Исследование пространственно-спектральных искажений изображений при дифракции световых пучков на акустических волнах в кристаллах

• Автор: Мачихин, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 113 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.
СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ НОВЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ
СИСТЕМ ВИДЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
1.1 Применение спектральной фильтрации при регистрации
изображений
1.1.1 Основные применения спектрометрии изображений
1.1.2 Принципы регистрации спектральных изображений
1.1.3 Системы регистрации спектральных изображений на основе акустооптических фильтров
1.2 Проблемы передачи изображения при акустооптическом взаимодействии
1.2.1 Пространственные искажения
1.2.2 Влияние элементов акустооптического спектрометра на качество передаваемого изображения
1.2.3 Спектрально-угловые характеристики акустооптического взаимодействия
1.2.4 Показатели качества изображения
1.3 Коррекция искажений
1.3.1 Постановка задачи
1.3.3 Метод предварительной калибровки
1.3.4 Метод аппаратной коррекции
Выводы
ГЛАВА 2 ПЕРЕДАЧА ИЗОБРАЖЕНИЙ АКУ СТООПТИЧЕСКИМИ ФИЛЬТРАМИ
2.1 Спектрально-угловые характеристики акустооптической
дифракции неколлимированных световых пучков
2.1.1 Выбор ориентации вектора волновой расстройки

2.1.2 Дифракция пучка с «е»-поляризацией
2.1.3 Дифракция пучка с «о»-поляризацией
2.1.4 Основные параметры акустооптических фильтров
2.2 Аберрационные свойства аку стооптических фильтров
2.2.1 Спектрально-пространственные искажения
2.2.3 Амплиту дные искажения
2.3 Двойные акустооптическне фильтры
2.3.1 Варианты компоновки
2.3.2 Антисимметричная схема
Выводы
ГЛАВА 3 ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ АКУСТООПТИЧЕСКНЕ ФИЛЬТРЫ
3.1 Широкоугольная геометрия аку'стооптического взаимодействия
3.1.1 Основные соотношения
3.1.2 Экстремальная геометрия
3.1.3 Основные параметры
3.2 Аберрационные свойства широкоугольного акустооптического
фильтра
3.2.1 Пространственные искажения
3.2.2 Амплиту дные искажения
3.2.3 Компьютерное моделирование
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Краткий исторический обзор
Акустооптика изучает взаимодействие оптических волн с акустическими в различных веществах. Возможность такого взаимодействия впервые предсказал Л. Бриллюен в 1922 году [1], а затем ее экспериментально проверили независимо друг от друга в 1932 году П. Дебай и Ф. Сирс [2] в США и Р. Люка и П. Бикар во Франции [3]. В основе акустооптики лежит фотоупругий эффект, заключающийся в модуляции показателя преломления среды вследствие возникающих при распространении звука в среде напряжений [4].
В 1930-х годах главенствующей теорией, объясняющей акустооптическое (АО) взаимодействие, была теория Рамана-Иата [5]. Ч. Раман и Н. Нат предложили рассматривать АО ячейку как фазовую решетку, в которой траекторией световых лучей можно пренебречь - модель, являющуюся адекватной в некоторых приложениях и сегодня [6]. Предложенное дифференциальное уравнение, в котором участвуют такие параметры, как длины волны света и ультразвука и размеры АО ячейки, имеет точное решение в двух крайних случаях. Именно эти случаи часто используются в современных исследованиях. В первом случае (дифракция Рамана-Ната) которому соответствуют низкие частоты ультразвука, полагается, что световое поле представляет собой результат прохождения света через тонкую фазовую пластинку с переменным в пространстве показателем преломления, в результате чего дифракционная картина состоит из множества максимумов. Во втором случае (дифракция Брэгга) при высоких частотах ультразвука на формирование светового поля существенное влияние оказывает распределенный характер АО взаимодействия, в результате чего наблюдаются лишь два максимума.
Впоследствии в качестве среды для реализации АО взаимодействия стали применяться оптически анизотропные кристаллы, возбуждение упругих волн в которых стало возможным благодаря применению преобразователей, работающих на основе пьезоэлектрического эффекта. Подобные АО устройства находят широкое применение в модуляторах света, дефлекторах, устройствах обработки сигналов, перестраиваемых фильтрах, анализаторах спектра и многих других приборах [4,7-10].
Первый АО фильтр был создан в 1969 [11], а первые опыты по передаче изображения через АО фильтр были опубликованы Чангом в 1975 году [12]. Через разработанный им неколлинеарный фильтр на1 кристалле парателлурита Те02 было передано изображение настроечной таблицы и в зеленом свете получено разрешение 72 лин/мм в плоскости дифракции и 144 лин/мм в ортогональной плоскости.

Устранению этого пробела, т.е. решению задачи АО фильтрации изображений в достаточно общем виде, посвящена глава 2. Для того же, чтобы качественно понять, какой характер носит изменение изображение и в чем сложность его аналитического описания, рассмотрим распространение одиночной плоской световой волны в кристалле.
На рис. 1-10 представлены векторные диаграммы волновых векторов для двух главных плоскостей: полярной (содержащей оптическую ось) и перпендикулярной к ней азимутальной. Диаграммы иллюстрируют взаимодействие оптических и акустической волн в положительном кристалле, которое описывается уравнениями синхронизма
для частот и волновых векторов падающей (са,. к,) и дифрагированной (coj. kd) световых и акустической (О, q) волн. Данные уравнения выражают законы сохранения энергии и импульса при фотон-фононном взаимодействии.
Будем для определенности считать, что падающая волна имеет необыкновенную поляризацию а дифрагированная - обыкновенную “о” (рис. 1-10). В случае, когда падающая волна имеет обыкновенную поляризацию ‘‘о' а дифрагированная -необыкновенную “е", метод получения основных геометрических соотношений аналогичен ниже приведенному. В главе 2 оба варианта поляризации падающей волны будут детально исследованы в более общем случае.
Учитывая, что частота звука О пренебрежимо мала по сравнению с частотой света а,, запишем уравнение синхронизма (1-66) в проекциях на оси .у, у и z. При этом, поскольку задача о дифракции света на звуке носит чисто геометрический характер, сразу перейдем к безразмерным величинам, разделив эти уравнения на величину
|— I 'У'л
kd = —п„. В этом случае уравнения примут вид 1 1 А.
^(0,)cos0, cos02-rjcosy, cosy,-cos |f,cosy2 =0 (l-7a)
Ф.) cos0, sin02 -qcosy, siny, — cos vp, siny, = 0 (1-76)
^(0,)sin0, -qsiny, — sin|/, =0, (1-7b)
Ш, — Q — cod =
(1-6a)
k, - q-kj =
(1-66)