Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 15
1.1 Акустооптическое взаимодействие в анизотропной среде 15
1.2 Уравнение связанных мод при дифракции Брэгга в анизотропной среде 19
1.3 Широкоапертурная геометрия акустооптического взаимодействия 23
Выводы к главе 1 31
ГЛАВА 2 32
2.1 Основные характеристики широкоапертурных акустооптических фильтров 33
2.2 Широкоапертурные фильтры с геометрией взаимодействия вдали от оптической оси кристалла парателлурита 39
2.3 Общее сравнение характеристик двух типов широкоапертурных фильтров 47
2.4 Экспериментальное исследование фильтров с геометрией взаимодействия вдали от оси кристалла. 51
Выводы к главе 2 55
ГЛАВА 3 56
3.1 Дисперсия показателя преломления кристалла парателлурита . 56
3.2 Компенсация продольных смещений изображения с помощью рассеивающей линзы 60
3.3 Влияние дисперсии показателя преломления кристалла на работу акустооптических фильтров неполяризованного света 64
Выводы к главе 3. 71
ГЛАВА 4 72
4.1 Характеристики кристалла KDP 72
4.2 Экспериментальное исследование передаточной функции акустооптической ячейки на основе кристалла KDP 74
4.3 Зависимость дрейфа частоты брэгговского синхронизма от температуры 79
4.4. Изменение формы передаточной функции акустооптической ячейки 85
Выводы к главе 4. 93
ГЛАВА 5 94
5.1 Акустические и фотоупругие свойства кристалла KDP 94
5.2 Экспериментальное исследование акустооптического качества кристалла KDP 97
5.3 Влияние пьезоэлектрического эффекта на индикатрису кристалла KDP 105
Выводы к главе 5. 111
Выводы к диссертации. 112
Литература 113
- Широкоапертурная геометрия акустооптического взаимодействия
- Общее сравнение характеристик двух типов широкоапертурных фильтров
- Влияние дисперсии показателя преломления кристалла на работу акустооптических фильтров неполяризованного света
- Влияние пьезоэлектрического эффекта на индикатрису кристалла KDP
Введение к работе
Актуальность
Тематика данной диссертационной работы относится к области акустооптики.
Акустооптическое (АО) взаимодействие основано на явлении дифракции световых потоков на фазовых дифракционных решетках, созданных упругими волнами в различных средах. До открытия лазеров рассеяние света на ультразвуке было предметом исследования только академической науки. Однако с середины 60-х годов, когда впервые на основе АО эффекта были созданы лазерные дефлекторы и модуляторы, и по сей день АО динамично развивается и находит все большее применение в широких разделах науки и техники. В настоящее время существует множество АО приборов, позволяющих управлять интенсивностью, поляризацией, частотой, фазой и направлением распространения оптического излучения. Кроме того, АО методы позволяют контролировать основные параметры световых пучков, формирующих изображения. Большинство материалов, применяемых в современной АО, являются одноосными кристаллами. В подобных анизотропных, как оптически, так и акустически, средах специальная геометрия АО взаимодействия позволяет осуществлять пространственную и спектральную фильтрацию световых пучков наиболее эффективно [1-5]. Одной из важных задач современной оптики, оптоэлектроники и АО является обработка неколлимированных световых потоков, формирующих изображение. Эта обработка или фильтрация оптического излучения осуществляется в узком диапазоне АХ длин волн света X при одновременном обеспечении высокого быстродействия по сравнению с классическими устройствами. Существует два класса АО фильтров, различающиеся между собой пространственной ориентацией волновых векторов света и ультразвука. Первый класс - это коллинеарные и квазиколлинеарные АО фильтры. В данном случае волновые векторы падающего света и ультразвука параллельны или пространственно близки друг другу. Такие устройства, благодаря большой области взаимодействия света и звука, имеют узкую полосу
пропускания и большое спектральное разрешение R = А/АА>10 . К сожалению, квазиколлинеарные фильтры, как правило, имеют малую угловую апертуру и, как следствие, используют хорошо коллимированные световые потоки [6-7].
Второй класс - это широкоапертурные АО фильтры. При таком типе АО взаимодействия касательные к волновым векторам падающего и дифрагированного света на сечении волновой поверхности параллельны друг другу. Разрешающая способность таких устройств ниже, чем у коллинеарных, из-за того, что размер области взаимодействия света и звука в данном случае определяется размером пьезопреобразователя, который меньше длины кристалла вдоль направления распространения звука. Однако, данная геометрия позволяет
работать со сходящимися и расходящимися световыми потоками, и, как следствие,
осуществлять спектральную фильтрацию изображений. Преимущество широкоапертурной геометрии АО взаимодействия состоит в том, что угол разведения падающего и дифрагированного света существенно больше, чем в квазиколлинеарной геометрии взаимодействия. Это позволят разделять свет ненулевого и первого порядка на выходе фильтров даже без использования селекторов поляризации [6-7].
В настоящее время при создании большинства АО приборов используют двулучепреломляющий кристалл парателлурита. Благодаря своим уникальным акустическим и АО свойствам этот одноосный кристалл позволяет наблюдать интенсивную дифракцию. Данный материал наиболее часто используют в АО фильтрах, при этом можно реализовать как широкоапертурные, так и квазиколлинеарные фильтры. В настоящее время в литературе подробно описаны широкоапертурные АО фильтры на кристалле парателлурита, которые работают с малыми углами падения света относительно волнового фронта ультразвука (<370) и оптической оси материала при сравнительно низких частотах ультразвука. Однако, в АО известно, что широкоапертурная дифракция может быть реализована и при более высоких акустических частотах, а также углах падения света, близких к 900. Вместе с тем, оказалось, что в настоящее время высокочастотная широкоапертурная дифракция исследована недостаточно полно, а возможность её применения в АО фильтрах рассматривалась лишь в одной или двух работах [8]. Поэтому данный пробел ликвидирует исследование, проведенное в предлагаемой диссертационной работе.
Хорошо известно, что парателлурит прозрачен в видимом и инфракрасном диапазоне, поэтому некоторые задачи АО не могут быть решены с помощью данного кристалла. Например, до сих пор не решена задача АО фильтрации оптических сигналов ультрафиолетового или среднего и дальнего ИК диапазонов. Оказалось, что для фильтрации оптических потоков в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра можно использовать кристалл KDP. Анализ научной литературы показывает, что список работ по АО обработке изображений в ультрафиолетовом диапазоне крайне ограничен [9-13]. Оказалось, что характеристики фильтров на кристалле KDP существенно уступают характеристикам приборов на кристалле парателлурита. Был выявлен главный недостаток кристалла KDP при его использовании в АО, он заключается в низком АО качестве материала. Из-за малого значения АО качества к кристаллу KDP приходится прикладывать большие управляющие мощности, что приводит к разогреву материала и, как следствие, многим негативным эффектам. Таким образом, определение коэффициента АО качества кристалла и отыскание оптимальной геометрии АО взаимодействия с высокой эффективностью дифракции является важной и актуальной задачей современной прикладной АО.
Цели и задачи работы
Цели диссертационной работы состояли в теоретическом и экспериментальном
исследовании различных аспектов широкоапертурной геометрии АО взаимодействия в оптически и акустически анизотропных средах. При этом необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать закономерности широкоапертурной анизотропной дифракции света на ультразвуке в одноосных кристаллах вдали от оптической оси двулучепреломляющего материала.
-
Провести сравнительный анализ геометрии АО взаимодействия вдали от оптической оси кристалла с известной приосевой геометрией широкоапертурного взаимодействия.
-
Изучить влияние дисперсии показателей преломления материала АО ячейки на характеристики АО фильтров анализа изображений, а также фильтров, работающих с неполяризованным светом.
-
Теоретически и экспериментально исследовать влияние градиента температур в кристалле KDP на аппаратную функцию пропускания АО фильтра.
5. Исследовать фотоупругие и акустооптические свойства кристалла KDP для
выбора оптимальной геометрии АО взаимодействия в устройствах фильтрации УФ
диапазона.
Научная новизна
1. В работе подробно исследована широкоапертурная геометрия АО
взаимодействия вдали от оптической оси одноосных кристаллов. Показаны преимущества и недостатки данной геометрии взаимодействия по сравнению с известной приосевой геометрией АО взаимодействия.
-
Впервые подробно исследовано влияние дисперсии показателя преломления материала на работу АО фильтров неполяризованного света при одновременной дифракции света в ±1 дифракционные порядки. Показано, что изменение длины волны света приводит к сдвигу значения угла Брэгга, достигающему трети допустимой угловой апертуры фильтра.
