АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ РАДИОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА Российский патент 1996 года по МПК G02F1/11 G02F1/33 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в устройствах акустооптической обработки радиочастотных сигналов. Известны конструкции акустооптических спектроанализаторов радиочастотных электрических сигналов, основанных на явлении дифракции света на решетке показателя преломления, создаваемой упругой волной в среде, обладающей фотоупругими свойствами, и прозрачной для оптических и акустических волн. В таких устройствах когерентный монохроматический поток света вводится в акустооптическую ячейку, в которой за счет подачи радиочастотного сигнала на пьезопреобразователь возбуждаются акустические волны, распространяющиеся в направлении, поперечном к направлению распространения света. Распространение акустической волны со скоростью звука связано с появлением волны деформаций в кристалле (участков растяжения и сжатия), что в фотоупругих материалах приводит к возникновению двулучепреломления и к появлению периодического распределения показателя преломления решетки, ориентированной поперечно к направлению распространения лазерного излучения. Таким образом при подаче радиочастотного сигнала в акустооптическую ячейку вследствие возникновения фазовой дифракционной решетки возникает дифракция света. Свет, прошедший акустооптическую ячейку, попадает на собирающую линзу, формирующую в фокальной плоскости дифракционный максимум. При этом угол дифракции света определяется в том числе длиной волны звуковой волны L и, соответственно, частотой радиочастотного электрического сигнала f. Возникновение дифракционного максимума в определенной точке фокальной плоскости линзы позволяет определить наличие радиочастотного сигнала заданной частоты f. Такие устройства обычно называют акустооптическими радиометрами. В случае подачи в устройство нескольких радиочастот можно одновременно наблюдать несколько дифракционных максимумов, интенсивность света в которых пропорциональна мощности радиочастотных сигналов, что позволяет реализовать спектроанализатор радиочастотных сигналов. Точность определения заданной радиочастоты f определяется при этом шириной дифракционного максимума и в случае сильно зашумленного сигнала, содержащего значительное число частотных компонент входного сигнала, оказывается неудовлетворительной вследствие наличия паразитных дифракционных составляющих светового сигнала, связанных с наличием нелинейных корреляционных связей в материале акустооптической ячейки.

Наиболее близким к предлагаемому является акустооптический радиометр на основе акустооптической ячейки, работающей в режиме дифракции Брегга и включающей в себя акустооптическую ячейку, лазерное излучение на которую падает под определенным углом θ, определяемым условием брегговской дифракции, при этом за акустооптической ячейкой имеется собирающая линза, фокусирующая дифракционный максимум на фотоприемном устройстве /1/.

Указанная схема для определения частоты радиосигнала f на фоне сильно зашумленных сигналов обладает недостаточной селективностью выделения радиосигнала заданной частоты. Кроме того, изготовление и настройка системы акустооптической обработки сигналов оказываются достаточно сложными процедурами, поскольку такая схема радиометра требует точной юстировки фотоприемного устройства по углу для каждой из измеряемых радиочастот, вводимых в акустооптическую ячейку от соответствующих генераторов.

Цель изобретения повышение обнаружительной способности акустооптического радиометра при измерении частоты радиосигнала f на фоне сильных помех при одновременном упрощении метода настройки акустооптического радиометра на заданную частоту.

Цель достигается тем, что в заявляемом акустооптическом устройстве для определения частоты радиочастотного сигнала, содержащем последовательно расположенные акустооптическую ячейку, собирающую линзу, фотоприемное устройство, перед акустооптической ячейкой, параллельно ей размещена амплитудная дифракционная решетка, являющаяся входом для входа плоскопараллельного монохроматического пучка света. Указанная дополнительная решетка, являющаяся дополнительным элементом, должна иметь определенный период решетки d (сума ширин прозрачной и непрозрачной полос решетки), согласованный с параметрами акустооптической решетки, частотой радиосигнала f и длиной волны света λ, а также должна быть установлена на определенном расстоянии перед акустооптической ячейкой. При соблюдении таких ограничений на параметры элементов, составляющих предлагаемую схему, может быть получен особый режим формирования дифракционного изображения, приводящий к возникновению не дифракционных максимумов известного вида, а системы интерференционных полос. Данный режим формирования оптического изображения принципиально не может быть получен в известной схеме акустооптического измерителя частоты радиосигнала. Преимущество такого режима формирования оптического изображения заключается в том, что в данном случае удается реализовать селекцию компонент оптического поля внутри самого акустооптического устройства, что повышает селективные свойства заявляемого акустооптического устройства с помощью весьма простых и доступных средств. Кроме того, предлагаемая схема позволяет использовать простую процедуру настройки. При этом период амплитудной решетки d, длина волны света λ, расстояние между амплитудной решеткой и акустооптической ячейкой Z, длина волны звука L в акустооптической ячейке приближенно удовлетворяют соотношению
Z ≈ N · d · L / λ (1) где N целое положительное число.

