Введение к работе
Актуальность темы
Углубление познаний в области взаимодействия волновых полей различной физической природы позволяет сегодня решать широкий спектр фундаментальных научных и научно-прикладных проблем. Отдельный класс физических задач связан с формированием и использованием управляемых высокочастотных; (ВЧ) и сверхвысокочастотпых (СВЧ) волновых полей, генерируемых системами акустических излучающих элементов. Решите этих задач может найти применение для развития и обобщения современных методов
спектральных и временных преобразований радиосигналов в радиоастрономии,
радиолокации, акустической микроскопии, телекоммуникации, а также целом
ряде других областей науки и техники.
Прогресс в развитии современных средств обработки информации в значительной мере связан с достижениями в области высокочастотной акустики и акустооптики. Физические принципы, заложенные в акустоопгическом взаимодействии н используемые для спектральных и временных преобразований радиосигналов, позволяют решать широкий спектр физических и научно-прикладных задач. Последнее обстоятельство обуславливает повышенный интерес исследователей к этой области науки. Акустооптические (АО) методы обработки информации позволяют сегодня создавать высокопроизводительные гибридные акустооптоэлектронные комплексы, работающие в реальном масштабе времени. Уникальные возможности, получаемые от использования акустооптических методов, делают их практически не заменимыми при решении целого ряда научных и прикладных задач. При этом актуальной является
проблема продвижения в высокочастотную часть СВЧ диапазона, где возможна
реализация широкополосных спектральных и временных преобразований
. радиосигналов в реальном времени. В этой связи интересным представляется поиск путей расширения полосы частот АО взаимодействия на основе формирования управляемых акустических полей системами акустических излучателей. Несмотря на большое количество как отечественных, так и зарубежных работ по акустооптике, на начало соответствующих изысканий в настоящей диссертации, практически отсутствовали публикации, касающиеся реализации АО взаимодействия на частотах, выше 6 ГГц. Последнее обстоятельство стимулировало исследования особенностей акустооптического взаимодействия в коротковолновой части СВЧ диапазона радиоволн.
Другое интересное и перспективное паправление научных исследований, связанных с формированием управляемых акустических полей системами излучателей, касается восстановления трехмерных голографических изображений акустооптаческими методами. Один из подходов в решении этой задачи основан на использовании в качестве голограммы - сложного акустического поля, электронно управляемого и формируемого решеткой акустических излучателей (акустической динамической голограммы). Однако, развитие этого подхода требует сегодня анализа вопросов, связанных с возможностями создания реальных систем восстановления голографического движущегося оптического изображения, например, брэгговского
акустооггтического взаимодействия, с учетом динамики формируемого сложного управляемого акустического поля, затухания звуковых волн в известных материалах, возможных для такого применения, создания алгоритмов преобразования цифровой иш аналоговой информации, поступающей на акустические излучатели - в акустическое поле и др.
Таким образом, к началу выполнения настоящей диссертационной работы, . многие вопросы, касающиеся формирования сложных управляемых акустических полей для спектральных и временных преобразований радиосигналов, оказались не исследованными.
Цель Работы
Целью настоящей диссертационной работы являлось развитие нового научного направления, связанного с разработкой принципов формирования сложных управляемых акустических полей для спектральных и временных преобразований радиосигналов, акустической микроскопии и телекоммуникации.
В рамках этого направления решались задачи:
построение методов формирования управляемых акустических полей для реализации сверхвысокочастогного широкополосного акустооптического взаимодействия, на основе разработанных многоэлементных пьезоэлектрических излучающих структур, а также для реконструкции движущегося объемного голографического изображения;
исследование основных закономерностей акустооптического взаимодействия в кристаллах арсенида галлия и фосфида индия в условиях, близких условиям «акустооптического резонанса»;
исследование возможностей формирования коротких акустических импульсов, на основе анализа переходных и импульсных характеристик акустических приемно-излучающих элементов;
изучение особенностей акустооптического взаимодействия в коротковолновой части СВЧ диапазона, а также исследование с этой целью затухания упругих волн в кристаллах нисбата лития Х-среза в диапазоне частот 7.5 - 10.5 ГГц.
Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту
-
Расширение полосы частот акустооптического взаимодействия возможно при формировании сложных акустических полей системой излучающих пьезоэлектрических элементов, для которых шаг структуры, толщины слоев, а также акустическая мощность вдоль длины этой системы, изменяются по определенным законам. При вариациях частоты происходит автоматическое перемещение области, возбуждающей акустическое поле, а само ноле претерпевает изменение пространственного распределения, приводящее к точному выполнению условия Брэгга в заданной полосе частот.
