Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

МОДУЛЯТОРЫ И ДЕФЛЕКТОРЫ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Принципы работы оптических модуляторов и дефлекторов.

Их характеристики и параметры.

Применение дефлекторов и модуляторов оптического излучения.

Дифракция света на ультразвуковых волнах была впервые предсказана Бриллюэном и независимо от него Мандельштамом в 1921 г., а экспериментально обнаружена спустя несколько лет Дебаем и Сирсом и Люка и Бикаром. Качественно это явление можно объяснить следующим образом. Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле или жидкости, создает локальные сжатия и разряжения среды. Вследствие эффекта фотоупругости из-за механических напряжений возникают изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, изменения показателя преломления среды. Таким образом, в среде образуются периодические слои с отличающимся показателем преломления. Эти слои движутся со скоростью звука и следуют друг за другом на расстоянии половины длины звуковой волны. При прохождении света через такую слоистую структуру возникает дифракция (рис.1).

Различают два вида (режима) дифракции, отличающиеся разными дифракционными спектрами: Рамана—Ната и Брэгга. Дифракция Рамана— Ната наблюдается на низких звуковых частотах и при не слишком большой длине взаимодействия (глубине акустического поля). При нормальном падении света, т. е. параллельно волновому фронту звуковой волны, дифракционный спектр Рамана—Ната представляет расположенные симметрично по обе стороны от прошедшего пучка равноотстоящие друг от друга дифракционные максимумы. При наклонном падении света интенсивность максимумов, возникающих по обе стороны от прошедшего пучка, уменьшается, но их угловые направления на них остаются неизменными. Угловое направление дифракционных максимумов (рис. 1) относительно нулевого (соответствующего прямо прошедшему свету) определяется формулой sinm=m/, m=0, ±1, ±2, ..., где т—угловое направление на дифракционный максимум m-го порядка;—длина световой волны в веществе; —длина звуковой волны. Знак плюс соответствует максимумам, которые расположены с той стороны, куда отражается свет от фронтов звуковой волны.

Частота света в m-м максимуме сдвинута относительно частоты падающего света на величину, пропорциональную акустической частоте , и равна +m.

О дифракции Брэгга говорят в том случае, когда дифракционный спектр состоит из двух максимумов, соответствующих значениям m=0 и m=1 (рис. 2). Дифракционные максимумы минус первого и высших порядков отсутствуют. Интенсивность первого максимума будет наибольшей, если свет падает под углом к волновому фронту акустической волны, удовлетворяющим условию Брэгга

sinθБ=λ/2Λ  (1)

Рис. 1. Ход лучей для дифракции Рамана—Ната при нормальном падении света

 

1-падающий свет; 2-звуковая волна; 3-пьезопреобразователь;  4-дифракционный максимум m-го порядка; 5-экран

 

 

 

Рис. 2. Ход лучей при дифракции Брэгга:

1– падающий свет; 2–звуковая волна; 3 – дифрагированный свет; 4– прошедший свет

Угол θБ, определяемый выражением (1), называется углом Брэгга. Дифракция Брэгга имеет место на высоких частотах при большой длине взаимодействия света с акустической волной.

Физическая интерпретация этих двух различных типов дифракции состоит в следующем. При неизменной длине волны света на низких звуковых частотах при малой длине взаимодействия (длине акустического столба) направление распространения падающего света внутри области взаимодействия остается  прямолинейным и оптическая неоднородность среды, связанная с изменением показателя преломления, влияет только на фазу света, прошедшего через акустический столб. Для света роль акустической волны в этом случае сводится к созданию движущейся со скоростью звука фазовой решетки с периодом, равным периоду звуковой волны. Такая ситуация соответствует дифракции Рамана—Ната. Дифракция света в режиме Рамана—Ната происходит по законам дифракции на обычной фазовой решетке, и именно этим объясняется наличие симметричных эквидистантно расположенных дифракционных максимумов. Частоты света в дифракционных максимумах сдвинуты согласно эффекту Доплера вследствие движения фазовой решетки.

При увеличении акустической частоты или длины взаимодействия направление распространения падающего света внутри акустического столба уже нельзя считать прямолинейным, а возникшую периодическую структуру — только фазовой решеткой. Свет испытывает как фазовые, так и амплитудные возмущения, и происходит постепенный переход от дифракции на фазовой решетке (дифракции Рамана—Ната) к рассеянию на объемной периодической структуре (дифракции Брэгга). В переходной области между режимами Рамана— Ната и Брэгга при падении света под углом Брэгга помимо первого максимума наблюдаются дифракционные максимумы высших порядков. Угловые направления этих максимумов относительно падающего света сохраняются такими же, как и при дифракции Рамана—Ната, но распределение интенсивностей становится асимметричным. Наибольшую интенсивность имеет брэгговский (первый) максимум. Наконец, на высоких частотах и при значительной глубине звукового поля акустооптическое взаимодействие целиком приобретает объемный характер, и происходит селективное отражение света под углом Брэгга от движущейся периодической структуры, созданной ультразвуковой волной. Дифракция света в режиме Брэгга аналогична хорошо известному явлению дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке в твердом теле.

В отклоняющих устройствах - дефлекторах сканирование лазерного луча осуществляется путем изменения акустической частоты. Для наблюдения дифракции света на ультразвуковых волнах может быть использована схема, представленная на рисунке 3. В данной схеме применяется дефлектор, использующий изотропную брэгговскую дифракцию.

Наиболее важными параметрами дефлекторов являются: закон сканирования, амплитуда угла отклонения, разрешающая способность, искажения фронта световой волны, частота сканирования, диапазон частот сканирования, полоса пропускания, быстродействие, равномерность движения луча, допустимая линейная апертура сканируемого светового пучка, допустимая угловая расходимость пучка, спектральный оптический диапазон работы, оптические потери, электрическое напряжение и ток, чувствительность к отклонению.

Рис. 3. Схема установки для исследования акустооптического брэгговского дефлектора:

 

1 – ОКГ; 2,2´ – телескопическая система; 3 – экран; 4 – пьезоэлектрический преобразователь; 5 - генератор.

 

Закон сканирования определяет характер движения луча. Сканирование может быть линейным, синусоидальным, пилообразным или каким-либо другим.

Амплитуда угла отклонения Δα характеризует максимальное угловое перемещение луча. Она выражается в радианах или градусах

Разрешающая способность оценивается числом элементов разрешения N, определяющим число различимых направлений луча, укладывающихся в пределах угла отклонения . Для оценки разрешающей способности широко применяется критерий Релея. Два изображения светящихся точек считаются лежащими на пределе разрешения, если расстояние между центрами кривых рассеяния равно такой величине, при которой центральный максимум одной из них совпадает с первым минимумом второй. В этом случае угловая расходимость светового пучка равна

=(/nD) (2)

 

где  — длина волны излучения; D - ширина пучка; n - показатель преломления среды;  коэффициент, зависящий от формы пучка,1,22 для пучка круглого сечения с равномерным распределением интенсивности.

Разрешающая способность дефлектора при одномерном сканировании и отсутствии вносимых дефлектором искажений в апертуру светового пучка выражается соотношением

N=.  (3)

Подставляя выражение (2) в (3), получаем

 N=Dn/  (4)

Разрешающая способность N—более важный параметр, чем угол отклонения, так,  может быть увеличен или уменьшен применением соответствующей оптической системы, а N остается при этом неизменной или в худшем случае уменьшается.

Частота акустической волны определяется по формуле

faк=2nVaкsin  (5)

где  - угол дифракции минус первого порядка.

Частота сканирования f [Гц] определяет число периодов колебаний луча при его пространственном перемещении за 1 с. Одни дефлекторы работают только на одной фиксированной частоте,  а другие—в диапазоне частот fl—f2.

Полоса пропускания f характеризует качество дефлектора и оценивается произведением частоты сканирования на разрешающую способность:

f=Nf=f/ (6)

Быстродействие дефлектора tд [с] определяет скорость изменения пространственного положения луча при его переходе с одного элемента разрешения на соседний. Для непрерывных дефлекторов

tд= 1/f=l/Nf. (7)

Полоса рабочих частот дефлектора определяется несколькими физическими причинами. Наиболее важная связана с конечной шириной углового распределения звукового поля. На полосу дефлектора влияет не только распределение звукового поля, которое определяет его собственную частотную характеристику, но и частотная характеристика системы возбуждения звука.

Под частотной характеристикой дефлектора будем понимать зависимость интенсивности отклоненого света от частоты при неизменном угле падения.

Оптические потери в дефлекторе определяются коэффициентом пропускания  потока излучения:

= Фвых/Фвx = Iвых/Iвх (8)

где Фвых и Фвх —потоки излучения, выходящие из дефлектора и входящие в него; Iвых и Iвх —плотности потоков излучения выходящего из дефлектора и входящего в него.

Для более полного описания дефлекторов (с точки зрения определения пригодности применения в той или иной аппаратуре и обоснования требований к электрическому блоку управления, а также возможности проведения сравнительной оценки устройств отклонения) для каждого дефлектора необходимо определять частотную, амплитудную и вольт-амперную характеристики.

Частотная характеристика выражает зависимость числа элементов разрешения или угла отклоненяя от частоты управляющего электрического напряжения: N=f(f), =f(f). На основании этой характеристики может быть выбрана рабочая частота fc сканирования луча или же рабочий диапазон частот f1—f2.

Амплитудная характеристика дефлектора определяет зависимость амплитуды угла отклонения луча или числа элементов разрешения от потребляемой электрической мощности Рэл подводимого электрического напряжения и или потребляемого электрического тока I:

N=f(Pэл); = f(Pэл); N=f(U); = f(U);

N=f(I);= f(I).

При частотном управлении она характеризует зависимость амплитуды угла отклонения или числа элементов разрешения от частоты воздействующего сигнала.

Вольт-амперная характеристика выражает зависимость величины потребляемого дефлектором электрического тока от прикладываемого электрического напряжения: I=f(U). Эта характеристика позволяет определить входное сопротивление дефлектора.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Цель работы: изучение условий возникновения и характера дифракции света на ультразвуке, определение основных параметров акустооптического дефлектора.

Приборы и принадлежности: He-Ne-лазер; акустооптический дефлектор; генератор; частотомер Ч3-45; вольтметр В7-15.

 

Порядок выполнения работы

 

Рассчитать следующие параметры:

угол падения луча Б для Брэгговской дифракции (1);

угол дифракции минус первого порядка световой волны - (формула (5));

угловую расходимость акустического пучкаак =/L;

угол отклонения =2ак;

разрешающую способность N (формула (4)).

При выполнении расчетного задания считать, что длина волны излучения =0,63мкм, скорость распространения акустических волн Vаk =5700 м/с (для кварца), частота акустической волны fак=50MГц ширина акустического пучка L=380mm, ширина светового пучка D=2mm, коэффициент, зависящий от формы пучка ε=1,22 (для пучка круглого сечения с равномерным распределением интенсивности), показатель преломления n=1,54 (для кварца).

Собрать оптическую схему (рис.3.) и получить дифракцию Брэгга излучения He-Ne-лазера на ультразвуке.

Экспериментально проверить полученные в п.1. расчеты.

Определить полосу пропускания f по формуле (6).

Зная полосу пропускания f рассчитать быстродействие дефлектора tд по формуле (7).

Определить потоки излучения, выходящие из дефлектора и входящие в дефлектор. Рассчитать оптические потери в дефлекторе.

Определить частотную характеристику N=f(f), =f(f). Выбрать рабочую частоту f сканирования луча.

 

Вопросы для самоконтроля

 

Что такое дифракция света на ультразвуковых волнах?

В чем заключается дифракция Брэгга в изотропных средах?

Что такое акустооптические дефлекторы, их характеристики и параметры?

Где применяются акустооптические дефлекторы?


На сайте www.key54.ru потерял ключи на авто. Полупроводниковые детекторы оптического излучения