Заявляемое устройство построено по схеме решеточного интерферометра Лау /2/, в котором первая решетка является амплитудной, а вторая решетка является фазовой дифракционной решеткой /3/. При этом в заявляемом устройстве в качестве фазовой дифракционной решетки предлагается использовать акустооптическую ячейку. Соответственно, интерференционная картина представляет собой систему интерференционных полос, регистрируемых фотоприемным устройством.

В заявляемом устройстве используется не только явление дифракции света на акустической волне, как в традиционных радиометрах, но и свойства решеточного интерферометре Лау, а повышение обнаружительной способности указанного устройства достигается с помощью оптической схемы за счет двойной дифракции Френеля. Первая амплитудная дифракционная решетка освещается частично когерентным (или некогерентным) светом и с точки зрения второй, фазовой дифракционной решетки может быть описана как периодическая матрица пространственно некогерентных (или частично когерентных) источников света. Для электромагнитного светового поля, падающего на вторую решетку, с помощью теоремы Ван-Циттерта Цернике может быть вычислена комплексная степень пространственной когерентности, оказывающаяся периодической функцией. Результирующая интенсивность света, прошедшего обе решетки, определяется степенью совпадения периодического распределения комплексной степени пространственной когерентности и периодического распределения комплексного коэффициента пропускания света второй решеткой. Случай решеточного интерферометра Лау, в котором обе дифракционные решетки описываются комплексной функцией пропускания света, то есть являются как амплитудными, так и фазовыми объектами, теоретически рассмотрен в /3/. В заявляемом устройстве в качестве фазовой дифракционной решетки интерферометра Лау предлагается использовать акустооптическую ячейку, что позволяет использовать свойства интерферометра Лау для анализа радиочастотных сигналов. Схема и принцип работы заявляемого устройства таким образом существенно отличаются от известного акустооптического радиометра.

Согласно условию наблюдения интерференционных полос в схеме решеточного интерферометра Лау параллельный световой пучок подается по нормали к первой амплитудной решетке, а на вторую решетку также по нормали подается плоскопараллельный волновой фронт, испущенный первой амплитудной решеткой. Это предполагает режим дифракции Рамана-Ната, а не дифракцию Брегга, которая обычно используется в акустооптических радиометрах.

Интерференционная картина, создаваемая решеточной схемой Лау, представляет собой систему полос, и в отличие от ранее известных видов акустооптических радиометров фотоприемное устройство может регистрировать как максимумы интерференционных полос, так и дифференциальную разность контрастов черных и белых полос, или же наличие нескольких полос.

Настройка заявляемого устройства на заданную радиочастоту f осуществляется правильным выбором периода амплитудной дифракционной решетки и подбором расстояния между амплитудной дифракционной решеткой и акустооптической ячейкой, в отличие от настройки на угловое положение дифракционного максимума в известном устройстве. Подбор материала акустооптического устройства как и в известных устройствах осуществляется исходя из величины скорости распространения звука в материале.

На фиг.1 показана схема заявляемого устройства.

Акустооптическое устройство содержит последовательно расположенные амплитудную дифракционную решетку 1, на которую подается параллельный монохроматический пучок света, акустооптическую ячейку 2, собирающую линзу 3 и фотоприемное устройство 4.

Акустооптическое устройство работает следующим образом.

Параллельный монохроматический пучок света падает по нормали на амплитудную дифракционную решетку 1, при этом световые волны, испущенные с прозрачных для прохождения света участков амплитудной дифракционной решетки 1 и падающие на акустооптическую ячейку 2, характеризуются определенным уровнем пространственной когерентности и описываются функцией, называемой комплексной степенью пространственной когерентности. При подаче на акустооптическую ячейку 2 исследуемого радиочастотного сигнала в последней возникает фазовая дифракционная решетка, период L которой определяется соотношением
L v/f, (2) где f частота радиочастотного сигнала; v скорость звука в материале, из которого изготовлена акустооптическая ячейка 2. Если на вход акустооптической ячейки 2 подается искомая частота f и при этом расстояние Z между амплитудной решеткой 1 и акустооптической ячейкой 2 связано приближенным соотношением (1) с периодом d амплитудной решетки 1, длиной волны звуковой волны L в акустооптической ячейке 2, длиной волны света λ, то период фазовой дифракционной решетки, создаваемой акустической волной, будет согласован с периодом функции комплексной степени пространственной когерентности электромагнитного поля, падающего на акустооптическую ячейку 2. В результате этого возникает корреляционная связь для световых полей, испускаемых отдельными полосами фазовой дифракционной решетки в акустооптической ячейке 2, и возникает система полос Лау. С помощью собирающей линзы 3 изображение системы полос Лау для световой волны, прошедшей акустооптическую ячейку 2, формируется на фотоприемном устройстве 4, подающем сигнал об обнаружении заданной частоты f.