-
Впервые проведен анализ влияния распределения температуры по объему кристалла KDP на основные параметры АО видеофильтра ультрафиолетового диапазона электромагнитных волн. Доказано негативное влияние разогрева кристалла акустической мощностью на эффективность дифракции и частоту брэгговского синхронизма центральной длины волны пропускания фильтра.
4. Обнаружено уменьшение эффективности дифракции в широкоапертурном фильтре на кристалле KDP из-за экранирующего влияния пьезоэлектрического и электрооптического эффектов.
Практическая значимость работы
Практическая значимость поведенных исследований заключается в выдаче
рекомендаций при разработке новых модификаций перестраиваемых АО фильтров для анализа изображений, в которых дифракции реализуется вдали от оптической оси кристалла.
Указана необходимость компенсации и дополнительной юстировки
широкоапертурного фильтра с одновременной дифракцией в ±1 дифракционные порядки при изменении длины падающего излучения из-за дисперсии показателей преломления материала.
Экспериментально доказана необходимость равномерного разогрева кристалла KDP для уменьшения температурных градиентов, негативно влияющих на коэффициент пропускания и ширину полосы длин волн АО фильтра.
При разработке АО фильтров ультрафиолетового диапазона на основе кристалла KDP необходимо учитывать экранирующее влияние пьезоэлектрического и электрооптического эффектов, которые могут привести к заметному снижению эффективности дифракции по сравнению со значением, предсказанным теорией.
Основные положения, выносимые на защиту
1. В одноосных кристаллах реализуется широкоапертурный режим АО взаимодействия
при распространении света вдали от оптической оси кристалла. Данный режим характеризуется более узкой спектральной полосой пропускания устройства фильтрации и большим числом пространственно разрешимых элементов, однако, меньшей угловой апертурой фильтра по сравнению с классическими устройствами.
-
Дисперсия показателей преломления кристалла заметно влияет на работу АО фильтра при одновременной дифракции света в ±1 дифракционные порядки. Изменение длины волны падающего излучения в видимом диапазоне волн электромагнитного спектра приводит к нежелательным вариациям угла Брэгга, достигающим трети от общей угловой апертуры устройства фильтрации.
-
Нагрев кристалла управляющей электрической и акустической мощностью приводит к эффекту насыщения коэффициента пропускания и расширению спектральной полосы пропускания фильтра на кристалле KDP. Сдвиг частоты брэгговского синхронизма центральной длины пропускания при управляющей мощности 3 Вт троекратно превышает ширину полосы пропускания фильтра.
4. Эффективность АО взаимодействия в широкоапертурном фильтре на кристалле KDP
уменьшается из-за экранирующего влияния пьезоэлектрического и
электрооптического эффектов.
Апробация работы
По материалам диссертационной работы автором были сделаны доклады на
следующих российских и международных конференциях:
«Ломоносов 2010» (Москва, Россия, 2010), VII Международная конференция молодых
ученых и специалистов «Оптика 2011» (Санкт-Петербург, Россия, 2011), XII Всероссийская
Школа-семинар “Физика и применение микроволн” (Звенигород, Россия, 2011), XIII
Всероссийская Школа-семинар “Волновые явления в неоднородных средах” (Звенигород,
Россия, 2012), 21-st Annual Student Conference “Week of Doctoral Students 2012” (Прага,
Чехия, 2012), International Conference of Young Researchers “Wave Electronics and Its
Application in Information and Telecommunication Systems” (Санкт-Петербург, Россия, 2013),
XIV Всероссийская Школа “Волновые явления в неоднородных средах” (Можайск, Россия,
2013), 14-th School of Acousto-Optics and Its Application (Друскининкай, Литва, 2014),
International Conference “Optics 2014” (Санкт-Петербург, Россия, 2014), International Congress
of Ultrasound (Мец, Франция, 2015), XV Всероссийская Школа-семинар “Физика и
Применение Микроволн” им. А.П. Сухорукова (Можайск, Россия, 2015), IEEE International Ultrasonics Symposium 2016 (Тур, Франция, 2016), (Красновидово, Россия 2016).
