CC BY
17
УДК 535.417, 681.787
АДАПТИВНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ ЗАРЯДОВЫХ РЕШЕТОК В ЗАДАЧАХ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ
М.А. Брюшинин1, И. А. Соколов1, И.Н. Завестовская2'3, Ю. Н. Кульчин3'4
В работе исследуется возбуждение нестационарной фо-тоэдс частотно-модулированным светом в адаптивном фотоприемнике на основе GaAs. Для наблюдения эффекта кристалл освещается двумя пучками света с относительным сдвигом частоты А/(t). В экспериментах используется линейная частотная модуляция: А/(t) = At. В результате такого освещения в кристалле возникает импульсный электрический сигнал. Появление импульса происходит при замедлении движения интерференционной картины, а его длительность определяется скоростью изменения частоты A и временем формирования решетки заряда. Показана возможность использования эффекта в системах измерения скоростей и ускорений движущихся объектов.
Ключевые слова: адаптивный фотоприемник, нестационарная фотоэдс.
Интерференционные методы обладают высокой чувствительностью и позволяют бесконтактным образом осуществить исследование различных объектов [1]. Для успешного применения этих методов необходимо в течение продолжительного времени поддерживать оптимальную рабочую точку интерферометра и с высокой точностью обеспечивать совпадение волновых фронтов интерферирующих лучей. Один из способов
1 Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, 194021 Россия, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26; e-mail: mb@mail.ioffe.ru.
2 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53.
3 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
4 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041 Россия, Владивосток, ул. Радио, 5.
решения перечисленных проблем появился с открытием нестационарной фотоэдс, возбуждаемой на динамических зарядовых решетках [2]. Эффект нестационарной фотоэдс заключается в возникновении электрического тока в образце, освещаемом движущейся интерференционной картиной.
Обычно для возбуждения нестационарной фотоэдс используется синусоидальная фазовая модуляция одного из лучей. При этом интерференционная картина становится колеблющейся, а в адаптивном фотоприемнике появляется переменный электрический ток [2]. В данной работе мы осуществим линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) интерферирующих пучков света и изучим особенности нестационарной фотоэдс при таком освещении. Так как частотная модуляция света может, в частности, возникать вследствие эффекта Доплера, будет рассмотрена возможность использования адаптивных фотоприемников в системах измерения скоростей и ускорений движущихся объектов.
Рис. 1: Экспериментальная установка для исследования нестационарной фотоэдс, возбуждаемой частотно-модулированным светом (й). Осциллограммы сигнала нестационарной фотоэдс, измеренные при различных начальных сдвигах частоты (Ь).
Экспериментальная установка для исследования сигнала нестационарной фотоэдс представлена на рис. 1. Свет He-Ne лазера (А = 633 nm, Pout ~ 30 mW) проходит через два акустооптических модулятора МЛ-201-1, которые создают частотные сдвиги f0 и fo + Af(t) в продифрагировавших лучах (f0 = 80 MHz). Выход спектроанализато-ра СК4-59, имеющего широкий диапазон изменения частоты, используется как источник электрического ЛЧМ сигнала. Далее пучки света направляются на адаптивный фотоприемник, формируя интерференционную картину со средней интенсивностью 10 = 240 mW/cm2, контрастом m = 0.97 и пространственной частотой K =190 mm-1.
В качестве адаптивного фотоприемника мы выбрали полуизолирующий кристалл ар-сенида галлия. Образец имеет размеры 3 х 3 х 0.5 mm, передняя и задняя поверхности 3 х 3 mm отполированы до оптического качества. Электродами служат две золотые полосы, напыленные на передней поверхности на расстоянии 1 mm друг от друга.
На рис. 1 представлены осциллограммы частотного сдвига (разности частот модуляции сигнального и опорного лучей) и сигнала нестационарной фотоэдс, измеренные при скорости развертки A = 108 Hz/s. Из приведенных зависимостей следует, что появление импульсов, сопровождающееся сменой полярности сигнала, происходит в моменты, когда А/ ~ 0, то есть когда интерференционная картина останавливается. Изменение начальной частоты развертки спектроанализатора на ±0.2 MHz приводит к сдвигу импульса во времени на ±2 ms, т.е. существует взаимно-однозначное соответствие между изменением начального сдвига частот интерферирующих лучей и задержкой появления импульса: /0 = Aôt0.
При увеличении скорости изменения частоты наблюдается уменьшение длительности импульса нестационарной фотоэдс, при этом его амплитуда и форма остаются почти неизменными. В данной работе мы оценили длительность импульса по величине временного интервала между максимальным положительным и отрицательным значениями фотоэдс: tp-p = 2.65 ms для A = 107 Hz/s и tp-p = 0.265 ms для A = 108 Hz/s. Таким образом, в эксперименте реализуется зависимость вида tp-p = (nArsc)-1, где Tsc = 12 ^s - время формирования решетки поля пространственного заряда.
Рассмотрим возможность использования адаптивных фотоприемников на основе нестационарной фотоэдс в задачах измерения скоростей и ускорений. Доплеровский сдвиг частоты света, отраженного от объекта, движущегося со скоростью v(t) = v0 + at, равен /(t) = 2v(t)/ÀL. Постоянный частотный сдвиг /0 и скорость изменения частоты A очевидным образом связаны со скоростью vo и ускорением a: /0 = 2v0/ÀL, A = 2a/ÀL. Рабочий диапазон акустооптических модуляторов составляет /0 = 80 — 120 MHz. Это означает, что даже в схеме измерителя скорости, где частотная модуляция одного из лучей создается движущимся объектом, а другого - нашим акустооптическим модулятором, возможно измерение скорости в пределах |v0| = 25 — 38 m/s. Но можно использовать более сложную схему, в которой акустооптические модуляторы стоят в обоих интерферирующих лучах (рис. 1), и за счет эффекта, аналогичного гетеродинирова-нию сигналов, можно сдвинуть диапазон измеряемых частот (скоростей) в область как меньших, так и больших значений. В нашей работе мы использовали два одинаковых модулятора, создающих два примерно одинаковых "антистоксовых" сдвига частоты.
Разность частот варьировалась в пределах |Af | = 0 — 10 MHz, что в схеме измерителя скорости соответствовало бы диапазону скоростей |v0| =0 — 3 m/s. В экспериментах мы задали скорость изменения частоты в пределах A = 0 — 1000 MHz/s. Эти значения соответствуют диапазону ускорений а = 0 — 300 m/s2.
В работе исследовано детектирование оптических частотно-модулированных сигналов с использованием адаптивных фотоприемников на основе эффекта нестационарной фотоэдс, а также показана возможность их использования в задачах измерения скоростей и ускорений. Отличительной особенностью данного способа измерения является то, что скорость и ускорение могут быть оценены путем детектирования одиночного импульса, что особенно важно при исследовании быстропротекающих процессов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект 15-1200027).
ЛИТЕРАТУРА
[1] М. П. Петров, С. И. Степанов, А. В. Хоменко, Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике (СПб., Наука, 1992).
[2] S. I. Stepanov, I. A. Sokolov, G. S. Trofimov, et al., Opt. Lett. 15, 1239 (1990).
Поступила в редакцию 16 декабря 2015 г.