Приближенный характер соотношения (1) связан с использованием в интерферометрической схеме Лау фазовой, а не амплитудной второй решетки /3/. Наличие фазовой дифракционной решетки с глубиной фазовой модуляции, зависящей от мощности акустической волны, в реальном устройстве будет приводить к небольшому изменению фазовых соотношений прошедшего светового фронта. Кроме того, потери интенсивности света в реальной акустооптической ячейке также могут оказать влияние на точность выполнения соотношения (1). Возможная степень отклонения значения Z от соотношения (1) составляет до 25%
Возможный диапазон измеряемых радиочастот задается скоростью звука L в конкретном материале, подбором периода d амплитудной дифракционной решетки 1, подбором длины волны световой волны. В наиболее простом для реализации случае период d амплитудной решетки 1 и период фазовой дифракционной решетки в акустооптической ячейке 2, определяемый длиной волны акустической волны L, совпадают. Например для f 50 МГц в акустооптической ячейке из LiNbO₃, имеющей скорость звука v 6,57 · 10⁵ см/с, длина волны звуковой волны L v/f 0,13 мм. Изготовление амплитудной решетки с d 0,13 мм является вполне реальной задачей. При этом, например, для L 0,63 мкм расстояние Z между амплитудной дифракционной решеткой 1 и акустооптической ячейкой 2 составит: Z ≈ N · d · L / λ ≈ N · 2,6 см. Практически контрастная система светлых и темных полос будет наблюдаться лишь для небольших значений N, прежде всего для трех порядков интерференции, то есть для Z 2,6; 5,2 и 7,8 см.

Наиболее легко заявляемое устройство может быть реализовано для следующих параметров, представленных в таблице.

Количество интерференционных полос, соотношение черных и белых полос, их толщина, угол наклона интерференционных полос определяются соотношением толщин черных и белых полос амплитудной дифракционной решетки 1, а также степенью соответствия периода d амплитудной дифракционной решетки 1 и длины волны звуковой волны L. Амплитудная дифракционная решетка 1 может быть изготовлена литографическими методами на стекле или представлять собой фотографический шаблон. Акустооптическая ячейка может быть изготовлена из традиционных материалов, таких как LiNbO₃ и TeO₂. Использование режима дифракции Рамана-Ната в акустооптической ячейке определяется самой интерференционной схемой Лау и предопределяет использование тонких образцов. Это, естественно, уменьшает длину взаимодействия световой и акустической волн, что несколько уменьшает эффективность дифракции света в акустооптической ячейке 2 по сравнению с известной схемой акустооптического радиометра, что может быть компенсировано увеличением интенсивности светового источника, например, мощностью используемого лазера.

Настройка заявляемого устройства на заданную частоту f осуществляется установкой на одной оси амплитудной решетки 1 и акустооптической ячейки 2 и подбором расстояния Z между ними, при этом период d амплитудной решетки 1 выбирается в соответствии с заранее заданной частотой f. Удобство регулировки и возможный диапазон регулировок обусловлены возможностью использования нескольких порядков интерференции N. Толщина интерференционных полос и их наклон определяются не только степенью параллельности плоскостей амплитудной решетки 1 и акустооптической ячейки 2, но также могут быть удобно отрегулированы за счет вращения амплитудной решетки 1 вокруг оси устройства (в плоскости, являющейся перпендикулярной плоскости фиг.1).

Выигрыш в обнаружительной способности заявляемого устройства на фоне сильно зашумленного сигнала обусловлен использованием двойной френелевской дифракции, реализуемой в заявляемом устройстве по схеме интерферометра Лау. Амплитудная дифракционная решетка 1, выделяющая из всех дифракционных составляющих компоненты с определенным уровнем пространственной когерентности, не вносит каких-либо нелинейных дифракционных компонент света, что повышает избирательность заявляемого устройства.

Акустооптическое устройство для определения частоты радиосигнала может быть использовано в схемах акустооптической обработки радиочастотных сигналов при наличии сильных шумовых сигналов с большим числом спектральных составляющих, а также в устройствах сопряжения систем обработки радиосигналов с устройствами оптической обработки сигналов.

Использование: в оптоэлектронике в системах акустооптической обработки сигналов и устройствах сопряжения систем обработки радиосигналов с устройствами оптической обработки сигналов. Сущность изобретения: акустооптическое устройство содержит амплитудную дифракционную решетку, акустооптическую ячейку, собирающую линзу, фотоприемное устройство. Расстояние между амплитудной решеткой и акустооптической ячейкой удовлетворяет соотношению Z приблизительно N•d•L/λ где Z - расстояние между амплитудной дифракционной решеткой и акустооптической ячейкой; d - период амплитудной дифракционной решетки; L - длина волны звуковой волны в акустооптической ячейке; l - длина волны света; N - целое положительное число. Устройство обеспечивает определение частоты при наличии сильных шумовых сигналов с большим числом спектральных составляющих. 1 ил., 1 табл.

Акустооптическое устройство для определения частоты радиочастотного сигнала, содержащее последовательно расположенные акустооптическую ячейку, собирающую линзу, фотоприемное устройство, отличающееся тем, что перед акустооптической ячейкой параллельно ей размещена амплитудная дифракционная решетка, при этом расстояние Z между амплитудной дифракционной решеткой и акустооптической ячейкой удовлетворяет соотношению
Z ≈ N•d•L/λ,
где d период амплитудной решетки;
L длина волны акустической волны;
λ длина волны света;
N целое положительное число.