Материалы диссертационной работы были представлены на научных семинарах имени академика В.В. Мигулина кафедры физики колебаний физического факультета МГУ и семинарах имени профессора В.Н. Парыгина группы АО и оптической обработки информации. Также работа автора была поддержана грантом для молодых ученных РФФИ мол-а № 14-02-31184.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ, в том числе
7 статей в отечественных и зарубежных научных журналах из списка ВАК, 8 статей в сборниках конференций, а также 5 тезисов докладов на семинарах, конференциях и симпозиумах. Перечень публикаций автора приведен в отдельном списке работ автора в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Данная работа состоит из введения, пяти глав текста, заключения списка цитируемой
литературы и списка авторских публикаций. Объем работы состоит 125 страниц, 46 рисунков и 4 таблиц. Список литературы включает 122 работ, из них 20 работ автора.
Широкоапертурная геометрия акустооптического взаимодействия
На основе неколлинеарного акустооптического взаимодействия света и ультразвука в анизотропных средах создаются фильтры, с помощью которых реализуется фильтрация оптических изображений [40,48, 51-54]. Очевидно, что подобный фильтр должен обеспечивать работу со световыми пучками, имеющими широкую угловую апертуру. С точки зрения акустооптического взаимодействия это соответствует режимам дифракции, при которых её эффективность слабо чувствительна к изменениям угла падения света i. Анализ выражения (1.16) и рисунка 1.4 показывает, что при определенных углах среза кристалла зависимость частоты ультразвука от угла Брэгга имеет локальные минимумы и максимумы. Условие нахождения локального экстремума записывается следующим равенством: . (1.20)
Отличительной особенности дифракции света в данном случае является то, что на векторной диаграмме касательные к волновым векторам падающего и дифрагированного света являются параллельными, что в свою очередь означает совпадение направления групповых скоростей падающего и дифрагированного пучков [10,17,20].
Оказывается, что в одноосных кристаллах широкоапертурную дифракцию можно наблюдать лишь при углах среза кристалла, не превышающих некоторое значение оптимального угла аопт_ Величина оптимального угла различна для разных кристаллов и зависит от величины двулучепреломления материала [46]. Для кристалла парателлурита а-опт=18,90 [55], а для кристалла KDP опт=18,70 [43]. а b
x Зависимость угла Брэгга от акустической частоты в парателлурите для обыкновенно (красная кривая) и необыкновенно (синяя кривая) поляризованного света с длиной волны 633 нм и при угле среза кристалла =100. При значении угла среза меньше оптимального существуют два различных значения угла i, которые, как показано на рис 1.5, соответствуют двум разным значениям максимума и минимума функции f(i) [53]. При достижении углом среза оптимального значения два экстремума сливаются в один, а зависимость f(i) становится кубической, образуя сверхширокоапертурное взаимодействие [54]. Анализ показал, что низкочастотная геометрия широкоапертурного взаимодействия достаточно полно изучена, в то время как работ по изучению высокочастотной геометрии недостаточно [56, 57]. Поэтому одной из задач данной диссертационной работы являлось исследование широкоапертурной геометрии взаимодействия при распространении света вдали от оптической оси кристалла парателлурита. Также при работе над диссертацией предстояло выявить преимущества и недостатки новой геометрии по сравнению с известной геометрией широкоапертурного взаимодействия. В оптических анизотропных средах условия фазового синхронизма зависят от поляризации падающей волны [55]. Следовательно, при заданной частоте ультразвука углы Брэгга для обыкновенной и необыкновенной поляризаций света различны. Однако, существует геометрия акустооптического взаимодействия, при которой возможно осуществить рассеяние света в +1 и -1 порядки одновременно на одной и той же частоте ультразвука [58-60]. На рисунке 1.6 данная геометрия реализуется вблизи области, где пересекаются ветви зависимости f(i) для различных поляризаций света. При оптимальном угле среза угловая апертура такого взаимодействия становится максимально широкой [55,61,62].
Одновременная дифракция света в +1 и -1 порядки также возможна при величине угла среза кристалла меньше оптимального. Такая геометрия акустооптического взаимодействия находит свое применение в задачах спектрально-поляризационного анализа изображений, так как обеспечивает большую угловую апертуру из-за достаточной близости к широкоапертурной геометрии взаимодействия [55,62-67].
Векторная диаграмма дифракции неполяризованного света представлена на рисунке 1.7. Если на акустооптическую ячейку падает произвольно поляризованный свет, то в кристалле он распадается на две независимые оптические моды с различными фазовыми скоростями и ортогональными поляризациями. При соблюдении условия фазового синхронизма для одной поляризации для +1 порядка, а для другой для -1 порядка дифракции реализуется интересующий режим взаимодействия. Эффективность дифракции в обоих порядках одинакова, это означает, что поляризация света на выходе нулевого акустооптической ячейки остается такой же, как и входная поляризация излучения [63].
