Методы и средства акустооптических измерений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

С. С. ШИБАЕВ, А. В. ПОМАЗАНОВ, Д. П. ВОЛИК

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА

АКУСТООПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.383 (075.8)
ББК 32.854

Ш55

Печатается по решению кафедры радиотехнической электроники 

Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного 

федерального университета (протокол №5 от 18 января 2017 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Южного федерального 

университета Г. Г. Червяков

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, 

начальник сектора АО «ТНИИС» С. В. Крикотин

Шибаев, С. С.

Ш55
Методы и средства акустооптических измерений : учебное посо
бие / С. С. Шибаев, А. В. Помазанов, Д. П. Волик ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2018. – 112 с.

ISBN 978-5-9275-2727-4
Описаны структуры акустооптических измерительных процессо
ров. Приведен перечень основных параметров, характеризующий 
особенности работы, указаны способы оптимизации их технических 
характеристик. Проанализирована совокупность факторов, влияющая 
на точностные характеристики акустооптических измерений. Приведено описание автоматизированного стенда, позволяющего измерить 
параметры оптических элементов процессора и временную стабильность.

Работа предназначена для студентов укрупнённой группы 

направлений подготовки 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи».

УДК 621.383 (075.8)

ББК 32.854

ISBN 978-5-9275-2727-4

© Южный федеральный университет, 2018
© Шибаев С. С., Помазанов А. В., Волик Д. П., 2018
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2018

ВВЕДЕНИЕ

Оптическое излучение довольно давно используется для построения 

систем обработки информации, связано это, прежде всего, с тем, что несмотря на то, что данное излучение относится к электромагнитным колебаниям, но отличается чрезвычайно высокой частотой (≈ 1014 Гц), что позволяет использовать при анализе как стандартные методы анализа распространения электромагнитных волн, так и лучевую теорию света.

Схемы методов оптической обработки информации (ООИ) отличаются 

относительной простотой реализацией, а результаты – наглядностью и достаточно большой информативностью.

Принципы оптической обработки информации основаны на том, что

объекты, с которыми взаимодействуют световые волны при распространении, изменяют их описывающие параметры – амплитуду, частоту, мгновенную фазу либо поляризацию (или несколько одновременно). Следовательно, если зарегистрировать эти изменения, можно выявить и некоторые 
свойства исследуемого объекта.

Устройство, реализующее тот или иной метод ООИ, называется опти
ческим процессором (ОП). Обязательным элементом ОП является источник 
оптического излучения (ИИ), по его типу схемы ООИ делятся на некогерентные (лампы накаливания, газоразрядные лампы, светоизлучающие диоды и т.п.) и когерентные (лазеры).

Первыми ОП были некогерентные, которые и на данный момент в не
которых случаях находят более широкое применение, но в последнее время 
большую популярность приобрели именно когерентные ОП, которые находят применение при решении следующих задач: распознавания объектов 
при обработке изображений, метрологии, робототехники, неразрушающего
контроля, экологического мониторинга, устройствах наведения в военной 
технике, проектировании радиотехнических станций различного назначения.

Основными достоинствами ОП являются большая информационная 

ёмкость, высокое быстродействие, сравнимая со скоростью распространения света через оптическую схему устройства, многоканальность – способность выполнять параллельные вычисления, и многофункциональность –
выполнение различных математических операций.

Опишем структурную схему когерентного оптического процессора.

Введение

4

Для её реализации необходим источник когерентного оптического из
лучения – лазер, свет с выхода которого поступает на оптическую систему,
состоящую, обычно из пассивных оптических элементов – линз, призм и 
т.п., которая согласует размеры и параметры лазерного пучка на выходе 
ИИ с апертурой в общем случае двумерного пространственно-временного 
модулятора (транспаранта – ПВМ). Назначение последнего – ввод информации в ОП путем изменения параметров излучения лазера (операция 
умножения комплексной амплитуды оптической волны на комплексную 
двумерную функцию пропускания транспаранта). Далее устанавливается 
вычислительное устройство, реализующее совокупность математических 
операций (преобразования Френеля, Фурье, Гильберта, операция умножения и т.п.), направленных на решение поставленных задач. Результат вычисления содержится в двумерном распределении интенсивности светового 
излучения на выходе ОП, которое регистрируется с помощью фотодетектора, преобразующего оптический сигнал в электрический, который впоследствии обрабатывается совокупностью аналоговых и цифровых электронных компонентов.

