Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 1 01;07;08;12 Повышение эффективности акустооптического модулятора с двухлучевой диаграммой направленности методом коррекции двухчастотного электрического сигнала 1 й С.Н. Антонов,1 В.В. Проклов,1 Ю.Г. Резвов,2 Л.Н. Чесноков,1 В.Н. Чесноков 1 Институт радиотехники и электроники РАН, 141190 Фрязино, Московская область, Россия e-mail: proklov@mail.cplire.ru 2 Новомосковский институт Российского химико-технологического университета, 301650 Новомосковск, Тульская область, Россия e-mail: rezvov@newmsk.tula.net (Поступило в Редакцию 1 марта 2005 г.) Впервые теоретически исследована возможность формирования эффективной двухлучевой диаграммы направленности при брэгговской акустооптической дифракции. Показано, что увеличение эффективности диффракции в основные лучи возможно при подмешивании к двухчастотному сигналу дополнительных спектральных составляющих, соответствующих ближайшим комбинационным частотам. Подмешивание дополнительного сигнала осуществлено в рамках оригинальной радиотехнической системы полиноминальной нелинейной коррекции управляющего сигнала. Проведено экспериментальное исследование брэгговской дифракции на корректированном сигнале в высокоэффективном модуляторе из парателлурита (TeO2). Получено удовлетворительное согласие с теорией и достигнуты перспективные для практики результаты. В частности, совокупная максимальная эффективность дифракции в два основных луча повышена с 68 до 79%.

PACS: 78.20.Hp, 07.60.-j Введение электрического сигнала способна уменьшить потери мощности при формировании многолучевого режима.

В известных системах термической записи изобраВ настоящей работе впервые теоретически и эксперижений на поверхности твердых тел с использованием ментально исследуется возможность улучшения хараклинейно поляризованного и/или неполяризованного изтеристик брэгговского двухчастотного АОМ на основе лучения мощных технологических лазеров существует нелинейной коррекции двухчастотного управляющего потребность в многолучевом режиме. Он заключается сигнала.

в формировании нескольких близко расположенных лучей с одинаковой максимально возможной мощностью, Теоретическая часть высоким контрастом модуляции и слабым окружающим фоном.

Пусть на пьезопреобразователь АОМ подается квазиРаспространенные в настоящее время технические гармонический сигнал вида s(t) =A Re{a(t) exp( jBt)}, решения на базе акустооптических модуляторов (АОМ), где a(t) Ч комплексная функция модуляции, такая что к сожалению, хорошо обеспечивают лишь однолучевой |a| 1; B Ч циклическая частота звука, соответствуюрежим [1]. Связано это с тем, что при подаче на щая условию синхронизма в условиях брэгговского ревход АОМ многочастотного сигнала принципиальная жима дифракции. Предположим для упрощения, что пьенелинейность акустооптического (АО) взаимодействия зопреобразователь не вносит амплитудно-фазовых искаприводит к возникновению многочисленных Дложных лучейУ, обусловленных интермодуляционными искаже- жений. Если пренебречь дисперсией скорости звука, то ниями. В простейшем практически важном случае двух- распределение амплитуды возбуждаемой акустической частотной модуляции эффективность дифракции в каж- волны (распространяющейся вдоль оси x) определяется функцией a(t, x) =a(t - x/vs), где vs Чскорость звука.

дый из двух основных лучей не превышает 34% даже Пусть монохроматический световой пучок падает на в брэгговском режиме [2]. В этом случае основные ячейку под углом брэгговского синхронизма в плоскости потери мощности происходят из-за возникновения двух ДложныхУ лучей, соответствующих двухтоновым интер- дифракции xz. Обозначим распределение комплексной амплитуды этого пучка Ei(x, y, z ).

модуляционным искажениям третьего порядка.

