Акустооптические перестраиваемые фильтры в устройствах спектрального анализа оптических сигналов

Актуальность темы

В последние годы методы оптической обработки информации активно внедряются в различные области науки и техники. Гигантская информационная емкость является одной из причин широкого использования оптических сигналов.

Среди разнообразных методов оптической обработки информации особое место занимают спектроскопические методы, использующие различные спектральные приборы для исследования спектров излучения, поглощения, отражения, флуоресценции и других. На основании изучения этих спектров возможно получение информации как о физических процессах в источнике излучения, так и о свойствах той среды, через которую распространяется излучение. Например, исследования спектров поглощения веществ позволяют определять их химический состав, агрегатное состояние, температуру, давление и другие факторы.

Спектральный анализ отличает высокая точность (уступает только химическому анализу) и высокая оперативность. Возможность исследования изменения спектра, которое происходит при переходе из одного агрегатного состояния вещества в другое, при растворении, изменении температуры, давления, позволяет судить о величине и характере межмолекулярных взаимодействий.

В технике спектроскопии используются различные физические принципы преобразования сложного излучения с целью изучения данных о спектральном составе этого излучения. Акустооптика [1−8] -наука относительно новая, и спектральные приборы на акустооптических (АО) элементах появились сравнительно недавно. Сравнительный анализ показывает, что они по многим параметрам превосходят традиционные устройства.

Такие преимущества АО спектрометров как высокое быстродействие, гибкость при перестройке, возможность управления характеристиками, малая чувствительность системы к тряске и вибрации, высокая повторяемость результатов, простота настройки, а также предельно малый вес и габариты связаны с отсутствием движущихся частей в их конструкции и электронным механизмом управления АО элемента.

Однако следует заметить, что далеко не все потенциальные возможности акустооптических перестраиваемых фильтров (АОПФ) на данный момент использованы. И приборы на их основе обладают возможностью усовершенствования.

Динамический диапазон спектрометра определяет способность системы одновременно обрабатывать оптические излучения разной мощности. Он всегда зависит от уровня боковых лепестков спектрального отклика системы. Как правило, этот уровень ограничен шв.

Угловая апертура устройства — очень важный параметр. В случае, если она не велика (доли градуса), необходим дополнительный оптический блок угловой селекции для стабилизации углового положения падающего на АО ячейку света. И даже при этом из всего падающего оптического света полезно будет использоваться только его малая часть. АОПФ с большой угловой апертурой позволил бы гораздо полнее использовать падающий световой поток и в ряде случаев отказаться от блока угловой селекции.

Известно, что разрешающая способность традиционного спектрального прибора (в том числе и акустооптического) не является постоянной величиной и зависит от длины волны. Соответственно, не постоянна и точность измерения таких приборов.

Исследования нестационарных источников оптического излучения (например, пламени) для раннего обнаружения пожароопасной ситуации требуют применения приборов с предельным быстродействием.

Цель и задачи работы. Диссертация посвящена исследованию особенностей акустооптических спектрометров, выявлению и реализации путей их возможного усовершенствования и направлена на решение следующих задач:

1) классификация видов и режимов АО взаимодействия, применяемых в спектральных приборах;

2) теоретическое и экспериментальное исследование возможности расширения динамического диапазона АО спектрометра;

3) разработка АОПФ с расширенной угловой апертурой;

4) определение максимально допустимой скорости сканирования АОПФ;

5) выравнивание разрешающей способности спектрального прибора в диапазоне анализа.

Научная новизна работы состоит в том, что в ходе выполнения исследования впервые:

1)для расширения динамического диапазона акустооптического спектрометра при помощи взвешивания амплитуды акустической волны в апертуре ячейки синтезирован управляющий сигнал в виде последовательности импульсов специальной формы;

2) получено общее выражение для аппаратной функции спектрометра на базе АОПФ в режиме объемной фильтрации оптического излучения, которое учитывает динамический характер взаимодействия, спектр управляющего сигнала и инерциальные свойства фотоприемникарассчитанные динамические аппаратные функции АО спектрометра при ЛЧМ управляющем воздействии позволяют оптимизировать соотношение «быстродействие — разрешающая способность»;

3) при проектировании АОПФ на парателлурите, в котором реализуется субколлинеарная геометрия взаимодействия, использовано отражение акустической волны при угле падения больше чем 90°, что привело к расширению поперечного размера акустического столба в 1.5 раза;

4) предложен способ определения параметров широкоапертурной геометрии АО взаимодействия в оптически одноосных кристаллах, основанный на равенстве вторых производных в точках пересечения векторов с волновыми поверхностями и позволяющий максимизировать угловую апертуру перестраиваемого фильтра в плоскости взаимодействия;

5) метод управления полосой пропускания АОПФ, в котором используется модуляция управляющего сигнала, применен к задаче выравнивания разрешающей способности АО спектрометра. Синтезированный управляющий сигнал позволяет нормализовать ошибку и выровнять точность измерения спектрометра в октавном диапазоне.

