АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ФИЛЬТР
ACOUSTO-OPTICAL TUNABLE FILTER

Область техники
Изобретение относится к области лазерной физики, оптической электроники, акустооптики и спектрометрии.
Уровень техники
Из уровня техники известно, что для выделения отдельных спектральных компонент светового излучения используются специальные приборы - оптические фильтры. Принцип их работы основывается на наличии окна пропускания некоторой спектральной ширины, позволяющего части спектральных компонент светового излучения, попадающего на оптический вход фильтра, проходить через него, практически без потерь, в то время как остальная часть спектральных компонент излучения отсекается. Основными характеристиками оптических фильтров являются полоса пропускания, коэффициент пропускания и центральная длина волны полосы пропускания. Известно достаточно большое количество типов оптических фильтров.
Из уровня техники известно, что существуют оптические фильтры, использующие в своей работе акустооптический эффект, заключающийся в дифракции светового излучения на акустической волне, возбуждаемой в оптически прозрачной среде. Акустические волны в таких устройствах, как правило, возбуждаются пьезоэлектрическими преобразователями.
Из уровня техники известно, что существуют оптические фильтры, использующие в своей работе принцип акустооптического взаимодействия. Такие устройства, обычно, состоят из акустооптической ячейки, одного или двух поляризаторов и фотоприемника. Акустооптическая ячейка содержит светозвукопровод, выполненный из монокристалла, и пьезоэлектрический преобразователь, установленный на одной из граней светозвукопровода, используемый для возбуждения в нем звуковой волны. Существует большое количество различных типов перестраиваемых акустооптических фильтров, например: US 3729251 A, US 4685772 A, RU 2388030 C1, RU 2366988 C1, RU 2025756 С1. Данные устройства используют разнообразные геометрии акустооптического взаимодействия, включая коллинеарную. Отличительной особенностью перестраиваемых акустооптических фильтров является возможность перестройки их полосы пропускания в некотором спектральном диапазоне.
Акустооптический эффект заключается в дифракции света на акустической волне, распространяющейся в оптически прозрачной среде. Полоса пропускания акустооптических фильтров изменяется в некотором спектральном диапазоне, пропуская только часть спектральных компонент светового излучения. Перестройка полосы пропускания осуществляется посредством изменения частоты акустической волны распространяющейся в среде, при этом существует взаимооднозначное соответствие между частотой акустических колебаний и длиной волны дифрагирующего светового излучения, называемое условием фазового синхронизма. Акустооптические фильтры отличаются малыми массой и габаритами, однако, не всегда имеют достаточно узкую полосу пропускания. Еще одним негативным качеством акустооптических фильтров является наличие боковых максимумов у функции пропускания, которые пропускают часть нежелательных спектральных компонент светового излучения.
Из уровня техники известны акустооптические устройства, использующие в своей работе модуляцию интенсивности светового излучения с частотой ультразвука, получаемую при помощи метода оптического гетеродинирования (В.И. Балакший, И.А. Нагаева. Оптоэлектронный генератор на основе акустооптического взаимодействия. Квант, эл., 1996, т. 23, №3, стр. 261-264; В.И. Балакший, И.М. Синев. Конкуренция мод в акустооптическом генераторе с акустооптическим гетеродинированием. Квант, эл., 2004, т. 34, №3, стр. 277-282) за счет применения цепи электрической обратной связи. Такие устройства называются оптоэлектронными генераторами. В них фотоприемное устройство регистрирует амплитудную модуляцию светового излучения с частотой, равной частоте ультразвука, требуемой для выполнения условия фазового синхронизма. Далее эта частота усиливается усилителе и подается по цепи обратной связи на пьезоэлектрический преобразователь акустооптической ячейки, возбуждающий в ней акустические волны на частоте фазового синхронизма. Данные системы имеют несколько недостатков. Во-первых, использование метода оптического гетеродинирования, требующего точной оптической юстировки системы, поскольку характеристики системы зависят от того, на сколько точно сведены опорный и сигнальный пучки. Во-вторых, возможность существования нескольких акустических частот в акустооптической ячейке, число которых определяется расстоянием от плоскости пьезоэлектрического преобразователя до места, через которое световой пучок проходит через акустооптическую ячейку. Следовательно, на оптическом выходе оптоэлектронного генератора могут существовать одновременно несколько световых волн с разными длинами волн и амплитудами.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является акустооптическое устройство, осуществляющее модуляцию интенсивности оптического сигнала с частотой возбуждаемого ультразвука, содержащее: изготовленную из оптически анизотропного кристалла акустооптическую ячейку, вырезанную таким образом, чтобы обеспечивался коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием светового излучения одновременно в несколько дифракционных порядков, оптический поляризатор, расположенный на входе акустооптического фильтра и ориентированный таким образом, чтобы на выходе акустооптической ячейки существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы, анализатор, расположенный на выходе акустооптической ячейки, ориентированный таким образом, чтобы на его выходе осуществлялась интерференция +1 -го, -1-го и 0-го дифракционных максимумов, фотоприемное устройство регистрирующее прошедшее через анализатор световое излучение (Балакший В.И., Манцевич С.Н. Влияние поляризации света на характеристики коллинеарной акустооптической дифракции. // Оптика и спектроскопия, 2009, том 106, №3, с. 499-503).