В последнее время получены новые результаты, осно- Известно, что при малой ширине углового спекванные на нелинейной коррекции входного электриче- тра падающего света спектр дифрагированного света ского сигнала [3,4], что приводит к улучшению харак- почти точно передает спектральный состав звуковых теристик АО взаимодействия, важных в данном кон- колебаний (в условиях слабого взаимодействия). Иначе кретном случае. Можно предположить, что коррекция это условие можно написать в виде l tg t,d d, где Повышение эффективности акустооптического модулятора с двухлучевой диаграммой... l Ч длина взаимодействия, t,d Ч углы падения и характер дифракции. Чем ближе параметры модулидифракции, d Ч поперечный размер пучка света в плос- рующей функции к условию |a(t)| = const, тем выше кости дифракции. В этом случае эволюция комплексных предельная эффективность дифракции в дифрагированамплитуд проходящего Et(x, y, z, t) и дифрагированного ный свет и тем меньше нелинейные искажения при Ed(x, y, z, t) световых пучков в возмущенном звуком одинаковом уровне эффективности. В этом смысле слое определяется системой двух связанных уравне- случай |a(t)| = const наиболее близок к дифракции на ний [5]: монохроматическом сигнале (a(t) =1), при котором выполняются отмеченные особенности.

T dEd(x, y, z, t) v = a(t, x)Et(x, y, z, t), Пусть Ya =(1/T ) |a(t)|2dt Ч среднее значение dz 2l функции |a(t)|2 за период модулирующей функции dEt(x, y, z, t) v = - a(t, x)Ed(x, y, z, t), T (или за время прохождения звука через свеdz 2l товое пятно). Среднеквадратичное отклонение функгде v Ч индекс фазовой модуляции, рассчитанный для ции |a(t)|2 от константы характеризует выражение T несущей волны в тех точках, где |a(t, x)| = 1; a(t, x) Ч D =(1/T ) |a(t)|2/Ya - 1 dt, что дает количественкомплексно-сопряженное выражение.

На выходе из области взаимодействия (z = l) комную меру близости к условию |a(t)| = const. Если паплексные амплитуды световых пучков можно найти раметр d содержит величины, доступные для измерения, методом последовательных приближений то можно управлять предельно достижимой эффектив ностью дифракции и уровнем интермодуляционных исv 1 v Ed(x, y, l, t) = a( ) - a( )|a( )|2 кажений. Необходимым условием минимума параметра 2 6 D является система 1 v D + a( )|a( )|4 +... Ei(x, y, 0), = 0, (3) 120 i 2 где i Ч варьируемые параметры.

1 v Et(x, y, l, t) = 1 - |a( )|Можно предположить, что определенная амплитудно2 фазовая коррекция входного сигнала способна улучшить характеристики АО взаимодействия, существенные 1 v x + |a( )|4 +... Ei(x, y, 0), = t -. (1) в данном случае. Эта коррекция должна уменьшать 24 2 vs значение D, что означает приближение к Дидеальному Из (1) видно, что в случае |a(t)| = 1 соотношения условиюУ |a(t)| = const.

упрощаются Если сигнал содержит две равных по амплитуде и близких по частоте (1,2, причем|1 - 2| 1,2) комEd(x, y, l, t) =a( ) sin(v/2)Ei(x, y, 0), поненты сигнала, то можно написать a(t) exp( j t) + + exp(- j t) cos( t), где =(1 - 2)/2. Это экEt(x, y, l, t) =cos(v/2)Ei(x, y, 0). (2) вивалентно случаю амплитудной модуляции по гарВ данных условиях возможны 100%-ная эффектив- моническому закону. Если обозначить индекс фазовой модуляции, измеренный только на одной из частот 1,ность дифракции при v = и точное преобразование через v0, то в данном случае v = 2v0. Дифрагированный спектра электрического сигнала в пространственный свет будет состоять из двух основных лучей, а также спектр дифрагированного света (в пределах полосы АО лучей, соответствующих комбинационным частотам. Из взаимодействия). Можно отметить, что наиболее общий последних обычно наиболее заметны интермодуляционслучай реализации условия |a(t)| = 1 Ч это дифракция ные искажения 3-го порядка. Эти лучи создают ложные на акустической волне с фазовой модуляцией.