Несмотря на то, что режим дифракции на рисунке 1.7 известен достаточно давно, его применение было затруднено по ряду причин. Анализу данных причин также посвящен один из разделов данной диссертационной работы.
Общее сравнение характеристик двух типов широкоапертурных фильтров
Исследование углочастотных характеристик при широкоугольном акустооптическом взаимодействии проводилось на установке, блок-схема которой изображена на рисунке 2.9. В качестве источника оптического излучения был выбран He-Ne лазер с длиной волны излучения 1=633 нм. При проведении измерений использовался дополнительный лазер , длина волны которого составляла 2=532 нм. Луч от лазера (1) проходил через диафрагму (2), поляризатор (3), фазовращательную пластинку /2 (4) (так как измерения проводились как для обыкновенной, так и для необыкновенной волны) и поступал на акустооптическую ячейку (5), установленную на поворотном столе. Вращая юстировочный стол, можно было изменять угол падения света на исследуемый фильтр. На пьезопреобразователь поступал высокочастотный гармонический сигнал, промодулированный импульсным генератором (9), который возбуждал акустическую волну. Для контроля параметров акустического сигнала использовался частотомер. Дифрагированный свет проходил через анализатор (6) и детектировался при помощи фотоэлектронного умножителя (7), сигнал с которого поступал на осциллограф (8). Также на осциллограф поступал сигнал синхронизации с импульсного генератора. При изменении частоты акустического сигнала высокочастотного генератора (9) на экране осциллографа наблюдалась зависимость интенсивности дифрагированного света от акустической частоты при постоянном угле падения света. Ширина полосы акустических частот фильтра измерялась по уровню 50%. При проведении эксперимента была использована акустооптическая ячейка широкоапертурного фильтра на кристалле парателлурита с углом среза а = 10 и с приосевой геометрией взаимодействия. Данная конфигурации ячейки была выбрана из тех соображений, что, используя ячейку с хорошо изученной геометрией, можно получить надежные количественные данные о её характеристиках. Измерения проводились с использованием He-Ne лазера на длине волны /1=633 нм. В ходе проверки была определена частота ультразвука, соответствующая приосевой широкоапертурной дифракции, которая была равна /=120.1 МГц, в то время как рассчитанная частота ультразвука оказалась /=117.8 МГц. Исходя из этого, был сделан вывод, что кристалл фактически был вырезан под углом а = 10.2 а не а = 10, как ожидалось. Также по измеренной полосе пропускания данного фильтра, которая составила АХ = 18 ± 1 А по формуле (2.6) была определена эффективная длина области взаимодействия света и звука L=12 мм.
Для обеспечения возможности измерения углочастотных характеристик в интересующем диапазоне углов падения света вдали от оптической оси кристалла #г = 70 ± 10 ячейка была развернута, и в нее был направлен свет, как показано на рисунке 2.10.а. Выведение светового луча из корпуса фильтра и наблюдение дифракционной картины, было осуществлено при помощи призмы из плавленого кварца. Эту призму можно увидеть на рисунке 2. Ю.Ь.
На рисунке 2.11 представлена экспериментально полученная зависимость 0(f) для обыкновенной и необыкновенной световой волны с длиной волны і=633 нм. Экспериментальные точки получены при выполнении условия синхронизма (точки посередине), а также при нарушении условий синхронизма +0,8тг (крайние точки). Из полученных результатов видно, что в данном кристалле был реализован режим широкоапертурной дифракции, так как при /=177.6±0.5 МГц производная df/d = 0. Также показано, что для акустооптических фильтров с геометрией взаимодействия вдали от оптической оси кристалла существует область углов падения света, для которых дифракция не чувствительна к поляризации падающего излучения. Это объясняется тем, что в данной области существуют углы Брэгга для обыкновенной и необыкновенной световых волн, для которых частоты брэгговской дифракции совпадают. Ширина полосы акустических частот, измеренная в эксперименте, составила f = 200 ± 20 кГц. С учетом известного отношения /=f/f и f = 177.7 ± 0.5 МГц, получим = 7±1A. Рассчитанная по формуле (2.6) полоса пропускания составила величину = 5A. Различие экспериментального и теоретического результата для полосы пропускания света может быть обусловлено тем, что световой луч в эксперименте проходит более короткий путь. Следовательно, можно сделать вывод, о том, что экспериментальные результаты качественно согласуются с предсказаниями теории, а теоретическое рассмотрение акустооптического взаимодействия адекватно описывает процесс дифракции.