Недостатками данного устройства являются уширение полосы пропускания по сравнению с обычным коллинеарным акустооптическим фильтром, приводящее к ухудшению спектрального разрешения устройства, увеличение боковых лепестков функции пропускания акустооптического фильтра и отсутствие полезного применения получаемой амплитудной модуляции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является устранение указанных недостатков.
Техническим результатом, обеспечиваемым разработанной конструкцией, является обеспечение возможности спектральной фильтрации оптического излучения посредством акустооптического устройства, обладающего узкой полосой пропускания с возможностью обеспечения варьирования ее ширины, положения и формы функции пропускания посредством изменения электрических параметров системы.
Технический результат достигается тем, что в перестраиваемом акустооптическом фильтре, содержащем изготовленную из оптически анизотропного кристалла акустооптическую ячейку, вырезанную таким образом, чтобы обеспечивался коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием светового излучения одновременно в несколько дифракционных порядков, оптический поляризатор, расположенный на входе акустооптической ячейки и ориентированный таким образом, чтобы на выходе акустооптической ячейки существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы, анализатор, расположенный на выходе акустооптической ячейки, ориентированный таким образом, чтобы на его выходе осуществлялась интерференция +1-го, -1-го и 0-го дифракционных максимумов, фотоприемное устройство, регистрирующее прошедшее через анализатор световое излучение, совместно используются генератор радиочастоты, обеспечивающий управление центральной длиной волны полосы пропускания устройства и ее шириной, и цепь электрической обратной связи, связывающая выход фотоприемного устройства со входом пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра. При этом акустооптическая ячейка коллинеарной геометрии изготовлена из оптически анизотропного кристалла с любым химическим составом, в котором реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например молибдат кальция, ниобат лития, кварц, молибдат свинца.
Использование радиочастотного генератора, электрически связанного с цепью электрической обратной связи, дает возможность управление центральной длиной волны полосы пропускания устройства и ее шириной.
Использование цепи обратной связи позволяет обеспечить передачу части электрического сигнала от фотоприемника к пьезоэлектрическому преобразователю акустооптической ячейки, что приводит к уменьшению полосы пропускания акустооптического фильтра и увеличению эффективности акустооптической дифракции.
Использование акустооптической ячейки коллинеарной геометрии, выполненной из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например молибдат кальция, ниобат лития, кварц, молибдат свинца, позволяет обеспечить наличие нескольких интерферирующих световых пучков, распространяющихся вдоль одного направления.
Использование поляризатора и анализатора, установленных перед и после коллинеарной акустооптической ячейки, позволяет обеспечить одновременное существование +1-го -1-го и 0-го дифракционных порядков и их интерференцию.
Использование светоделителя позволяет разделить световой пучок после анализатора на два. Один из них, меньшей интенсивности, используется для создания сигнала в цепи электрической обратной связи. Второй, большей интенсивности, поступает на оптический выход системы и используется потребителем.
В заявленном перестраиваемом акустооптическом фильтре оптически анизотропный кристалл, используемый для изготовления акустооптической ячейки, является одноосным кристаллом или двуосным кристаллом, в котором можно реализовать коллинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, например молибдат кальция, ниобат лития, кварц, молибдат свинца.
Кроме того, этот кристалл вырезан таким образом, что взаимодействующие акустическая волна и световой пучок распространяются вдоль кристаллографической оси [100] (ось X), что обеспечивает коллинеарную геометрию акустооптического взаимодействия.
Сущность заявленного устройства и его функционирование основаны на свойствах дифракции света на фазовой дифракционной решетке, образуемой при распространении акустической волны в оптически анизотропной среде, и свойствах электронных систем с электрической обратной связью. Работа данного устройства оказывается возможной благодаря найденной специфической особенности коллинеарного акустооптического взаимодействия сопряженной с наличием цепи обратной связи.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема акустооптического анализатора спектра: 1 - изучаемое световое излучение, 2 - коллиматор, 3 - оптический поляризатор, 4 - акустооптическая ячейка, в которой реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, 5 - оптический анализатор, 6 - светоделитель, 7 - фотоприемное устройство, 8 - цепь электрической обратной связи, 9 - генератор радиочастотного сигнала, 10 - устройство, регистрирующее амплитуду сигнала в цепи электрической обратной связи.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
В заявляемом устройстве используется акустооптическая ячейка коллинеарной геометрии, изготовленная из кристалла, в котором такую геометрию акустооптического взаимодействия возможно реализовать; поляризатор и анализатор с плоскостями поляризации, ориентированными таким образом, чтобы на выходе акустооптической ячейки существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы. Пройдя через анализатор, эти максимумы интерферируют друг с другом, обеспечивая модуляцию интенсивности светового излучения с частотой ультразвука, возбуждаемого в акустооптической ячейке. Далее световое излучение попадает на светоделитель, часть излучения после делителя попадает на фотоприемное устройство, которое регистрирует модуляцию интенсивности светового излучения и переводит световой сигнал в электрический. Другая часть светового излучения, после делителя попадает на оптический выход предлагаемого устройства. По цепи электрической обратной связи сигнал с фотоприемника подается на пьезоэлектрический преобразователь акустооптической ячейки. При этом часть электрического сигнала подается на вход регистрирующего устройства, которое измеряет амплитуду электрического сигнала в цепи электрической обратной связи и служит для контроля аппаратной функции устройства. Радиочастотный генератор, электрически связанный с выходом цепи обратной связи и входом пьезоэлектрического преобразователя, используется для возбуждения акустических волн в акустооптической ячейке и управляет центральной длиной волны полосы пропускания предлагаемого устройства и шириной полосы пропускания. Таким образом, данная система пропускает только часть спектра оптического излучения, поступающего на ее оптический вход, осуществляя спектральную фильтрацию. За счет многократного прохождения сигнала (аналогично интерферометру Фабри-Перо) такая система обладает полосой пропускания гораздо более узкой, чем исходный коллинеарный фильтр (коллинеарная акустооптическая ячейка, поляризатор и анализатор), являющийся одним из ее составных элементов. При этом шириной полосы пропускания можно управлять, изменяя амплитуду сигнала генератора и параметры электрической цепи обратной связи.
Световое излучение может быть от любого источника - как когерентного, так и нет. Коллиматор представляет собой оптическое устройство, известное из уровня техники, служащее для формирования нерасходящегося однородного пучка на входе акустооптической ячейки. Оптический поляризатор и анализатор так же известны из уровня техники и могут иметь любую из известных конструкцию и исполнение. Акустооптическая ячейка, реализующая коллинеарную геометрию взаимодействия, является устройством, хорошо известным и освоенным промышленностью. Делитель светового излучения служит для отбора части светового излучения в цепь обратной связи, может быть любой конструкции. В качестве фотоприемного устройства может использоваться фотоприемное устройство любой конструкции, имеющее оптический и частотный диапазоны работы, соответствующие оптическому и частотному диапазонам работы акустооптической ячейки. Применение цепей обратной связи в радиотехнике также широко известно из уровня техники. В данном устройстве может использоваться цепь обратной связи любой конструкции при условии, что ее частотный диапазон работы совпадает с частотным диапазоном работы акустооптического фильтра. В предлагаемом устройстве может применяться любое регистрирующее устройство, например осциллограф или специально созданная компьютерная программа. Генератор радиочастоты может быть любой конструкции при условии, что он будет генерировать синусоидальные колебания, амплитуду и частоту которых можно изменять.
Промышленная применимость
Предлагаемое устройство (перестраиваемый акустооптический фильтр) может быть воспроизведено на основе элементов, освоенных и серийно выпускаемых промышленностью.