-
Генерация акустического поля многоэлементными электроакустическими пьезопреобразователямя при специальной геометрии акустооптического взаимодействия позволяет реализовать в кристаллах ниобата лития
широкополосную (ЗГГц) и эффективную (один процент на один ватт СВЧ мощности) дифракцию света на акустических волнах на частотах до 10.5 ГГц.
-
При акустооптическом взаимодействии в кристаллах арсенида галлия и фосфида индия, максимум дифракционной эффективности, обусловленный нелинейным изменением свойств полупроводниковых кристаллов вблизи границы оптического пропускания, претерпевает смещение по длине волны падающего света при изменении протяженности акустооптического взаимодействия. Максимум дифракционной эффективности более критичен к изменению длины волны падающего света для кристалла арсенида галлия относительно кристалла фосфида индия.
-
Акустическое поле, возбуждаемое линейкой излучателей объемных акустических волн, обладает свойствами акустической динамической голограммы. На основе такой голограммы возможно восстановление электронно-управляемого движущегося объемного топографического оптического изображения, в реальном времени.
-
При дифракции света с гауссовым распределением интенсивности по сечению пучка на сильно затухающих акустических волнах, форма светового пучка в дальней зопе, зависит от величины акустического затухания. Для каждого значения коэффициента акустического затухания существуют оптимальные, с точки зрения достижения максимальных частотного разрешения и эффективности акустооптического взаимодействия: в случае гауссового светового лучка - расстояние от плоскости преобразователя до координаты, соответствующей максимуму интенсивности в световом пучке; а в случае пучка с прямоугольным распределением - значение апертуры светового пучка.
-
Результаты исследования переходных н импульсных характеристик акустических приемно-излучающих элементов, предназначенных для построения акустических изображений.
Достоверность результатов, полученных в диссертации подтверждается:
В экспериментальных исследованиях - использованием апробированных, физически обосноваїшьк современных методик и приборов, тщательностью выполненных исследований, согласием результатов измерений с теоретическими результатами, созданием на основе развитых теоретических моделей действующих лабораторных макетов эффективных и широкополосных СВЧ акустооптических дефлекторов. Ошибки в измерении акустического затухания составили не более 2 %; в измерении эффективности АО взаимодействия - не более 1 %.
Полученные в диссертации теоретические результаты и расчетные дашше подтверждаются: - использованием известных уравнений и методов физической акустики,
оптики, акустоопгаки;
- количественным согласием с экспериментальными данными в пределах погрешности измерений;
Степень научной новизны и значимости
Научная новизна работы определяется тем, что в ней:
Показано, что полоса частот акустооптического взаимодействия может быть увеличена путем формирования управляемых акустических полей с помощью шюгоэлементных излучающих структур с переменными параметрами от элемента - к элементу: шагом, акустической мощностью, толщиной слоев пьезоэлемента.
Показано, что ігри дифракции света с гауссовым распределением интенсивности по сечению пучка на сильно затухающих акустических волнах, форма светового пучка в дальней зояе, зависит от величины акустического затухания. Показано также, что для каждого значения коэффициента акустического затухания существуют оптимальные, с точки зрения достижения максимальных частотного разрешения и эффективности акустооптического взаимодействия.: в случае гауссового светового пучка -расстояние от плоскости преобразователя до координаты, соответствующей максимуму интенсивности в световой! пучке; а в случае пучка с прямоугольным распределением - значение апертуры светового пучка.
Впервые экспериментально реализовано и исследовано акустооптическое взаимодействие в кристаллах ниобата лития Х-среза на частотах около 10 ГТц. Впервые измерено акустооптическим методом затухание продольных упругих волн в кристаллах ниобата лития Х-среза на частотах от 8.5 до 10.5 ГГц.
Показало, что максимум дифракционной эффективности, обусловленный нелинейным изменением свойств полупроводниковых кристаллов вблизи границы оптического пропускания, претерпевает смещение по длине волны падающего света при изменении протяженности акустооптического взаимодействия и что максимум дифракционной эффективности более критичен к изменению длины волны падающего света для кристалла арсенида галлия относительно кристалла фосфида индия. Найдены условия оптимизации геометрии резонансного акустооптического взаимодействия, приводящие к увеличению дифракционной эффективности.