Влияние дисперсии показателя преломления кристалла на работу акустооптических фильтров неполяризованного света
Возможность акустооптической фильтрации неполяризованного света была доказана в 1996 году [55]. Авторами работы была рассмотрена дифракция неполяризованного света с разделением поляризации одновременно в +1 и -1 дифракционные порядки. В кристаллах с малым двулучепреломлением Ап/п«1, например, в кристалле парателлурита, частота брэгговского синхронизма для неполяризованного света близка к частоте широкоапертурной дифракции, а, следовательно, данные устройства могут производить обработку изображений в естественном свете. Поэтому при конструировании акустооптических фильтров и правильном подборе углов среза кристалла в итоге можно получить допустимую угловую апертуру близкую к 10-20 [55,81]. Как показывает практика, такой угловой апертуры достаточно, чтобы проводить фильтрацию изображений с еще удовлетворительным качеством [81].
До недавнего времени акустооптические устройства спектрально-поляризационного анализа использовались только в исследовательских лабораториях для решения физических задач. Однако в 2013 году в работе [79] была использована акустооптическая система спектрально-поляризационного анализа для объектов совсем иного происхождения, а именно, для измерения концентрации сахара в жидкостях. Как известно, раствор сахара в воде является оптически активным и вращает плоскость поляризации светового излучения [4,76]. В данной работе акустооптическая система фильтрации настраивалась так, чтобы интенсивность света, дифрагированного в +1 и -1 дифракционный порядок была одинакова. Затем в схему добавляли сахарный раствор и по изменению интенсивности сигналов в +1 и -1 порядке, определяли концентрацию сахара в растворе. Оказалось, что даже если не использовать сахарный раствор, но изменить длину волны падающего излучения, то интенсивность дифрагированного света в +1 и -1 порядке, вопреки ожиданиям, не была одинаковой. Авторы объяснили данный эффект, неточной юстировкой экспериментальной установки. Однако причина того, что интенсивность света в +1 и -1 порядке перестала быть одинаковой, имеет физическое происхождение, а именно, это - влияние дисперсии показателя преломления кристалла.
Для выполнения условия дифракции света с одновременным разделением поляризаций должны быть выполнены следующие условия фазового синхронизма: ке+К = к і а к-К = ке. (3.7) і d При этом длина вектора ультразвука одинакова для обоих уравнений (3.7). Для удобства уравнение (1.16) можно представить в безразмерном виде: FB = ni (Л) sin б» -no2(А)-ni2(А)cos2вi (3.8) где FB=fA/V - безразмерная частота. Выражение (3.8) показывает, что безразмерная частота брэгговского синхронизма неявно зависит от длины волны падающего электромагнитного излучения. Также от длины волны падающего излучения зависит и соотношение между углами падающего и дифрагированного света: ni (Я) cos 6f = no (Я) cos вdo . (3.9) Выражения (3.8) и (3.9) доказывают тот факт, что дисперсия показателя преломления приводит к сдвигу углочастотной кривой 0(f) не только вдоль оси частот, но и еще вдоль оси углов. Поэтому точное удовлетворение условий фазового синхронизма для дифракции с одновременным разделением поляризации в +1 и -1 дифракционные порядки на разных длинах оптического излучения возможно лишь в узком интервале длин волн света X. Другими словами, действительно равные интенсивности для света в +1 и -1 дифракционных порядках реализуются только на одной длине волны оптического излучения. Изменение длины волны света приводит к изменению этих интенсивностей, что требует новой юстировки акустооптической системы.