отклики на звуковых частотах 21 - 2 и 22 - 1.

Из (1) видно, что при отступлении от условия |a(t)| = 1 предельно достижимая эффективность дифрак- В рассмотренном случае расчет дает D = 1/2 незавиции будет уменьшаться. Пространственный спектр ди- симо от фаз сигналов.

Предположим, что к двухчастотному сигналу подфрагированного света только при слабом взаимодеймешиваются еще две компоненты равных амплитуд с ствии отображает спектр акустического сигнала. Увечастотами, точно соответствующими указанным искажеличение индекса модуляции приводит к искажению ниям 3-го порядка. Тогда спектра, которое тем больше, чем сильнее отступление от указанного условия. Обогащение пространственного a(t) cos( t) +(/2)(exp(3 j t + jF1) спектра дифрагированного света компонентами, которые отсутствуют в акустическом сигнале, вызвано интермо+ exp(-3 j t + jF2)), дуляционными искажениями.

Эти соображения показывают влияние формы мо- где Ч относительные амплитуды подмешиваемых дулирующей функции квазигармонического сигнала на компонент, F1,2 Ч их фазы.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 62 С.Н. Антонов, В.В. Проклов, Ю.Г. Резвов, Л.Н. Чесноков, В.Н. Чесноков гая значения D = 0.221. При дальнейшем увеличении мощности подмешиваемого сигнала параметр D растет.

Рис. 1 иллюстрирует приведенные особенности и характерное поведение параметра D. Наименьшее значение параметра D достигается при = 0.6-0.8, когда при соответствующем подборе фаз почти 90% падающего света отклоняется в совокупность лучей, образующих дифракционный порядок. Этот анализ показывает, что хорошая совокупная эффективность дифракции наблюдается в широком интервале значений варьируемых параметров. В частности, в диапазоне = 0.2-0.35 в широком интервале значений f параметр D меняется слабо.

Теперь можно предположить, что формирование двухлучевой диаграммы будет эффективно происходить вблизи диапазона параметров, соответствующих минимальным значениям параметра D. Фиксируем значения f = 0, f =, тогда функция модуляции примет вид 1 a(t) cos( t) - cos(3 t). (5) Подставим (5) в (1) c использованием достаточного количества слагаемых, проведем тригонометрические преобразования, после чего выделим слагаемое, пропорциональное cos( ). Это слагаемое даст равные по модулю амплитуды двух основных лучей. Аналитическое исследование показывает, что при коррекции вида (5) наибольшая эффективность дифракции в основные два порядка наступает при = 0.256 и составляет 38.3% в каждый из лучей. Вообще в интервале значений от 0.19 до 0.32 указанная интенсивность не менее 38%, что говорит о допустимости заметных вариаций этого Рис. 1. Зависимость параметров D от при f = 0, f = (a) 1 параметра.

и от f при f =, = 0.2 (1), 0.25 (2), 0.35 (3) (b).

1 Важно отметить, что при коррекции по закону (5) изменится соотношение между v и v0. В частности, при = 0.256 будет v = 1.79v0.

Это выражение удобно переписать в виде a(t) cos( t) + exp( j f ) cos(3 t + f ), где f = 1 2 Экспериментальная часть =(F1 + F2)/2, f =(F1 - F2)/2. Применение изложенной методики дает Методика эксперимента. Экспериментальное D =(1 + 4 cos f cos f + 82 cos2 f + 4)/2(1 + 2)2.

