Акустооптические устройства и их применение - Магдич Л.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Когда частота ультразвука не очень велика, синусоидальное звуковое поле создает в звукопроводе фазовую решетку, которую можно приближенно считать одно-
86
мерной. Это означает, что световые лучи, прошедшие через звуковой пучок, на своем пути не успевают изменить направление распространения, а влияние вариаций коэффициента преломления сказывается только на фазе прошедшего волнового фронта. Примем, что свет распространяется параллельно волновому фронту звуковой волны. Тогда в нормированном виде уравнение (1.17) запишется в виде Em=Jm(\p), где ф=-IL.
r(t)
т
Рис. 5.2. Схема акустооптического процессора в режиме Рамана -
Ната:
^ - пространственный модулятор; 2 - линза для преобразования углового распределения интенсивности света, вышедшего из модулятора, в пространственное; 3 - фильтр, блокирующий непродифрагированный свет; 4 - линза, собирающая свет на фотоприемник 5; 6 - фильтр, настроенный на сигнал с частотой 2Q. F - фокусное расстояние линз
При конструировании процессора важной задачей является преобразование фазовой модуляции, вносимой в световую волну акустооптическим модулятором, в амплитудную, которую мог бы регистрировать фотоприемник. В принципе, для этой цели было бы достаточно поместить приемник на таком расстоянии от модулятора, где дифракционные порядки достаточно разрешены, и собрать излучение от ±1-го порядков с помощью линзы. Правда, при этом размер устройства должен быть довольно большим. Существуют другие способы выделения амплитудно-модулированного сигнала, описанные в работах [14], [57].
Рассмотрим когерентный процессор, устройство которого показано на рис. 5.2. В процессоре используются
87
первые порядки дифракции, следовательно, амплитуда электрического поля ?'=ы=/=ы (яр). При малых фазовых возмущениях yjp<^l Е±^±^р. Если сигнал на входе пространственного модулятора имеет сложную форму, то каждый из его спектральных компонентов дает свой вклад в дифракционное поле каждого из дифракционных порядков. Пройдя последовательно через два пространственных модулятора, световая волна будет иметь вид
Е = ехр {/ [2%vt -f- ф (х, ^)]},
где ф = <[<" [g (t - xfv) cos (t - xfv) -f
-f- r (t + xfv) cosQ (t -f- x/v)],
g(t)-анализируемый сигнал; r(t)-опорный сигнал; •ф - постоянная, зависящая от мощности звуковой волны.
Первая линза осуществляет фурье-преобразование выходного излучения и позволяет со своей фокальной плоскости получить пространственное распределение интенсивности. С помощью маски экранируется засветка от излучения, распространяющегося в направлении нулевого порядка. Вторая линза осуществляет обратное преобразование Фурье и формирует распределение интенсивности, соответствующее выражению
/ (х, t) = ф201 g (t - xfv) cos Q (t - xfv) +
+ т (t +¦ xfv) cos Q(t >{- xfv) |2.
Приемник с широкой апертурой выполняет интегрирование этого распределения интенсивности по координате х. В результате на выходе получим сигнал вида:
х
Я 8* (t-~) [:1 + cos 2Q (t -f) ]+
0
*^T r*(* "bir) [l + cos2i2(^ +Т')]}й?л: +
X
+ Ф*. cos Ш j g (t - -J-) r (t +JL) dx.
Когда длина модулятора существенно превышает длину акустической волны, все члены, содержащие сомно-
жители вида cos (2Qx/v) при интегрировании дают зна* чение, близкое к нулю. В этом случае
*"-?{[*¦ {*-ir)+r'i'+4-)\dx+
о
X
+ Kcos2Qfj *(* - -?-) г (* + -?-)</*. (5.1)
О
Второе слагаемое в (5.1) представляет собой функцию свертки сигналов g(t) и r(t), наложенную на несущую частоту. Фильтр, находящийся на выходе фотоприемника, пропускает частоты, лежащие в окрестности 2Q, поэтому он позволяет отделить сигнал свертки от медленно меняющегося первого слагаемого в (5.1).
5.3. Конструкция и параметры низкочастотного процессора
Основное преимущество низкочастотного процессора- большое время обработки - может быть реализовано при пропорционально большей длине звукопровода. Однако конструирование оптической системы для равномерной засветки апертуры больше 10 см представляет серьезные трудности. Поэтому в работе [58] было предложено использовать многоходовой пространственный модулятор, в котором звуковой луч, испытывая многократные отражения, заполняет прямоугольную апертуру. Длина пути акустического луча составила 85 см. В качестве акустооптического материала использовался плавленый кварц, в котором возбуждалась сдвиговая волна с поляризацией, перпендикулярной направлению распространения света (рис. 5.3). Время обработки составляло 250 мкс, несущая частота процессора 30 МГц, полоса пропускания 10 МГц. Так была получена величина ГД/=2,5*103. Отражаясь, сдвиговая волна с выбранной поляризацией при угле падения 45° меняет фазу колебаний на 180°. Поэтому примерно 7% пути приходится на участки, где фаза сигнала сдвинута на 180°. Второй пространственный модулятор (для опорного сигнала) был изготовлен на том же звукопроводе, так что
S9
Два акустических луча распространялись по параллельным путям навстречу друг другу.
В этой же работе предложена более простая конструкция многоходового процессора (рис. 5.4). Ее един-
Сигнал
Рис. 5.3. Схема пространственного многоходового модулятора с временем обработки 250 мкс