Практическая ценность:

1) при автоколлимационной схеме включения квазиколлинеарного АОПФ на парателлурите на практике реализован динамический диапазон в 25 дБ;

2) за счет применения планарного и объемного механизмов фильтрации равной разрешающей силы на базе квазиколлинеарного АОПФ на парателлурите практически достигнут динамический диапазон в 22 дБ;

3) на базе кристалла парателлурита спроектирован, изготовлен и экспериментально измерен АОПФ по субколлинеарной геометрии, который обладает высоким спектральным разрешением 8Х=0.3 нм, высокой эффективностью дифракции 80% при 20 мВт управляющей мощности (на А,=633 нм) и имеет габариты 7x7x42 мм- 4) при помощи управляющего сигнала представляющего собой сумму трех гармоник с равными амплитудами и контролируемым спектральным интервалом между собой реализовано плавное расширение полосы пропускания коллинеарного АОПФ (на Са\Ю4) в 4 раза (0.65−2.6 нм) в диапазоне 0.6−1.2 мкм.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1) методы включения АО ячейки, эквивалентные каскадному соединению нескольких АОПФ, которые позволяют расширить динамический диапазон АО спектрометра до 25 дБ (автоколлимационная схема включения) и 32 дБ (использование планарного и объемного механизмов фильтрации на одном АО элементе);

2) управляющий сигнал в виде последовательности импульсов специальной формы, а также схема бланкирования фотосигнала на интервалы переходных процессов, позволяющие вследствие взвешивания амплитуды акустической волны в апертуре ячейки расширить динамический диапазон АО спектрометра до 40 дБ;

3) расчетные динамические аппаратные функции АО спектрометра при ЛЧМ управляющем воздействии позволяющие определять максимально допустимую скорость сканирования АО спектрометра, при которой разрешающая способность прибора ухудшается на заданную величину;

4) схема возбуждения акустической волны требуемого типа и ориентации в упруго анизотропной среде с использованием ее отражение от оптической грани при угле падения больше, чем 90°, что позволило уменьшить габариты АО ячейки при реализации субколлинеарного взаимодействия в кристалле парателлурита;

5) способ определения параметров широкоапертурной геометрии АО взаимодействия в оптически одноосных кристаллах основанный на равенстве вторых производных в точках пересечения векторов с волновыми поверхностями. Это позволило найти аналитически оптимальные углы, задающие геометрию взаимодействия, при которой угловая апертура перестраиваемого фильтра в плоскости взаимодействия максимальна;

6) управляющий сигнал специальной формы представляющий собой сумму трех гармоник с равными амплитудами, спектральные интервалы между которыми изменяются по квадратичному закону, позволяющий выровнять разрешающую способность АО спектрометра в октавном диапазоне.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на «Второй международной научно-технической конференции по оптической обработке информации» (г Пушкин, 1996г), на международной конференции «Европейский акустооптический клуб» (г Санкт-Петербург, 1997г), на международной молодежной научной конференции «Методы обработки информации на основе достижений акустоэлектроники и акустооптики» (Санкт-Петербург — ВалаамКижи — Петрозаводск, 1998г), на «Третьей международной научно-технической конференции по оптической обработке информации» (г Суздаль, 1999г), а также обсуждались на научных семинарах, проходящих совместно с заседаниями Головного совета по приборостроению (Санкт-Петербург, 1997;1999гг), и на научных семинарах кафедры физических и теоретических основ радиоэлектроники СПГУАП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных трудов, в том числе: 4 статьи и 5 тезисов докладов научных конференций. Кроме того, 3 статьи на данный момент находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка используемой литературы. Общий объем — 135 страницы включая 40 рисунков. Список используемой литературы содержит 97 наименований.

5.3 Выводы.

1. Выбор размера выходной диафрагмы в соответствии с (5.1.2) позволяет выровнять относительную разрешающую способность планарного акустооптического спектрометра при перестройке в октавном диапазоне. Достоинства данного метода — простота выполнения, стабилизация коэффициента передачи. Недостатки — а) не удается выровнять абсолютную разрешающую способностьб) метод применим только к планарным спектрометрам.

2. Сигнал специальной формы (5.2.1) подаваемый на управляющий вход АОПФ использует свойство управления полосой пропускания фильтра. С целью выравнивания реализуется расширение полосы пропускания АОПФ на малых длинах волн. К достоинствам приведенного метода следует отнести: а) возможность использования в любых типах акустооптических спектрометровб) возможность нормализации как относительной так и абсолютной разрешающей способности. Недостатки следующие: а) сравнительная сложность реализации (дополнительные блоки, требования выдержать закон изменения частоты модулирующего сигнала, юстировка) — б) возможность использования только в октавном диапазоне.