2 1 1 исследование формирования двухлучевой диаграммы на(4) правленности с максимально возможной дифракционной эффективностью осуществлялось в брэгговском режиме Анализ выражения (4) вместе с использованием услона экспериментальной установке, блок-схема которой вия (3) дает следующие результаты. При малой мощноприведена на рис. 2. Установка включает в себя два сти подмешиваемого сигнала ( 1) минимум достиганезависимых ВЧ генератора, синтезатор предискажений, ется при условии cos f cos f = -1, т. е., например, при 1 анализатор радиочастотного спектра сигналов на входе F1 = F2 =. Это фазовое условие сохранения вплоть до значения = 0.250, при превышении которого зна- АО ячейки (АОЯ), одномодовый HeЦNe лазер (длина волны излучения 0 = 0.63 m), устройство отклонения чениям F1 = F2 = соответствует локальный максимум (сканирования) дифрагированного света, фотоприемник при вариации фаз. Можно отметить, что при небольших отступлениях от этого условия минимумы всегда дости- и осциллограф (вместо него иногда используется блок аналого-цифрового преобразования, сопряженный с пергаются при f =. Если это значение фиксировано, то при >0.250 значению f = 0 соответствует локаль- сональным компьютером).

ный фазовый максимум, а при небольшом отклонении В качестве акустооптического материала использоот этого условия наблюдаются локальные минимумы. вался монокристалл парателлурита TeO2, в котором Если фиксированы значения фаз f = 0, f =, то медленная сдвиговая волна, возбуждаемая с помощью 1 параметр D уменьшается вплоть до = 0.278, дости- пьезопреобразователя, распространялась в плоскости Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Повышение эффективности акустооптического модулятора с двухлучевой диаграммой... сигналов в этих каналах при последующем сложении в нужной пропорции делают возможным подбор любой фазы и амплитуды для сигналов с частотами 2f - f 1 и 2 f - f. Далее полученный сигнал коррекции сумми2 руется с основным сигналом X и поступает на выход синтезатора Uout и далее через усилитель мощности на вход акустооптической ячейки. Как видно из схемы синтезатора, фаза синтезируемых интермодуляций 3-го порядка не зависит от амплитуды входного сигнала, а амплитуда зависит кубично.

Основные измеряемые величины Ч дифракционная эффективность и индекс фазовой модуляции для кажРис. 2. Блок-схема экспериментальной установки: 1 Чсиндого из двух сигналов v0 калибровались несколькими тезатор предыскажений, 2 Ч спектроанализатор, 3 ЧАОЯ, методами. Так, для определения величины дифракцион4 Ч лазер, 5 Ч осциллограф, 6 Ч ФД, 7 Ч диафрагма, ной эффективности основного луча первого порядка 8 Члинза, 9 Ч зеркало.

использовалась следующая процедура. Излучение лазера с помощью электромеханического прерывателя подвергалось амплитудной модуляции с частотой 2kHz.

На осциллографе последовательно измерялись отклики при фиксированных положениях поворотного зеркала сканирующего устройства: сначала при попадании в фотоприемник проходящего света (нулевой порядок в отсутствие звука), а затем в максимуме первого порядка (при включенном непрерывном звуке). Значение определялось как отношение амплитуд второго отклика к первому. Заметим, что дополнительные проверки спектральных и динамических характеристик приемного тракта показали корректность данного метода калибровРис. 3. Схема синтезатора.

ки измерений. Для дополнительного контроля измерялась величина ДобедненияУ света в нулевом порядке при дифракции на одном монохроматическом сигнале с (001) под малым углом 6 к кристаллографиче- максимумом дифракционной эффективности. Результаты = основной и дополнительной методик находились в удоскому направлению [110]. Скорость звука в данном влетворительном согласии.

направлении vs = 650 m/s. Свет распространялся вблизи Калибровка значений v0 осуществлялась путем апоси [001] под брегговским углом к акустической волне проксимации экспериментальной зависимости дифраки был линейно поляризован в плоскости дифракции.

ционной эффективности для монохроматического сигнаДиапазон перестройки рабочих частот для каждого из ла от его амплитуды на входе законом 1 sin2(v0/2).

двух входных сигналов составил 45Ц52 MHz.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам