3.2.1. Электрооптические дефлекторы

3.2.2. Применение акустооптического эффекта в дефлекторах и для других преобразований излучения

3.2.1. Электрооптические дефлекторы

Распространенными элементами в системах оптической обработки информации являются устройства для изменения пространственного положения светового луча — так называемые дефлекторы (от лат. deflectio — отклоняю). Различают дефлекторы с дискретным набором положений отклоненного луча, а также предназначенные для его непрерывной развертки — сканеры.

Как уже отмечалось, обыкновенный и необыкновенный лучи, вышедшие из двулучепреломляющего кристалла, линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если на плоскопараллельную пластину, вырезанную из такого кристалла под углом к его оптической оси, направить свет, поляризованный в плоскости поляризации обыкновенного луча, на выходе кристалла необыкновенный луч будет отсутствовать, а обыкновенный луч пройдет сквозь кристалл, не изменяя своего пространственного положения. Если же плоскость поляризации падающего на пластину луча повернуть на 90°, сквозь кристалл пройдет только необыкновенный луч, который уже не будет продолжением первичного, а параллельно сместится относительно него. Другими словами, с помощью поляризатора можно выделить один из двух пространственно разделенных лучей, выходящих из кристалла. В дефлекторах ориентацию плоскости поляризации первичного луча изменяют не поворотом поляризатора, а используют электрооптическую ячейку, при прохождении через которую в отсутствие управляющего напряжения U поляризация света не изменяется, а при U, равном полуволновому U_λ/2, плоскость поляризации поворачивается на 90°, что и требуется для работы дефлектора. Смещение луча зависит от материала, из которого вырезана двоякопреломляющая пластина, и от ее толщины, т. е. оно не может управляться электрически. Чтобы луч на выходе дефлектора мог иметь множество положений, свет пропускают через последовательность пар «электрически управляемый модулятор поляризации — двоякопреломляющая пластина» (рис. 3.3). Для получения одинакового шага в дискретной последовательности положений светового луча на выходе дефлектора необходимо, чтобы толщина двоякопреломляющих кристаллов, расположенных каскадно друг за другом, отличалась в два раза.

Пусть для определенности главное сечение всех кристаллов (плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла) совпадает с плоскостью рисунка. Направим на дефлектор линейно поляризованный луч, так чтобы плоскость электрического вектора в световой волне была перпендикулярной главному сечению кристаллов. Если на все модуляторы поляризации напряжение не подано, плоскость поляризации луча не изменяется, он не отклоняется от первоначального направления распространения и на выходе устройства окажется в положении 1. Подадим теперь на третий модулятор поляризации напряжение U₃, равное полуволновому, т. е. поворачивающее плоскость поляризации света на 90°. Это соответствует плоскости поляризации необыкновенного луча в третьей двоякопреломляющей пластине. В этом случае луч отклонится, выйдя из пластины в направлении 2. Чтобы луч на выходе модулятора занял положение 3, нужно приложить полуволновое напряжение ко второму каскаду модулятора, толщина двулучепреломляющей пластины в котором в два раза больше, чем в третьем, а чтобы луч не отклонился третьим каскадом, нужно подать напряжение U_λ/2 как на второй, так и на третий каскады. Для того чтобы световой луч на выходе попал в точку 4, полуволновое напряжение нужно подать только на второй каскад и т. д. (табл. 3.1).

Для расширения диапазона отклонения луча вдвое (при том же шаге) в устройство, изображенное на рис. 3.3, нужно ввести каскад с двулучепреломляющей пластиной в два раза толще по сравнению с первым каскадом. Дальнейшее расширение диапазона отклонения луча требует введения каскадов с еще более толстыми пластинами.

При помощи m-каскадного дефлектора можно получить 2^т дискретных положений светового луча на выходе. Для получения общего числа положения луча, например равного 256, необходим 8-каскадный дефлектор. Чтобы получить отклонение луча по двум координатам, в дефлектор вводят двулучепреломляющие кристаллы, главные сечения которых взаимно перпендикулярны (при этом вполне достижимы 10⁴—10⁵ разрешаемых положений луча на выходе при времени переключения 10^-6 —10^-7 с). Очевидно, что совершенно не обязательно, чтобы толщина двулучепреломляющих пластин уменьшалась в направлении распространения светового луча. Если она будет не такой, как на рис. 3.3 (в обратном порядке или вперемежку), изменится только коммутация управляющих напряжений.

Таблица 3.1. Коммутация управляющих напряжений трехкаскадного дефлектора, изображенного на рис. 3.3.

Одним из основных параметров дефлектора является разрешающая способность, которая для рассматриваемого устройства определяется материалом и толщиной двулучепреломляющих пластин l, а также их ориентацией относительно оптической оси кристалла. Очевидно, отклонение необыкновенного луча h равно ltgψ, где ψ —угол отклонения луча в пластине (рис.3.3).