Используя уравнение (1.6) и (3.9) и учитывая дисперсию показателей преломления парателлурита, была рассчитана углочастотная зависимость для обеих поляризаций падающего излучения и различных длин волн оптического излучения. На рисунке 3.5 представлена рассчитанная зависимость угла Брэгга вв от длины волны света X при одновременной дифракции света в +1 и -1 дифракционные порядки. Расчет проводился для акустооптической ячейки, срезанной под углом а=100 , длина волны света Л при этом изменялась в пределе 400 - 1150 нм. Анализ показывает, что точка одновременной дифракции света в +1 и -1 дифракционные порядки в данном случае сместилась от 12.410 до 12.140, то есть на величину А0pol = 0.270. Из литературы известно, что угловая апертура акустооптической ячейки на кристалле парателлурита, работающей с неполяризованным светом составляет около 10 в воздухе [55,81]. Это означает, что угол А6pol составляет примерно треть от допустимой угловой апертуры фильтра А в. Поэтому дисперсия показателей преломления обязательно должна быть принята во внимание при конструировании фильтров, предназначенных для спектрально-поляризационной обработки световых сигналов на разных оптических длинах волн. Также при работе с такими устройствами на каждой длине волны Л необходимо проводить настройку угла падения света на акустооптическую ячейку, чтобы удовлетворить условие брэгговского синхронизма в широком спектральном диапазоне.
Как было отмечено ранее, в экспериментальной части исследования использовался широкоапертурный акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита с углом среза а = 100. Измерения проводились с применением двух источников излучения: гелий-неонового лазера с длинами волн X = 633 нм и X = 1150 нм, а также YAG лазера длиной волны X = 532 нм. Блок схема эксперимента представлена на рисунке 3.6. Важной задачей проведенного эксперимента являлось обеспечение прохождения различных лазерных лучей (1) по одному и тому же оптическому пути. Для этого, на пути лазерного луча была установлена система диафрагм (2). Далее луч проходил через систему поляризатор-анализатор (3). Также в схему была добавлена пластинка Л/2 для поворота поляризации лазерного излучения. В ходе эксперимента измерялись по две углочастотные характеристики 0(f) для каждой длины волны с ортогональными поляризациями падающего излучения. По точке пересечения этих кривых определялся угол Брэгга, при котором происходит одновременная дифракция в +1 и -1 дифракционные Рис.3.5. Рассчитанная зависимость угла Брэгга для одновременной дифракции света в ±1 порядок дифракции от длины волны оптического излучения. Рис.3.6. Блок схема экспериментальной установки. порядки с одинаковой интенсивностью. На рисунке 3.7 представлены измеренные зависимость угла Брэгга от акустической частоты для обыкновенной 0{f) и необыкновенной 6 {f) поляризации входного излучения. Анализ полученных данных подтверждает, что смещение угла одновременной дифракции в +1 и -1 дифракционные порядки составил ЛОроГ = 0.180 при изменении длины волны падающего излучения X от 532 нм до 1150 нм. Предсказание теории составило величину Авро1= 0.110. Причина расхождения теории и эксперимента может заключаться в следующем: исследуемый фильтр изначально предназначен для работы с необыкновенно поляризованным излучением в режиме широкоапертурной дифракции. Это означает, что входная оптическая грань была вырезана ортогонально входному излучению только необыкновенно поляризованного света. При этом угол падения света на акустооптическую ячейку соответствовал широкоапертурной дифракции. Таким образом, угол наклона входной грани по отношению к обыкновенно поляризованному свету не был оптимальным. Это означает, что двойное лучепреломление, несомненно, оказало влияние на процесс акустооптического взаимодействия.
Влияние пьезоэлектрического эффекта на индикатрису кристалла KDP
Синхронизация отдельных электрических элементов установки осуществлялась с помощью импульсного генератора, управлявшего работой генератора ВЧ мощности, а также осциллографа (9), подключенного к выходу электронного фотоумножителя. Развертка осциллографа включалась при подаче импульсного электрического сигнала на пьезоэлектрический преобразователь.
