авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Высокоэффективная брэгговская акустооптическая дифракция на многочастотном и профилированном акустическом поле

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Вайнер Александр Владимирович

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ БРЭГГОВСКАЯ АКУСТООПТИЧЕСКАЯ ДИФРАКЦИЯ НА МНОГОЧАСТОТНОМ И ПРОФИЛИРОВАННОМ АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Фрязино – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН

Научный руководитель: доктор технических наук

Антонов Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Мансфельд Георгий Дмитриевич

доктор физико-математических наук,

профессор Балакший Владимир Иванович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Физико-технический институт

им. А. Ф. Иоффе РАН

Защита состоится 15 мая 2009 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д002.231.01 при ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан 6 апреля 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

профессор С. Н. Артёменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Одним из основных параметров акустооптических (далее – АО) приборов является эффективность дифракции – отношение интенсивности дифрагированных световых лучей к интенсивности исходного луча. В модуляторах и дефлекторах оптического излучения эта величина определяет оптические потери, в оптических и радиочастотных фильтрах – динамический диапазон. Эффективность дифракции ограничивается, в частности, структурой акустического пучка («ближним полем»), которую обычно не учитывают при анализе АО взаимодействия. Вместо реальной структуры поля рассматривают т. н. модель плоского акустического столба. Это приближение приводит к таким последствиям, как завышение предельной эффективности дифракции и неточность определения акустической мощности, необходимой для достижения этого предела. Угловая расходимость дифрагированного света на практике оказывается больше расчётной, что снижает важный для АО дефлекторов параметр – число разрешимых точек. Известные работы по данному вопросу подтверждают значительное влияние реальной структуры поля на характеристики АО взаимодействия. Однако предлагаемые подходы носят недостаточно строгий характер, при этом либо учитывается структура поля только в плоскости, перпендикулярной плоскости АО дифракции, либо используется модельное поле, заданное в аналитическом виде. Таким образом, остается актуальной задача построения теории АО взаимодействия, выходящей за рамки модели плоского акустического столба.

Другое существенное ограничение эффективности дифракции возникает в случае многочастотного акустического сигнала. Принципиальная нелинейность АО взаимодействия вызывает ряд интермодуляционных эффектов, которые включают в себя появление дополнительных (интермодуляционных) лучей, искажение дифракционной картины и падение эффективности дифракции. Известен ряд работ, посвящённых различным способам уменьшения этих эффектов, с тем, чтобы с высокой эффективностью разделить исходный лазерный луч на несколько дифрагированных лучей и управлять мощностью каждого из них независимо от других. Подобное независимое управление многолучевым полем используется в системах лазерного нанесения изображений и имеет перспективы применения в коммутации оптоволоконных каналов связи. В данной работе проводится анализ предельной эффективности АО дифракции, достижимой при заданном виде многолучевого дифрагированного поля, и разрабатывается метод синтеза необходимого для этого акустического сигнала.



Целью диссертационной работы является исследование особенностей брэгговской АО дифракции на пространственно профилированном и многочастотном акустическом поле, а также разработка применений обнаруженных и изученных эффектов. Для достижения этих целей решаются следующие задачи:

  1. Построение модели высокоэффективного брэгговского АО взаимодействия с учетом двумерной дифракционной структуры акустического пучка в акустически анизотропной среде.
  2. Теоретическое и экспериментальное изучение АО эффектов, связанных с профилированием акустического поля.
  3. Исследование основных закономерностей высокоэффективной многолучевой брэгговской дифракции и разработка метода управления многолучевым дифрагированным полем.
  4. Изучение параметров многолучевой брэгговской дифракции в условиях оптически анизотропного характера взаимодействия – в геометрии неаксиального дефлектора.
  5. Разработка АО коммутатора-мультиплексора волоконно-оптических каналов связи на базе эффекта многолучевой брэгговской дифракции.

Научная новизна работы

В работе впервые получены следующие результаты:

  1. Экспериментально установлено, что зависимость эффективности АО дифракции от акустической мощности в условиях изгиба фронтов акустического поля отличается от этой зависимости в условиях плоских фронтов. Показано, что основные отличия заключаются в уменьшении глубины перемодуляции вплоть до стабилизации эффективности на уровне, близком к 100%, в широком диапазоне акустической мощности.
  2. Предложена методика формирования АО многолучевого дифрагированного поля, основанная на синтезе акустического сигнала в виде суммы эквидистантных частотных компонент. Показано, что эффективность брэгговской АО дифракции на таком сигнале приближается к 100% в том случае, когда его вид приближается к фазомодулированному, что достигается определённым выбором фаз и амплитуд частотных компонент.
  3. Теоретически и экспериментально установлено, что эффективность многолучевой брэгговской АО дифракции в геометрии взаимодействия анизотропного неаксиального дефлектора выше, чем в изотропном случае. Также показано, что в такой геометрии частотная полоса многолучевой дифракции существенно больше, чем полоса однолучевой (одночастотной) дифракции.

Научная и практическая значимость работы

  1. На основе анализа АО дифракции на профилированном акустическом поле сформулированы рекомендации разработчикам АО устройств, позволяющие оптимизировать размер преобразователя в направлении, перпендикулярном плоскости дифракции, и положение светового луча в акустическое поле. Проведена оптимизация по критериям минимальной необходимой акустической мощности и максимальной эффективности дифракции.
  2. Найден количественный критерий эффекта стабилизации эффективности АО дифракции на высоком уровне в большом диапазоне акустических мощностей – , где – длина акустической волны, – размер преобразователя в плоскости дифракции, – параметр акустической анизотропии, – расстояние от преобразователя до оптического луча.
  3. Найдены оптимальные условия для формирования многолучевого АО дифрагированного поля, дающие максимальную дифракционную эффективность и количество лучей. Разработан алгоритм синтеза управляющего сигнала для создания многолучевого поля с произвольным заданным распределением световой мощности по лучам.
  4. Запатентована новая схема двухкоординатного поляризационно-нечувствительного АО дефлектора, содержащая только три АО кристалла. По сравнению с классическим четырёх кристальным решением данное обеспечивает меньшие оптические потери, большую стабильность характеристик и меньшую стоимость устройства.
  5. На базе многолучевой брэгговской АО дифракции разработан коммутатор-мультиплексор волоконно-оптических каналов связи. Анализ соотношения потенциальных характеристик устройства показывает, что в ряде случаев он не имеет аналогов среди подобных приборов, основанных на других технологиях (MEMS, электрооптика и др.).

Положения, выносимые на защиту

  1. Экспериментально обнаружено новое свойство брэгговской АО дифракции – независимость интенсивности дифрагированного луча от мощности звука в случае искривления фазового фронта акустического поля в плоскости дифракции.
  2. Метод формирования многолучевого высокоэффективного (в пределе до 100%) акустооптического дифрагированного поля с заданным распределением мощности по лучам, заключающийся в таком выборе фаз и амплитуд частотно-эквидистантных компонент акустической волны, при котором её вид максимально близок к фазомодулированному.
  3. Эффективность многолучевой АО дифракции в условиях анизотропного взаимодействия (в геометрии неаксиального дефлектора) выше, чем в изотропных условиях. Это обусловлено тем, что в геометрии неаксиального дефлектора расстройки АО синхронизма интермодуляционных лучей больше чем расстройки основных лучей.
  4. Поляризационно-нечувствительный АО коммутатор-мультиплексор оптоволоконных каналов связи на основе двухкоординатного трёхкристального дефлектора с соотношением предельно достижимых параметров: до 100 каналов при быстродействии 3 мкс и до 400 каналов при 6 мкс.

Достоверность полученных результатов подтверждается, во-первых, теоретическими расчётами, выполненными при помощи апробированных методик; во-вторых, экспериментальной проверкой всех основных положений; в-третьих, отсутствием противоречий с работами других авторов по данной тематике.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие на всех этапах работы, кроме построения теоретических моделей. Основной вклад автора заключается в проведении численных расчётов, разработке экспериментальных методик, участии в проведении всех экспериментов и обработке экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены на 6 отечественных и 5 международных конференциях:

  • 1-ая Конференция молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика», г. Саратов, СФИРЭ РАН, 28-30 сентября 2006.
  • Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 23–26 октября 2006, ИРЭ РАН, Москва.
  • IEEE International Ultrasonics Symposium, 2006 October 3-6, Vancouver, Canada.
  • Конференция АИН им. А. М. Прохорова «Фундаментальные основы инженерных наук», Москва, 26-27 октября 2006.
  • Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 15–16 октября 2007, ИРЭ РАН, Москва.
  • IEEE International Ultrasonics Symposium, 2007 October 28-31, New York, USA.
  • 10th School on Acousto-Optics and Applications, Sopot, Poland, May 12-15, 2008.
  • Acoustics’08, Paris, June 29 – July 4, 2008.
  • Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 27–28 октября 2008, ИРЭ РАН, Москва.
  • IEEE International Ultrasonics Symposium, 2008 November 2-6, Beijing, China.
  • «Авиация и космонавтика – 2008», 20-23 октября 2008, МАИ, Москва.

Публикации

Основные результаты работы изложены в 14 публикациях, из которых 7 в рецензируемых журналах из списка ВАК. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, приложений, заключения и списка цитируемой литературы. Каждая глава содержит от трёх до четырёх параграфов и выводы. Объём диссертации составляет 127 страниц, 55 иллюстраций и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности проводимых исследований, и излагаются цели диссертационной работы. Отмечены новизна и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации результатов и публикациях.

Глава 1 носит обзорный характер. В ней кратко описаны основные закономерности изотропной и анизотропной АО дифракции, различия режимов Рамана-Ната и Брэгга, введены наиболее существенные термины и соотношения. Изложен метод уравнений связанных волн, наиболее часто применяемый для анализа АО взаимодействия. Показано, что эффективность процессов дифракции определяется двумя величинами – нормированной амплитудой акустической волны и расстройкой АО синхронизма. Приведена связь этих параметров с материальными константами и параметрами оптических и акустических волн. Сделан обзор литературы по теме диссертации.





В главе 2 изложены методы и результаты оригинальных исследований эффектов, возникающих при АО дифракции на профилированном акустическом поле. Важность этих исследований определяется тем, что акустические поля, созданные любыми излучателями, имеют область существенно неоднородной структуры («ближнее поле»). Как правило, именно эта область используется в АО устройствах. Построена теоретическая модель, позволяющая рассчитать результаты АО дифракции на акустическом поле, созданном прямоугольным пьезопреобразователем в произвольно анизотропной среде. Модель основана на уравнениях связанных волн, в которых учтена зависимость амплитуды и фазы акустического поля от координат. Анализ модели показал, что изгиб волновых фронтов акустического поля, имеющий место на расстоянии от преобразователя, изменяет вид зависимости эффективности АО дифракции от амплитуды акустического сигнала.

Для экспериментального исследования этого эффекта была изготовлена АО ячейка из парателлурита (TeO2), в которой в кристаллографическом направлении [] возбуждалась медленная сдвиговая акустическая волна частотой 6 МГц. Исходный световой луч с длиной волны 1.07 мкм лежал в плоскости [] под углом к оптической оси 2 (в кристалле). Поляризация луча соответствовала необыкновенной оптической моде. Начальная ширина акустического поля (вблизи преобразователя) лежала в интервале 2.5-3 мм. Параметр Кляйна-Кука составлял 0.7, что в изотропной среде привело бы к дифракции Рамана-Ната. Однако оптическая анизотропия парателлурита в выбранной геометрии взаимодействия (т.н. неаксиальный дефлектор) подавляет высшие дифракционные порядки. Эффективный параметр Кляйна-Кука, оцененный по величине расстроек АО синхронизма высших порядков, составил и режим дифракции являлся в основном брэгговским.

Ячейка перемещалась в направлении, перпендикулярном световому лучу, и на различных расстояниях между лучом и преобразователем измерялась зависимость эффективности дифракции от амплитуды подаваемого электрического сигнала. При этом угловое положение ячейки не менялось, т.е. поддерживался синхронизм АО взаимодействия.

На рис. 1 приведены результаты эксперимента. На каждом рисунке нижняя осциллограмма – электрический сигнал, подаваемый на пьезопреобразователь ячейки, верхняя – эффективность дифракции. Рисунки соответствуют различным расстояниям от преобразователя . Амплитуда сигнала медленно меняется по линейному закону от нуля до максимального значения. Синхронно с ней меняется эффективность дифракции, т.е. осциллограммы представляют зависимость эффективности от акустической амплитуды (пропорциональной амплитуде электрического сигнала).

При классическом подходе к анализу АО дифракции (без учёта структуры акустического поля) зависимость эффективности от амплитуды сигнала считают синусоидальной, то есть после достижения максимума эффективность снижается обратно до нуля. Такая зависимость имеет место вблизи преобразователя – рис. 1а. По мере удаления светового луча от преобразователя фазовые фронты акустического поля изгибаются, и зависимость меняет свой вид (рис. 1б). Изменения наиболее значительны в области перемодуляции, т.е. при амплитуде сигнала большей, чем её величина, при которой достигается максимум эффективности. Глубина снижения эффективности при перемодуляции уменьшается, пока, наконец, перемодуляция не исчезает (рис. 1в). Эффективность дифракции стабилизируется на высоком уровне (~ 100%) в большом диапазоне амплитуды акустического сигнала. Обозначим минимальную эффективность дифракции в области перемодуляции как . Рис. 2 показывает зависимость этой величины от расстояния между световым лучом и преобразователем. Кружками отмечены измеренные значения, линиями – расчётные. Две кривые соответствуют крайним возможным значениям начальной ширины акустического поля. Расхождение между расчётом и экспериментом существенно лишь при . Как показывают оценки, на этом расстоянии акустическое поле расширялось до размера всего образца и ограничивалось его боковыми стенками, что не учитывалось при расчёте. В результате этого ограничения поле становится более однородным, а его фронты – более плоскими, и эффект стабилизации эффективности дифракции уменьшается. В целом рис. 2 демонстрирует хорошее качественное согласие расчёта с экспериментом.

Этот эффект был предсказан в работах [1-3], однако экспериментально наблюдался впервые. Также впервые теоретически и экспериментально показано, что стабилизация происходит на расстоянии от преобразователя, удовлетворяющем условию: , где – длина волны звука, – размер преобразователя в плоскости дифракции, – фактор анизотропии. Эффект может быть использован для повышения стабильности характеристик АО приборов.

Глава 3 посвящена многолучевой АО дифракции на многочастотном сигнале. Такая дифракция характеризуется интермодуляционными эффектами, которые снижают эффективность дифракции. В работах [4-7] было показано, что даже при больших эффективностях интермодуляционные эффекты отсутствуют, если дифракция происходит на модулированном по фазе акустическом сигнале. Для того чтобы лучи дифрагированного поля не перекрывались, необходимо, чтобы разность углов рассеяния соседних лучей превышала угловую расходимость исходного света. Это условие эквивалентно следующему: на апертуре света должно укладываться несколько пространственных периодов модуляции акустического сигнала. Если при этом сигнал модулирован только по фазе, то дифрагированное поле отражает частотный спектр сигнала: оно содержит по одному лучу на каждую спектральную компоненту сигнала и интенсивности этих лучей относятся друг к другу так же, как мощности соответствующих компонент. Предельная эффективность такой дифракции близка к 100%.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.