В дефлекторах могут применяться те же материалы, что и в электрооптических модуляторах: KDP, ADP, DKDP, LiNbO₃, BaTiO₃ и др. Применяется также минерал кальцит СаСО₃ (56% СаО + 44% СО₂ с примесями) или его особо прозрачная разновидность — исландский шпат, обладающие высоким двойным лучепреломлением. На длине волны 0,63 мкм угол ψ для кристалла KDP, например, равен ~1,5°, для кальцита — около 6°. Следует подчеркнуть, что отклонение луча на выходе дефлектора рассмотренного типа не зависит от напряжения на модуляторе поляризации. Если сделать его не равным U_λ/2, положение необыкновенного луча не изменится, а только уменьшится его интенсивность. Кроме того, на выходе дефлектора появится обыкновенный луч, интенсивность которого будет возрастать по мере уменьшения U по сравнению с U_λ/2. Это позволяет использовать дефлектор в качестве модулятора.

Непрерывное отклонение (сканирование) луча можно получить, используя призму из электрооптического материала (например, KTN, KDP, ВаТiO₃) с нанесенными на ее торцовых гранях металлическими электродами, к которым прикладывается управляющее напряжение U. Угол θ, под которым луч выходит из призмы, зависит от показателя преломления материала призмы, а значит, и от U. Разрешающая способность сканера определяется как отношение максимального изменения угла Δθ к расходимости луча δθ. Значение Δθ / δθ для призменного электрооптического сканера может достигать ~1•10².

3.2.2. Применение акустооптического эффекта в дефлекторах и для других преобразований излучения

Работа акустооптических устройств основывается на взаимодействии одновременно распространяющихся в веществе оптических и звуковых волн. Еще в начале XIX в. Т. Зеебеком и Д. Брюстером было обнаружено изменение под действием упругого механического напряжения показателя преломления света п вещества, что приводит к искусственной оптической анизотропии, проявляющейся в двойном лучепреломлении и дихроизме. Это так называемый упругооптический эффект (фотоупругость, акустооптический эффект), объясняемый деформацией электронных оболочек атомов и молекул, ориентацией анизотропных молекул и т.п. Под действием механических напряжений, вносимых звуковой волной, в веществе возникают чередующиеся полосы с различными показателями преломления, распространяющиеся со звуковой частотой v_зв. Если на вещество направить также световой луч с поперечными размерами, сравнимыми с длиной волны звука λ_зв = v_зв/v_зв, где v_зв—скорость звука, ход светового луча будет периодически искривляться. Такое явление малоинтересно для оптической обработки информации уже из-за его низкочастотности. Однако при повышении частоты v_зв (при переходе к ультразвуку), как было предсказано Л. Бриллюэном еще в 1922 г., свет испытывает на чередующихся полосах с различным п дифракцию, аналогичную дифракции рентгеновских лучей на атомных плоскостях в кристалле.

Для наблюдения акустооптического эффекта (рис. 3.4) звуковую волну в кристалле возбуждают при помощи акустоэлектрического преобразователя, представляющего собой пьезоэлектрическую пластинку, прикрепленную к кристаллу, или тонкую пленку, нанесенную на его поверхность (LiNbO₃, CdS, ZnO). Приложение к преобразователю переменного электрического напряжения U вызывает механические колебания пластинки (пленки) и может возбуждать в кристалле звуковые волны в широком диапазоне частот вплоть до десятков гигагерц (1 ГГц=1 • 10⁹ Гц), уходящие в акустический поглотитель на противоположном конце кристалла (например, эпоксидная смола с наполнителем, сплав висмута с индием и т. п.).

Возможны две схемы дифракции света на звуковых волнах.

Когерентный оптический луч можно послать нормально к направлению распространения звуковой волны (дифракция Рамана — Ната), и тогда на выходе световая волна разбивается на серию пучков, симметрично расходящихся под углами θ_т к падающему лучу

, (3.10)

где т = 0, ±1, ±2, ..., λ—длина волны света. Условию т = 0 соответствует нулевой порядок дифракции, т= ± 1 —первый порядок и т. д. Таким образом, энергия падающего луча распределяется среди множества пучков. Соотношение интенсивности дифрагированных пучков зависит от частоты и интенсивности звука, длины пути, пройденного светом в зоне действия звуковой волны (длины взаимодействия L), Для того чтобы дифракция Рамана—Ната имела место, должно выполняться условие λL/λ_зв²<<1. При противоположном неравенстве наблюдается другой тип дифракции, когда свет падает на кристалл не перпендикулярно направлению распространения звука (дифракция Брэгга).

Если угол между направлением падающего светового луча и нормалью к поверхности кристалла θ_Б (рис. 3.4) удовлетворяет условию, аналогичному условию Брэгга — Вульфа для рассеяния рентгеновских лучей

(3.11)

вся энергия светового луча сосредоточивается практически в пучке, соответствующем первому порядку дифракции.

Соотношение между интенсивностями дифрагированного луча и луча, вышедшего из кристалла параллельно падающему, зависит от длины взаимодействия и амплитуды звуковой волны. Чтобы значительная часть падающего светового потока (50—90%) оказалась дифрагированной при интенсивности звука 1 Вт/см², длина взаимодействия для различных веществ должна по порядку величины составлять 0,1 — 10см. Частота звука v_3B обычно превышает 1• 10⁹ Гц, что соответствует так называемому гиперзвуку (ультразвуком называют упругие волны в диапазоне от 15—20 кГц до 1 • 10⁹ Гц, а гиперзвуком—от 10⁹ до 10¹²—10¹³ Гц).

Согласно (3.11) при sin θ_Б = 1 (рассеяние света назад) должно выполняться равенство 2λ_зв= λ, чему соответствует некоторая предельная частота звука для данной λ. Значение зависит не только от длины волны света, но и от материала акустооптической ячейки, поскольку в разных материалах скорость распространения звука различна. В видимой области спектра значение находится в пределах от нескольких гигагерц до нескольких десятков гигагерц.

Дифракция Брэгга успешно используется в быстродействующих оптических дефлекторах. Несомненным преимуществом таких дефлекторов по сравнению с электрооптическими является возможность изменять угол отклонения луча за счет изменения частоты звука. Однако в соответствии с (3.11) при этом необходимо согласованно изменять и угол падения светового луча так, чтобы каждый раз условие Брэгга выполнялось. Этого можно достичь, изменяя нужным образом направление распространения падающего луча или же звуковой волны, что существенно усложняет работу дефлектора. Однако условие (3.11) для различных углов выполняется при использовании расходящейся, а не плоской, звуковой волны (это схематически показано на рис. 3.4). Такую волну можно рассматривать как совокупность плоских волн, направленных в пределах некоторого углового интервала. Для заданной частоты звука дифракция Брэгга будет наблюдаться на той компоненте звуковой волны, для которой выполняется условие (3.11). Очевидно, что чем больше расходимость звуковой волны, тем в большем угловом интервале можно отклонять световой луч, изменяя частоту звука. При этом, однако, уменьшается длина акустооптического взаимодействия и для получения той же интенсивности дифрагированного луча приходится увеличивать интенсивность звуковой волны.

Если в качестве рабочего тела акустооптической ячейки использовать анизотропный кристалл, картина происходящих явлений усложняется по сравнению с рассмотренной, условия дифракции становятся зависимыми от взаимной ориентации направления распространения звука и оптической оси кристалла, положения плоскости поляризации света и т. п. При этом, однако, может быть заметно расширен диапазон изменения частоты звука, в котором выполняется условие Брэгга, а значит, и увеличен интервал углового положения дифрагированного луча при той же потребляемой мощности.

При помощи аку сто оптических устройств можно осуществлять не только однокоординатное, но и двухкоординатное отклонение светового луча. При этом дефлекторы с взаимно перпендикулярными плоскостями развертки могут быть совмещены в одной акустооптической ячейке. Число различимых положений светового луча (разрешающая способность) акустооптического дефлектора может составлять 10³—10⁴, причем развертка может осуществляться не только по набору фиксированных направлений, но и при непрерывном сканировании, что достигается ступенчатым или плавным изменением частоты акустических колебаний.

Быстродействие акустооптического дефлектора определяется временем, в течение которого звуковая волна пройдет активную зону кристалла, т. е. оно ограничено относительно низкой скоростью звука. Тем не менее время переключения светового луча может составлять менее чем 1 • 10 ^-6 с.

В акустооптических дефлекторах могут использоваться многие материалы, слабо поглощающие звуковые колебания и прозрачные в соответствующей области оптического спектра: плавленый кварц, халькогенидные и другие стекла различного химического состава (например, As₂S₃), диоксид теллура ТеО₂ (парателлурит), молибдат свинца РЬМоО₄ (вульфинит), а также кристаллы KDP, DKDP, LiNbO₃ и др. Доля энергии отклоненного луча по отношению к падающей (эффективность отклонения) акустоэлектрических дефлекторов обычно близка к 50—70%.

Дефлектор на основе акустооптического эффекта можно использовать в качестве модулятора (при этом легче достичь 100%-ной модуляции, если использовать не проходящий, а дифрагированный луч), а также для выполнения других преобразований световой волны.

Если на кристалл с введенной в него звуковой волной направить широкополосное (а не монохроматическое) излучение, то на угол 2θ_Б отклонится свет преимущественно одной длины волны. Это позволяет выделить из падающего луча узкий спектральный интервал излучения. Изменяя частоту звука, длину волны дифрагированного света можно изменить в широком диапазоне, охватывающем видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. На этом основана работа быстродействующих перестраиваемых акустооптических фильтров. Спектральная полуширина таких фильтров составляет 0,01 — 1 нм.

Поскольку в акустооптической ячейке свет дифрагирует на звуковой волне, т. е. на «движущейся решетке», возникает сдвиг частоты света вследствие эффекта Доплера. Для света, падающего на кристалл в сторону распространения звука, и для света, распространяющегося в противоположную сторону (на квантово-механическом языке этому соответствуют процессы излучения или поглощения фонона), частота света становится равной соответственно v — v_3B и v + v_3B. Это явление можно использовать на практике для сдвига частоты света вверх или вниз на значение v_3B, которое также можно изменять.