Для реализации потенциальных возможностей оптического вычисли
тельного устройства необходимо обеспечить должными объемами и скоростью подачи информации математический блок ОП, так как скорость его 
работы ограничивается лишь временем распространения света через формирующие его оптические элементы, поэтому особое внимание уделяется 
именно пространственно-временным модуляторам света.

По принципу действия ПВМ можно разделить:
- на механические;
- электрооптические;
- оптически-управляемые;
- магнитооптические;
- жидкокристаллические;
- акустооптические.
В механических ПВМ используются различные движущиеся переклю
чатели для смены оптического элемента либо его части, в результате чего 
изменяется комплексная функция пропускания в заданной точке пространства. Примером может служить револьверный барабан, по периметру которого установлены оптические дифракционные решетки с различным периодом. Достоинством данных модуляторов является простота разработки, а 

Введение

5

недостатками являются низкое быстродействие, конечный и дискретный 
набор модулирующих функций, а также низкая надежность.

В электрооптических модуляторах используются линейный и квадра
тичный электрооптический эффекты, суть которых состоит в зависимости 
диэлектрической проницаемости вещества твердых сред от величины 
внешнего электрического поля. Данные типы ПВМ достаточно перспективны, так как их быстродействие ограничивается лишь молекулярным 
временем релаксации и может достигать 10-10 секунд и менее.

Оптически-управляемые модуляторы также работают на электроопти
ческих эффектах, но в отличие от предыдущих, как это следует из их 
названия, для управления используется напряженность электрического поля второго оптического луча, которая должна иметь достаточно большую 
величину. Этот тип ПВМ является перспективным для разработки оптических компьютеров.

Внешнее магнитное поле также может использоваться для изменения 

оптических параметров материалов, и эта возможность реализована в магнитооптических ПВМ. Наиболее популярным магнитооптическим эффектом является эффект Фарадея, который заключается во вращении плоскости поляризации света при распространении вдоль направления вектора 
напряженности магнитного поля. Для реализации данного типа ПВМ требуются сильные управляющие магнитные поля, поэтому эти устройства 
уступают в популярности своим аналогам, но тем не менее находят применение там, где необходимо использовать невзаимные фазовые устройства 
(например, в лазерных гороскопах).

В жидкокристаллических ПВМ используется вещество, находящееся в 

промежуточной фазе агрегатного состояния между твердым телом и жидкостью, его молекулы, обладающие протяженной формой, под действием 
управляющего электрического поля поворачиваются и изменяют таким образом оптические и электрические свойства ячейки, которую заполняют. 
Данные устройства отличаются слабой зависимостью от длины волны света и могут использоваться как дискретные двумерные модуляторы амплитуды либо поляризации оптического сигнала.

Работа акустооптических (АО) ПВМ основана на фотоупругом эффек
те, который состоит в том, что под действием локальных деформаций в 
прозрачных кристаллических и жидких телах наблюдаются локальные изменения показателя преломления. Следовательно, акустическая волна 

Введение

6

представляет собой движущуюся со скоростью звука в выше указанных 
средах периодически изменяющуюся деформацию, приводящую к возникновению периодического изменения показателя преломления материала, 
которое будет выполнять роль фазового модулятора – фазовой дифракционной решетки. Работа всех АО устройств основана на дифракции света на 
бегущей акустической волне, в результате этого взаимодействия света и 
звука можно изменять все параметры лазерного излучения – амплитуду, 
фазу, частоту и поляризацию. Быстродействие АО ПВМ ограничено временем заполнения звуковой волной световой апертуры и составляет от десятых долей до десятков микросекунд, очевидно, что по этому параметру они 
уступают электрооптической модуляции, но тем не менее, находят довольно широкое применение во многих областях, где необходимо выполнять 
спектральный анализ быстропротекающих процессов как в оптическом, так 
и в радио-диапазонах.

Поэтому оптические процессоры с использованием АО ПВМ послед
нее время выделяют в отдельную группу устройств – акустооптические 
процессоры (АОП). Они находят применение в устройствах обработки 
изображений [13], экологическом мониторинге в качестве газоанализаторов [4,5], радиоастрономии и т.д. [6], но особо стоит выделить множество 
радиотехнических задач, решаемых АО-процессорами при измерении параметров радиосигналов [711].

