WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 4 07;08 Угловое расщепление брэгговского дифракционного порядка в акустооптическом модуляторе при частотно-модулированной акустической волне © С.Н. Антонов Институт радиотехники и электроники РАН, 141190 Фрязино, Московская область, Россия e-mail: olga-ant@yandex.ru (Поступило в Редакцию 2 апреля 2004 г. В окончательной редакции 4 сентября 2004 г.) Рассматриваются эффекты углового расщепления брэгговского дифракционного порядка, возникающие при акустооптической дифракции света на частотно-модулированной акустической волне. Эффекты имеют место, когда размер светового пятна в зоне акустооптического взаимодействия больше, чем характерный пространственный период модулирующей функции. Обнаружено расщепление брэгговского дифракционного порядка в несколько лучей. Направления дополнительных лучей, их интенсивность и количество опреляются параметрами модуляции. В частности, возникает ситуация, когда дифрагированное поле состоит из трех лучей равной интенсивности, отстоящих друг от друга на расстоянии, примерно равном дифракционной расходимости падающего луча, при суммарной эффективности дифракции порядка 100%. Это отличает данный режим дифракции от случая, когда в области взаимодействия генерируется несколько независимых звуковых волн и суммарная эффективность дифракции ограничивается возникающей интермодуляцией.

Эффект использован при создании модуляторов для систем нанесения изображения мощными лазерами.

В ряде технических задач с использованием акустооп- оптическое излучение 3 с размером пятна d (плоскость тических (АО) брэгговских модуляторов возникает необ- рисунка ортогональна плоскости дифракции). Акустиходимость формировать дифрагированное поле в виде ческая волна являлась частотно-модулированным сигнанескольких близко расположенных в угловом простран- лом, угловая частота которой (t) в момент времени t стве лучей. Принципиальным требованием при этом записывается в виде известного выражения является то, чтобы такое формирование происходило (t) =0 + m sin t, (1) бы без существенных потерь световой энергии, иными словами, чтобы при преобразовании единственного дигде 0 — центральное значение частоты, m —макфракционного брэгговского порядка в несколько лучей симальная величина отклонения (девиации) частоты от их суммарная мощность не уменьшалась. В частности, центрального значения, — угловая частота модулирутакая необходимость возникает в системах термического ющего сигнала.

нанесения изображения мощным лазерным излучением, Соответственно для частот в герцах 0 = 2 f, когда непосредственно в процессе записи изображения m = 2 f, = 3F. Тогда индекс частотной моm необходимо модифицировать распределение энергии в световом пятне на обрабатываемом материале [1].

Отметим, что при решении такой задачи очевидным методом — возбуждением в АО среде нескольких близких по частоте акустических волн возникают принципиальные ограничения суммарной мощности в дифракционных порядках. Эти ограничения связаны с „откачкой“ световой мощности в интермодуляционные порядки. Так, в известной работе [2] установлено, что если в звукопровод АО модулятора вводятся две независимые близкие по частотам акустические волны, то максимальная эффективность дифракции двух близко расположенных по углам дифракционных порядков не может превышать 68%.

В данной работе сообщается об обнаруженных особенностях АО взаимодействия, проявляющихся в расщеплении брэгговского порядка дифракции без потерь оптической мощности, что в большей мере решает поставленную техническую задачу.

Условия эксперимента показаны на рис. 1. Здесь через Рис. 1. Соотношения размеров светового пучка и периода АО модулятор 1 с пьезопреобразователем 2 проходит изменения частоты звуковой волны.

Угловое расщепление брэгговского дифракционного порядка в акустооптическом модуляторе... При низких частотах модулирующей функции, когда T > d, происходит хорошо известное в АО сканирование брэгговского луча вокруг центрального положения с частотой F [3]. Увеличение величины F приводит к уменьшению амплитуды сканирования, и при достижении величины Fk, соответствующей равенству T = d (в нашем случае Fk 1mHz), сканирование прекращается. С повышением частоты F выше этого значения наблюдается появление двух боковых дифракционных порядков вокруг центрального луча, интенсивность которых пропорциональна индексу частотной модуляции.

Рис. 2. Экспериментальная установка.

Эту ситуацию демонстрирует рис. 4, полученный при F = 1.1 MHz и индексе модуляции M = 1.5. Видно расщепление луча на дополнительных два, причем наблюдается интерференционная картина на частоте F между максимумами центрального и боковых дифракционных порядков (в силу их пересечения).

По достижении значения Fd боковые лучи вырождаются в самостоятельные, отдельно отстоящие дифракционные порядки (в условиях эксперимента: Fd 1.4MHz), интерференционная картина исчезает. Рис. 5 показывает осциллограмму сигнала с фотоприемника при частоте F = 2MHz (что соответствует T = d/2 = 0.3mm). При этом на световом пятне „укладывалось“ около двух периодов модулирующей функции. Показательно, что если сложить интенсивности трех образовавшихся лучей, то их суммарная интенсивность составит примерно 90% от интенсивности луча без модуляции. Следовательно, практически вся световая энергия отклоняется в эти Рис. 3. Угловой спектр брэгговского порядка дифракции в три дифракционных максимума. Дальнейшее повышение отсутствие модуляции.

