном соотношении угол опредемаксимальные значения Id реализуются при мощностях ляет форму управляющего электрода. Следует отметить, акустической волны P, превышающих значение мощчто полученное соотношение для длины также может ности ультразвука P = P0, характерное для звуковых быть применено для анализа работы преобразователей волн, генерируемых прямоугольным преобразователем.

в форме трапеции, ромба, шестигранника и т. д. Этот Расчеты доказывают, что любое уменьшение угла вывод непосредственно следует из симметрии рассматсопровождается ростом акустической мощности по сравриваемой задачи. Таким образом, интенсивность дифранению с традиционным случаем. Так, из рис. 3 видно, гированного света для каждой оптической парциальной что при = 4 (кривая 4) результирующая интенсивкомпоненты в пределах апертуры звукового столба с ность оказывается меньше единицы Id = 0.85. Значение учетом соотношения (1) будет равна мощности управляющего сигнала при этом возрастает до P = 1.6P0 по сравнению с известным случаем.

q2 l0 -|x| ctg Id = Ii sin2 q2 + 2. (3) q2 + 2 Если при акустическом взаимодействии выполняется условие синхронизма, то с помощью соотношения (3) можно определить интенсивности дифракции для каждой из парциальных компонент в сечении светового луча. Результирующая эффективность дифракции на выходе ячейки Id определяется при сложении интенсивностей всех дифрагированных компонент в сечении светового луча с диаметром a = d d/2 d/1 2 q Id = Id(x) dx = Ii sin2 (l0 -|x| ctg ) dx.

d d -d/2 0 Рис. 3. Зависимость эффективности дифракции от нормиро(4) ванной акустической мощности.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Акустооптические ячейки с неодинаковой длиной взаимодействия... Таким образом, применение ячеек с преобразователями непрямоугольной формы сопровождается некоторым уменьшением максимального значения эффективности дифракции и увеличением требований к величине управляющей акустической мощности.

В заключение необходимо отметить, что при расчете соотношения (5) пределы интегрирования можно изменить с учетом ограниченности диаметра светового луча по сравнению с шириной преобразователя. Тогда соотношение (5) справедливо и при анализе эффективности дифракции в случае преобразователя с формой электрода в виде пятиугольника, шестиугольника и т. д. Однако если Рис. 4. Зависимость эффективности дифракции от коэффициуправляющий электрод преобразователя имеет конфигуента расстройки для преобразователей различных конфигурарацию, описываемую эллиптической, гауссовой или друций.

гой зависимостью длины взаимодействия от координаты, то соответствующие замены в выражении (4) позволяют оценить параметры дифракции и в этих случаях.

Исследование показало, что одновременно со сглаживанием интенсивности боковых максимумов происЭффективность дифракции ходит увеличение ширины основного максимума функции пропускания ячейки [9]. Однако расчет показывает, при нарушении условия синхронизма что уширение основного максимума осуществляется не более чем в 1.5–2 раза по сравнению со случаем для Зависимость интенсивности дифрагированного света прямоугольного преобразователя. Эта закономерность от угла падения света на ультразвук, его частоты или оказывается справедливой и для преобразователей, имеоптической длины волны определяет вид передаточной ющих профиль электрода, описываемый гауссовой, сифункции акустооптической ячейки. Форма передаточной нусоидальной или ступенчатой функцией.

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.