Предложены новые решения по созданию мнотоэлементных электроакустических преобразователей, обеспечивающих автоподстройку звукового пучка в пшрокой полосе частот в брэгговских акустооптических устройствах, что подтверждено соответствующими авторскими свидетельствами, патентами и полезными моделями РФ.
Предложена новая архитектура восстановления движущегося объемного оптического изображения, зарегистрированного на динамической акустической голограмме, формируемой решеткой излучателей объемных
акустических волн. На соответствующее изобретеїше получены патент РФ и два свидетельства на полезные модели.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Исследованное акустооптическос взаимодействие в кристаллах ииобата лития на частотах около 10 ГГц и созданные действующие эффективные (один процент на один ватт подводимой ЭМ мощности) и широкополосные (ЗГГц) акустоопгические брэгговские ячейки показывают возможность практического применения этих ячеек в широком классе систем оптической обработки информации.
-
Результаты исследования резонансного акустооптического взаимодействия могут найти применение в усовершенствовании систем телекоммуїшющии, что подтверждено Протоколом об использовании результатов работы в компании France Telecom.
-
Предложенная архитектура восстановления движущегося объемного изображения, зарегистрированного на динамической акустической голограмме, формируемой решеткой излучателей объемных акустических волн, может явиться основой для дальнейшего развития нового научного направления, связанного с созданием систем передачи и реконструкции двгокущегося объемного голографического изображения.
-
Разработанные акустические объективы для акустической микроскопии и оптоакустики являются конкурентоспособными в сравнении с мировыми аналогами, что подтверждено Актом Внедрения этих объективов в Институте биохимической физики РАН, а также Introduction Protocol университета г. Виндзор, Канада.
Личный вклад автора заключается в выборе направлений исследований, формулировке и постановке задач; большинство представленных в диссертации результатов получено впервые автором, под его руководством или при его непосредственном участии.
Публикации и апробация работы
Основные материалы диссертации представлены в 60 публикациях,
приведенных в списке цитируемой литературы под номерами 101-160 и
помеченных знаком (*), а также доложены и обсуждены на X, XII, XIII
Всесоюзных конференциях по квантовой акустике (физической акустике
твердого тела) и акустоэлектрошгке, (Ташкент, 1978; Саратов, 1983; Черновцы,
1986; Ленинград, 1991.); Краткосрочном семинаре «Применение
акустооптических устройств в промышленности», (Ленинград, 1984); Всесоюзной конференции "Измерительные комплексы и системы", ТИАСУР, (Томск, 1981 ); Всесоюзной конференции по оптической обработке информации, (Ленинград, 1983); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Акустика в физике и технике" (Ленинград, 1989); 7-й научно-практической конференции по Электронике СВЧ (Саратов, 1989); 2-й Всесоюзной конференции по оптической обработке информации, (Фрунзе, 1990); School-Seminar «Acoustooptics: Research
and Development», (Leningrad. 1990); International CLEO conference, (Baltimore, Maryland, USA , 1991); Научном семинаре в университете Джонса Гопкинса (Мэрилэнд, Балтимор, США); Научном семинаре в Левепском Католическом университете (г.Коргрэйк, Бельгия, 1991); Международной конференции «Optical Information Processing» (Санкт-Петербург, 1993); Научном семинаре в компании «Франс-Телеком», (Париж, 1993); Ultrasonics International'93 (Vienna, Austria, 1993); International Symposium on Surface waves in solids and layered structures and National conference on Acoustoelectronics, (Moscow-St.Petersburg ,1994); Spring School on Acousto-optics, (Jurata, Poland, 1995); World Symposium on Ultrasonics, (Berlin, Germany, 1995); Научном семинаре в компании «Томсоы Микросоникс», (Каші, Франция, 1995); Advances in Acoustoopttcs'96. 10-tli topical meeting of the European Optical Society, (France Telecom CNET, Paris, France, 1996); International Symposium on Optical Information Processing, (St.Petersburg, 1996); International Symposium "Acoustoelectronics Frequency Control and Singal Generation", (Moscow, 1996); Acoustooptical Club, (St.Petersburg, 1997); Международной Школе-Симпозиуме по Когерентной Оптике и Голографии, (Ярославль, 1997); Школе по Оптике, Лазерной физике и Оптоэлекгроцике, ( Саратов, 1997); AeroSense'98, International Exhibition, (Orlando, USA, 1998).
Структура и объем диссертации