величины M приводит к подавлению основного дифракдуляции M = f /F. Для пространственного периода ционного порядка и образованию дополнительных лучей.

m модулирующей функции T можно записать: T = v/F.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2.

Здесь луч лазера 1 поступает на брэгговскую ячейку 2, дифрагированное излучение с выхода которой направляется на сканирующее по углу зеркало 3. После зеркала свет поступает на линзу 4, в фокальной плоскости которой установлены диафрагма 5 и фотоприемник 6. Такая система позволяла получать временную развертку углового спектра дифрагирован ного излучения. В качестве АО среды использовался монокристалл TeO2 в режиме анизотропной дифракции на медленной акустической волне (скорость звуковой Рис. 4. Дифрагированное поле при F = 1.1MHz, f = m волны v = 0.617 · 106 mm/s). Использовался волоконный = 1.65 MHz и M = 1.5.

одномодовый лазер на длине волны = 1.06 µm с линейной поляризацией и апертурой светового пятна в зоне АО взаимодействия d = 0.6mm (расходимость луча порядка 2 mrad). Центральная частота звука в АО модуляторе была равна f = 34 MHz. Частота модулирующей функции F менялась от нуля до 2 MHz, а величина девиации — до 3 MHz.

На рис. 3 приведена осциллограмма сигнала с фотоприемника в отсутствие модуляции. Здесь и далее одна большая клетка экрана по горизонтали соответствует 1.4 mrad. Мощность акустической волны во всех экспериментах была постоянной и обеспечивала эффекРис. 5. Дифрагированное поле при F = 1.1MHz, f = m тивность дифракции без модуляции не менее 95%.

= 1.65 MHz и M = 1.5.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 124 С.Н. Антонов появлению дифракционных порядков, соответствующих спектральным компонентам звуковой волны. Важно, что эти дифракционные порядки имеют постоянную амплитуду, их суммарная мощность примерно равна мощности основного порядка (без модуляции), а количество возникающих лучей определяется глубиной частотной модуляции (индексом модуляции).

Примечатально отсутствие существенных эффектов интермодуляции. Так, в экспериментальных условиях, соответствующих рис. 5 (максимальная эффективность трех, отдельных дифракционных лучей), интенсивность максимумов, возникающих вблизи нулевого порядка, не превышала 3-5% от суммарной интенсивности дифракционных максимумов.

Формулируя выводы работы, можно сказать, что в Рис. 6. Расчетный спектр электрического сигнала.

условиях, когда T < d, происходит расщепление дифрагированного луча на несколько, причем угловое расстояние между ними определяется очевидным соотношением sin = F/v. (2) Используя (2) и то, что полная расходимость лазерного луча дается выражением = 4/d, запишем значение величины модулирующей функции, при которой возникающие боковые лучи полностью разделились с первоначальным лучом (с учетом малости углов) Fd = 4v/d. (3) Отметим, что экспериментально зафиксированная величина Fd = 1.4 MHz, хорошо соответствует расчетному значению.

Обнаруженный эффект, с одной стороны, безусловно, полезен при практических применениях и, по мнению Рис. 7. Спектр сигнала, подводимого к пьезопреобразователю.

автора, может представлять интерес для теоретиков в Большая клетка по горизонтали соответствует 1 MHz, по вертикали — 5 dB. плане как более глубокого изучения, так и для оптимизации к различным применениям. При этом надо учитывать тот факт, что получить точное аналитическое Для интерпретации наблюдаемой картины рассмотвыражение, описывающее данный режим АО взаимодейрим частотные спектры частотно-модулированного сигствия (с учетом большой эффективности дифракции), нала, соответствующие (1). При малых индексах мовесьма сложно.

дуляции спектр такого сигнала мало отличается от АО модуляторы на базе описанного взаимодействия спектра амплитудно-модулированного сигнала и состоит использовались в лазерных системах записи изображеиз центральной компоненты большой интенсивности ний для изготовления флексографических форм, фотои двух боковых малой интенсивности. Специфические шаблонов, лазерной маркировки (НПЦ „Альфа“, Москособенности возникают при значениях M, близких и ва, http//www.alphalaser.ru).

более 1. На рис. 5 приведен расчетный спектр, соответствующий сигналу для рис. 5. Здесь I — относительная Автор выражает признательность В.И. Миргородскоинтенсивность спектральных компонент, f — частому за помощь в математическом моделировании спектта. Видно, что расстояние между компонентами равно ров сигналов.

частоте модулирующей функции F = 2 MHz, причем, интенсивности двух первых боковых компонент равны Список литературы интенсивности центральной компоненты (на частоте f = 34 MHz), а следующие (на частотах 30 и 38 MHz) [1] Антонов С.Н., Миргородский В.И. // ЖТФ. 2004. Т. 74.

подавлены на 9 dB. Рис. 7 показывает спектр сигнала Вып. 1. С. 84–86.

данной экспериментальной ситуации, измеренный с по[2] Hecht D. // IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics. 1977.

мощью анализатора спектра. Видно достаточно хорошее Vol. SU-24. N1. P. 7–18.

соответствие расчета и измерений.

[3] Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства Таким образом, быстрое и неоднократное по свеи их применения. М., 1978. 112 с.

товой апертуре изменение частоты звука приводит к Журнал технической физики, 2005, том 75, вып.




© 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.