Для определения значения эффективной фотоупругой константы peff проводились измерения эффективности акустооптической дифракции на длине волны электромагнитного излучения = 347.5 нм. Угол падения света на ячейку соответствовал брэгговскому углу широкоапертурной дифракции i=9.50, а акустическая частота равнялась f = 130.2 МГц. При значении управляющей мощности P = 2 Вт эффективность дифракции составила T = 28%. Расчет по формулам (5.4) и (5.5) показал, что в этом случае эффективная фотоупругая константа равна peffexp = 0.042±0.004. Данный результат в 1.5 раза отличается от теоретических данных (Таблица 4). Поэтому было решено произвести измерения еще для трех различных длин волн оптического излучения = 405 нм, 532.5 нм и 633 нм при одной и той же частоте ультразвука f = 130.2 МГц. Данная частота ультразвука была выбрана из-за того, что она соответствует режиму широкоапертурной дифракции на длине волны света = 347.5 нм в центре диапазона перестройки прибора, а пьезопреобразователь исследуемого фильтра был согласован с генератором на данной частоте. Измерения, проводимые при фиксированной частоте ультразвука, позволяют практически исключить влияние параметров акустической волны, но не учитывают дисперсии коэффициентов р44 и рбб. Другими словами, исключалось влияние на результаты измерений частотной характеристики цепи согласования электрических параметров пьезопреобразователь-генератор затухания звука, разогрев кристалла и др. Таким образом, эффективность дифракции зависела лишь от угла падения света. На рисунке 5.2 представлены графики зависимости угла Брэгга от частоты ультразвука для данных четырех длин волн света. Из рисунка видно, что при частоте акустической волны, равной/ = 130.2 МГц соответствует угол падения света в( = 2.20, 2.60, 4.30 и 9.50 для красного, зеленого, фиолетового и ультрафиолетового цвета, соответственно. На рисунке 5.3 представлены результаты измерения эффективности дифракции от длины волны излучения. Точками представлены экспериментальные результаты. Сплошными линиями изображены теоретические зависимости эффективности дифракции от длины волны падающего излучения, рассчитанные по формуле (5.4) с привязкой к максимальной (Теория 1) и минимальной (Теория 2) эффективности дифракции. Сравнение полученных результатов с теоретическими данными показали несоответствие теории, описываемой формулой (5.4), и эксперимента. Это несоответствие связано с ошибкой при определении КСВ и уровня мощности предаваемой генератором в нагрузку. Анализ также показал, что приблизительно двукратное различие между теорией и экспериментом не может быть объяснено лишь погрешностью произведенных измерений, которая составила ±10%. Маловероятно и воздействие дисперсии коэффициентов р44(к) и рбб(Х) на результаты эксперимента. Это означает, что полученные экспериментальные значения эффективности акустооптической дифракции не позволяли корректно произвести расчет эффективной фотоупругой константы рф Поэтому была предложена иная методика экспериментального определения констант фотоупругости.
Для повторного определения фотоупругих констант материала по новой методике было предложено использовать следующий подход. Эффективность дифракции на выходе кристалла KDP измерялась на одной длине волны света -Я и на одних и тех же частотах ультразвука/, но при двух различных углах падения света 6t на акустический волновой фронт. Эти акустические частоты незначительно превышали частоту брэгговского синхронизма при широкоапертурной дифракции. Значения углов падения светового излучения на ячейку выбирались близкими к оптимальному углу Брэгга в і = 9.5. На рисунке 5.4. показана частотная зависимость углов Брэгга для данной длины волны света соответствующему широкоапертурному взаимодействию. На рисунке 5.4 сплошной линией показаны расчитанные данные на длине волны света =405 нм. Точками показаны результаты эксперимента. На основе полученных данных были выбраны 3 частоты ультразвука / = 110 МГц, / = 115 МГц и /=120 МГц, на которых производилось сравнение эффективности дифракции Г и 1+, где знак минус соответствует & ві = 9.5, а знак плюс соответствует 9+ 9І= 9.5. На рисунке вертикальными линиями показаны 3 частоты ультразвука и соответствующие им 3 пары углов падения света. Очевидно, что отношения эффективностей дифракции при углах падения, обозначенных цифрами 1 - 1 , 2 - 2 и 3 - 3 не зависят от мощности акустического сигнала или направления звука и, в основном, пропорциональны квадрату эффективных фотоупругих констант.
Данный эксперимент проводился для двух широкоугольных фильтров на основе кристалла дигидрофосфата калия с углами среза а = 9 и а = 12, а также трех различных длин волн оптического излучения 633 нм, 532.5 нм и 405 нм. Общая вариация угла падения света на ячейку относительно точки широкоапертурной дифракции при 6t = 9.5 составила ±18. На рисунке 5.5 представлены экспериментальные зависимости отношения эффективностей дифракции от частоты ультразвука. Для фильтра с углом среза а = 9 на длине волны X = 405 нм отношение интенсивностей дифрагированного света уменьшилось в 4 раза при увеличении угла падения от вг = 0.5 до вг= 18.5 .