3. Изменение полосы пропускания АОПФ при подаче сигнала (5.2.1) не сопровождается увеличением уровня боковых лепестков спектрального отклика.

4. Сигнал вида (5.2.1) удобно использовать не только в спектрометрах, но также в устройствах на АОПФ, осуществляющих модуляцию ширины спектра оптического сигнала. Таким образом модулированный оптический сигнал обладает повышенной скрытностью и его целесообразно использовать для передачи секретной информации.

Заключение

.

В ходе выполнения работы сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1) в результате проведенного анализа различных видов и режимов акустооптического взаимодействия, используемых в устройствах спектрального анализа оптических сигналов, определено два механизма фильтрации оптического излучения — планарный и объемный. Планарный механизм наиболее перспективен в изотропных средах, объемный — в анизотропных. Коллинеарный, квазиколлинеарный и субколлинеарный режимы АО взаимодействия позволяют сочетать высокую эффективность дифракции с высокой спектральной селективностью.

2) установлено, что автоколлимационная схема включения АОПФ позволяет практически уменьшить уровень боковых лепестков спектрального отклика до -25 дБ при одновременном улучшении разрешающей способности на 30%. Применение планарного и объемного механизмов фильтрации на одном АО элементе при соотношении разрешающих сил каждого из механизмов /^=(9.7Ко позволяет реализовать уровень боковых лепестков спектрального отклика в -32 дБ при одновременном улучшении разрешающей способности на 20%. Использование амплитудно-модулированного управляющего сигнала позволяет иметь крайне малый уровень боковых лепестков спектрального отклика (-40 дБ) при существенном (в 3 раза) ухудшении разрешающей способности.

3) для АО спектрометра, работающего в режиме объемной фильтрации, получено общее выражение вход-выход (3.23), которое учитывает бегущий характер акустической волны, спектр управляющего сигнала и инерциальные свойства фотоприемника. Установлено, что для модели гауссовского эргодического случайного оптического воздействия рассматриваемое устройство является анализатором спектра мощности.

4) на основании полученного общего соотношения рассчитаны динамические аппаратные функции АО спектрометра при ЛЧМ управляющем воздействии. Установлено, что в случае большого времени анализа (много больше постоянной фотоприемника и временной апертуры ячейки) аппаратная функция прибора определяется АЧХ АО взаимодействия. При сокращении времени анализа происходит расширение аппаратной функции, а также заплывают боковые лепестки, что позволяет определять максимально допустимое быстродействие устройства при ухудшении разрешающей способности на заданную величину.

5) теоретически и экспериментально исследован новый тип субколлинеарного АО взаимодействия в кристалле парателлурита. Принимая во внимание сильную упругую анизотропию парателлурита, предложена схема возбуждения акустической волны требуемого типа и ориентации с использованием ее отражение от оптической грани, что позволило уменьшить габариты АО ячейки.

6) установлено, что спектральный отклик АОПФ находящегося в анизотропном режиме АО взаимодействия в акустически анизотропной среде принимает несимметричный вид. При этом существенная несимметрия наблюдается в случае когда: а) угол между волновой нормалью падающего света и вектором переноса энергии малб) взаимодействие осуществляется вплоть до конца ближней, начала средней зоны преобразователя.

7) предложен способ определения параметров широкоапертурной геометрии АО взаимодействия в оптически одноосных кристаллах, который кроме условия параллельности касательных требует равенства вторых производных в точках пересечения векторов с волновыми поверхностями и, таким образом, реализует максимальную угловую апертуру в плоскости дифракции, что позволяет увеличить светосилу АО спектрометров, а также использовать широкоапертурные АОПФ для фильтрации оптических изображений. Полученные условия позволяют найти аналитически оптимальные углы (2.7.7), задающие ориентацию широкоапертурной геометрии взаимодействия в различных одноосных кристаллах.

8) разработан метод выравнивания разрешающей способности акустооптического спектрометра, основанный на возможности управления полосой пропускания АОПФ, в котором используется управляющий сигнал специальной формы (5.2.1). Предлагаемый управляющий сигнал представляет собой сумму трех гармоник с равными амплитудами, спектральные интервалы между которыми изменяются по квадратичному закону. Подача такого сигнала не сопровождается ростом боковых лепестков усредненного спектрального коэффициента передачи АОПФ и не приводит к усложнению схемы обработки фотосигнала спектрометра. Разработанный метод позволяет выровнять как относительную, так и.