Данное учебное пособие посвящено описанию измерениям, выполня
емым АОП радиотехнического назначения. В первой главе работы приведены основные принципы построения радиотехнических АОП, показана 
классическая схема построения и её модификации, направленные на оптимизацию совокупности технических параметров и характеристик за счет 
как введения дополнительных элементов, так и модернизации существующих. Вторая глава описывает влияние элементов АОП на погрешности АОизмерений, приведены рекомендации по их оценочному расчету и предложения по минимизации. В третьей главе пособия приведено описание автоматизированного лабораторного стенда, позволяющего измерить основные параметры главного элемента АОП – акустооптического пространственно-временного модулятора – акустооптического дефлектора (АОД). В 
заключении находится перечень контрольных вопросов и задач, а также 
примеры их решения, направленные на закрепление полученных знаний.

Введение

7

Данное пособие целесообразно использовать при подготовке студен
тов, обучающихся по укрупнённой группе
направлений подготовки 

11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи».

1. АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ

Сердцем акустооптических процессоров, определяющим их название и 

принципы функционирования, являются акустооптические ячейки, рассматривается принцип их работы и основные технические параметры и характеристики, а также анализ построения АОП.

Акустооптической ячейкой называют все устройства на основе свето
прозрачных материалов, работа которых основана на взаимодействии акустических и оптических полей, но в зависимости от применения и особенностей конструкции они делятся на АО-затворы, модуляторы, фильтры, 
дефлекторы и т.д.

В акустооптических процессорах используются именно акустооптиче
ские дефлекторы (АОД). Ниже будут изложены особенности работы и совокупность технических параметров и характеристик АОД.

Фотоупругий эффект лежит в основе работы всех АОЯ, он связывает 

механические деформации А с локальным изменением показателя преломления через систему фотоупругих коэффициентов, величина которых и состав для каждого материала различны. Для любого выбранного направления распространения света и приложенных деформаций можно определить 
эффективный модуль фотоупругости pэф, с помощью которого величина Δn 
определится следующим образом [12]:

Δn = 0,5n0

3pef·A,

где n0 – невозмущенное значение показателя преломления света.

Акустические волны, распространяющиеся в СЗП вдоль условного 

направления z, представляют собой изменяющиеся во времени деформации, которые и вызывают изменяющиеся во времени изменения показателя 
преломления [1]:





0
n z,t
n
ncos 2 f t
K z


 
  

,

где f – частота; а K = 2π/Λ – волновое число акустической волны; Λ – длина 
звуковой волны.

Полученное Δn(z,t) и представляет собой фазовую дифракционную 

решётку, попадая на неё, излучение будет формировать картину дифракции, вид которой будет определяться параметрами модулирующей акустической волны.

1. Акустооптические процессоры

9

При анализе акустооптического взаимодействия используют два под
хода: волновой и корпускулярный. В первом случае записывают условия 
фазового синхронизма для волновых векторов акустической волны и оптических (падающей и дифрагированной). Во втором – используют закон сохранения энергии и импульса для взаимодействующих частиц – фонона и 
фотонов, падающего и рассеянного. И тот и другой метод дают одни и те 
же результаты.

Прежде всего – это наличие двух режимов работы, которые отличают
ся как картиной дифракции, так и условиями возникновения. Для оценки 
того или иного режима был разработан специальный параметр – КляйнаКука, который использует характеристики взаимодействующих волн и среды их распространения, дающей информацию о режиме дифракции АОД
[13]:

2
2

0

2

0

K L
2
f
L
Q
k
V
n







,

где L – длина области акустооптического взаимодействия; V – скорость 
ультразвука.

Если расчетное значение Q < 1, следовательно, АОД будет работать в 

режиме Рамана-Ната, который аналогичен дифракции света на тонкой фазовой дифракционной решетке, наблюдающейся при любом угле падения 
света, а её картина представляет собой совокупность m – максимумов, их 
интенсивность убывает с ростом порядка дифракции m, угловое направление каждого из них относительно недифрагировавшего света определяется 
выражением [14]:

sin(θm) = m·f·λ0/(n0∙V).

Так как в данном случае мощность дифрагированного света распреде
лена между m-дифракционными пятнами, а угол сканирования выбранного 
порядка дифракции ограничен соседним, то режим Рамана-Ната не нашел 
широкого применения в АО-процессорах.

Значение Q > 10 характерно для режима дифракции Брэгга, который 

аналогичен дифракции рентгеновского излучения на монокристаллических 
структурах. Картина дифракции при данном режиме отличается наличием 
лишь двух дифракционных максимумов – нулевого, который является продолжением падающего, и первого порядка дифракции, который отстоит от 
нулевого на угол Брэгга, определяемый из выражения: