CC BY
649
УДК 621.373.826+534:535
В . И. Пустовойт, В . Э . Пожар
АКУСТООПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Рассмотрено современное состояние технической базы акустоопти-ческих устройств, отмечены перспективные направления их развития и сформулированы проблемы, которые необходимо решить на этом пути.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: акустооптика, акустооптическая ячейка, акусто-оптический модулятор, акустооптический дефлектор, акустооптиче-ский фильтр, акустооптические устройства, парателлурит.
Акустооптика - область науки и техники, основанная на дифракции света на акустических волнах в среде. По мере ее развития решаемые задачи менялись от исследования эффекта и создания простых функциональных устройств до использования их на практике и проектирования сложных систем на этой основе [1-4]. Акустооптические (АО) устройства - модуляторы, дефлекторы, фильтры - широко используют как функциональные элементы современной оптики. Это активные элементы, построенные на технологии динамических дифракционных решеток, создаваемых с помощью ультразвуковых волн. К числу их достоинств относятся отсутствие подвижных элементов, компактность, надежность, быстродействие, программируемость и многие другие физические, технические, конструктивные и эксплуатационные свойства. В настоящее время, однако, не все эти свойства используются в полной мере, а некоторые еще до конца не изучены, вследствие чего сохраняется высокий потенциал дальнейшего развития АО-устройств. На современном этапе, когда АО-устройства, приборы, системы нашли применение в различных областях деятельности, стала актуальной задача массового выпуска АО-ячеек.
Другой важной современной проблемой является создание нового поколения АО-устройств. Технология динамических дифракционных решеток позволяет изменять параметры решеток за микросекунды и дает широкие возможности управления характеристиками устройств в реальном времени [5-7]. Эта технология позволяет создавать решетки сложного состава, что также можно использовать для управления характеристиками устройств.
Перечисленные проблемы и возможности их решения рассмотрены в статье.
Принципы работы АО-устройств. В основе АО-приборов лежит физический процесс дифракции света на возмущениях среды, создаваемых акустической волной. Возникающие вследствие упруго-оптического эффекта пространственно-периодические изменения оптической индикатрисы создают в среде распределенную фазовую структуру, представляющую собой объемную дифракционную решетку, которая оказывает влияние на распространение света. В результате меняются характеристики световых волн, такие как направление распространения, поляризация, интенсивность, фаза, скорость. Это может быть использовано для преобразования оптического излучения и для его исследования, а также, вообще говоря, для исследования акустических волн (данный аспект в этой статье не рассматривается). Соответственно на этой основе создан ряд функциональных устройств управления оптическим излучением и его анализа: модуляторы, дефлекторы, фильтры. Их основные свойства и применение описаны ниже.
Следует, однако, отметить, что классические схемы построения этих устройств не являются единственно возможными. Целый ряд потенциальных свойств пока не освоен в полной мере или реализован только в экспериментах. В рассматриваемой работе обсуждается только один из возможных новых подходов - мультиплексирование, т.е. осуществление множественного АО-взаимодействия в одном оптическом элементе. Для этого в АО-ячейке должно возбуждаться одновременно несколько ультразвуковых волн, каждая из которых обеспечивает дифракцию отдельной спектральной составляющей светового потока. Для каждого типа АО-устройств описаны варианты технической и конструктивной реализации.
Акустооптический модулятор. Модулятор изменяет во времени интенсивность выходного лазерного луча (рис. 1, а). Закон модуляции определяется вариацией мощности возбуждаемой звуковой волны Рц^у.
¡(0 - 1о М2 Р„(0 Ь2 / X2, (1)
где ¡о, ¡(0 - падающий и выходящий (модулированный) световые потоки; Ь - длина кристалла; М2 - коэффициент его АО-качества; X -длина волны света.
Коэффициент передачи модулятора Т = ¡тах / ¡0 при достаточной мощности звука достигает 100 %. Глубина модуляции дифрагированного пучка составляет 100 %. Максимальная частота модуляции ограничивается временем перестройки дифракционной решетки, а именно временем пробега звука через световой пучок т = Ь8/у8 и может достигать мегагерцовых частот для фокусированных световых пучков. В важном частном случае такой модулятор располагается
внутри резонатора лазера и выполняет функцию затвора, резко изменяя добротность резонатора и обеспечивая генерацию отдельных импульсов с заданным периодом. Таким образом, модуляторы используются и как отдельные активные оптические элементы и в качестве модуляторов добротности в импульсно-периодических лазерах.
Рис. 1. Схемы АО-модулятора - классическая (а) и мультиплексированная с секционированным излучателем (б):
1 - светозвукопровод; 2 - электроакустический излучатель; 3 - акустический пучок; 4 - световой пучок; 5 - диафрагма
В модуляторе в случае мультиплексирования (рис. 1, б) должны возбуждаться нескольких акустических волн и для падающего светового излучения являющегося комбинацией нескольких монохроматических пучков с разными длинами волн, каждая из спектральных компонент может модулироваться независимо. Многоспектральные пучки возникают, например, на выходе генераторов гармоник, параметрических генераторов и усилителей света. Такие пучки, составленные из лучей нескольких лазеров, также используются для создания цветных изображений на экране. Необходимая генерация нескольких звуковых пучков может осуществляться с помощью нескольких отдельных ультразвуковых излучателей.
Акустооптический дефлектор. АО-дефлектор (рис. 2, а) отклоняет световой пучок на заданный угол 9. Закон отклонения определяется вариацией частоты / звуковой волны:
9(0 - XЛ0 / V.. (2)
Коэффициент дифракции может составлять 100 %, а время переключения в произвольное направление определяется временем т пробега через световой луч и составляет микросекунды. Общее число разрешимых угловых положений может достигать 1 000. Пара скрещенных дефлекторов позволяет обеспечить двухкоординатное
сканирование. Дефлекторы, в частности, используют для управления излучением мощных технологических лазеров в системах резки, сварки металла, маркировки изделий и т.п. Также их широко применяют как средства развертки для систем создания изображений на экранах.
Рис. 2. Схемы АО-дефлектора - классическая (а) и мультиплексированная с мультичастотным электроакустическим излучателем (б)
Принцип мультиплексирования по отношению к АО-дефлектору заключается в отклонении лазерного пучка одновременно в несколько положений (рис. 2, б). Например, при использовании двух акустических частот можно получить два дифрагированных пучка, каждый из которых можно использовать для независимой «прорисовки» изображения, увеличивая скорость работы устройства. Это увеличение может быть довольно существенным при большом числе ультразвуковых волн (до восьми). И такое разделение вполне доступно по энергетике, поскольку обычно яркость лазерных пучков избыточна для изображений. На рис. 2, б изображен способ генерации многочастотного сигнала путем подачи нескольких частот на один пьезопре-образователь.
Акустооптический фильтр. АО-фильтр (рис. 3, а) осуществляет выделение узкого спектрального интервала оптического излучения ДХ. Его положение в спектре определяется частотой / ультразвуковой волны.
X - ^ // (3)
Максимум спектральной функции пропускания Т(Х) = ¡(X) / ¡0 может достигать 100 %, а минимальное время перестройки с одного интервала на другой (причем на любой) определяется временем пробега т= Ь/ Спектральная разрешающая сила определяется числом периодов дифракционной решетки X / А X « N = /т. Акустооптические фильтры используют как самостоятельно, так и в составе более сложных устройств и приборов. монохроматоров, спектрометров и т. п.
Рис. 3. Схемы АО-фильтра - классическая (а) и мультиплексированная (б)
Мультиплексирование, реализуемое путем возбуждения в АО-ячейке нескольких ультразвуковых волн, приводит к образованию нескольких окон пропускания на выбранных длинах волн (рис. 3, б). Такую многооконную функцию можно использовать в методе корреляционной спектроскопии, когда окна пропускания выбирают на линиях излучения или поглощения искомого вещества, что обеспечивает высокую избирательность и чувствительность метода и позволяет зарегистрировать присутствие вещества и даже определить его содержание без сканирования спектра. Другой метод, где можно использовать многооконные функции, - адамар-спектроскопия, являющаяся дискретным аналогом фурье-спектроскопии и также обеспечивающая высокую светосилу.
Акустооптический монохроматор. В качестве примера простейшего прибора можно рассмотреть АО-монохроматор, который выполняет примерно ту же функцию, что и АО-фильтр, входящий в его состав, но имеющий более сложную структуру. На рис. 4 изображен двойной АО-видеомонохроматор [8]. Он включает в себя два АО-фильтра, расположенных последовательно, и обеспечивает двойную фильтрацию оптического излучения, что позволяет получить функцию пропускания вида Т(Ду) = $лпА(жДуГ)/(л;ДуГ)А и уровень подавления излучения вне полосы пропускания монохроматора порядка 30 дБ (Ду - отстройка оптической пространственной частоты от максимума пропускания). Кроме АО-фильтров и трех поляризаторов, видеомонохроматор содержит средство выработки управляющих высокочастотных (ВЧ) сигналов: генератор и двухканальный усилитель. Эти устройства при наличии цифрового контроллера и программного обеспечения позволяют управлять монохроматором с помощью компьютера. В таком виде монохроматор представляет собой программно-управляемое оптическое спектральное устройство.
Необходимо отметить, что при такой конструкции АО-фильтров и их взаимном расположении не происходит искажений изображения при фильтрации, что позволяет получать спектральные изображения, а прибор отнести к видеомонохроматорам. Следует также отметить,
что двойной монохроматор можно рассматривать как пример принципа мультиплексирования, когда в одном оптическом устройстве АО-взаимодействие осуществляется дважды.
1 2 3 4 5
-ИтРНМ
Рис. 4. Схема двойного АО-монохроматора:
1, 3, 5 - поляризаторы; 2, 4 - АО-ячейки; 6 - контроллер; 7 - ВЧ-генератор; 8 - ВЧ-усилитель
На основе видеомонохроматоров создаются спектрометры с пространственным разрешением и приборы спектральной визуализации, которые важны для многих задач, но особенно для фотолюминесцентной спектроскопии и разрабатываемых на ее основе разнообразных методов диагностики в медицине.
Спектрометрию изображений можно использовать не только для систем визуализации отдельных химических, биологических, структурных элементов объекта, но и для более сложных систем, требующих одновременной регистрации изображений на нескольких длинах волн, которые в таком качестве можно назвать системами видения (зрения) [5]. Отличительная черта этих систем состоит в том, что подразумевается возможность изменять число спектральных каналов и их положение в зависимости от внешних условий (помех, погодных факторов или решаемой задачи).
Такие управляемые спектральные зрительные системы особенно необходимы для задач мониторинга в условиях непрерывного изменения окружающей обстановки. В этом случае характеристики измерительной процедуры могут изменяться в ходе измерений в зависимости от получаемой информации, что и позволяет отнести такие методы к адаптивным.
Адаптация по спектру может осуществляться и в спектрометре с обычным одноэлементным приемником. Такие задачи, возникающие, в частности, в газоанализе [2] и при контроле технологических процессов [1], успешно решаются с использованием АО-спектрометров.
Акустооптическая ячейка. Таким образом, АО-устройства используют во многих областях современной науки и техники и вопро-
сы их массового производства становятся актуальными. Их основным элементом является АО-ячейка, которая вне зависимости от конструкции содержит два существенных элемента: светозвукопро-вод и электроакустический излучатель. Следовательно, технология создания АО-ячеек - является ключевой (базовой) для развития аку-стооптики и ее приложений. Рассмотрим требования к этим элементам и проблемы, которые нужно решать при их создании.
В качестве светозвукопровода можно в принципе использовать любое вещество, так как фотоупругость присутствует в любой среде. Однако на практике для этого используют кристаллы, поскольку, во-первых, эффект выше в твердых средах, во-вторых, они обладают значительной анизотропией, что существенно расширяет число возможных типов взаимодействия. В частности, в твердых средах в каждом направлении может распространяться три звуковые волны: одна продольная и две поперечные, и для АО-взаимодействия можно выбирать наиболее удобную из них. Также число разных вариантов возрастает при выборе кристаллов низкой симметрии, в которых присутствуют фотоупругие модули pijkl разного вида. Несмотря на потенциальную возможность использовать различные кристаллические среды, реально применяют очень небольшое число кристаллов. Это связано с тем, что для каждого типа устройств существует одна или несколько допустимых геометрий взаимодействия (определяющихся направлением распространения волн и их поляризацией), для каждой геометрии - ограниченное число подходящих классов симметрии, и в этих классах обычно один из материалов является наиболее технологичным и удобным в использовании.
А именно, кристалл должен выдерживать разнообразную обработку и последующую эксплуатацию, он также должен быть доступным и недорогим и прежде всего обладать хорошими физическими характеристиками - прозрачностью, однородностью, высоким АО-качеством:
M2 , (4)
Pvs
определяемым эффективным (для данной геометрии) упругооптиче-ским коэффициентом ре}у, показателем преломления п, плотностью кристалла р и скоростью используемой акустической волны.
Например, в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне применяют, как правило, кристаллы кварца (8Ю2), иногда КБР. Для неколлинеарной дифракции в видимом диапазоне используют парателлурит (Те02),
Те02 с;о2 2
которые во много раз эффективнее кварца Мг / Мг" - 10'. Для коллинеарной дифракции в видимом диапазоне также используют
молибдат кальция (СаМо04). В целом в диапазоне 0,4...4,4 мкм применяют преимущественно парателлурит, а в УФ-диапазоне -0,2.0,4 мкм - кварц. Большой интерес представляет поиск доступного технологического материала для ИК-диапазона ( >4,5 мкм).
Для того чтобы из кристаллической заготовки изготовить свето-звукопровод необходимо провести ряд технологических операций: ориентацию, вырезание, шлифовку и полировку граней. Поскольку свет и звук должны распространяться в кристаллической среде вполне определенным образом, ориентация светозвукопровода должна быть обеспечена с необходимой точностью в несколько минут. Для этого используют рентгеновский гониометр, ориентирующий кристалл относительно его кристаллических плоскостей, что позволяет точно вырезать базовую грань светозвукопровода.
Светозвукопровод обычно имеет довольно сложную форму, что вызвано необходимостью решения нескольких задач. Одна из них заключается в том, что акустическая волна должна поглощаться после прохождения через кристалл, а поэтому на соответствующей грани кристалла устраивают «ловушки» (в виде скошенной грани, угла и т. п.), где посредством многократных переотражений волна ослабляется, а для большего эффекта - покрывают поглощающим материалом (сплавами Вуда, Розе, индием, свинцом, компаундами с наполнителями из порошков тяжелых металлов и т. п.).
Другая задача - формирование рабочего акустического пучка -часто решается путем отражения ультразвука от наклонной грани кристалла [8], что позволяет расположить излучатель более удобно. Часто при этом осуществляется конверсия акустических мод, заключающаяся в преобразовании одной моды в другую. Например, это позволяет получить сдвиговую моду из продольной, которую проще возбудить. Рабочая мода должна иметь низкую скорость, чтобы АО-качество было высоким (4). Расположение входной и выходной оптической граней обычно бывает косым для правильной ориентации света относительно звука. В целом форма АО-ячейки довольно сложная. И при этом основные грани должны быть отполированы, а оптические - просветлены. Также необходимо отметить, что АО-ячейки для двойных монохроматоров требуют специальных технологий изготовления.
Однако и обладание отработанной технологией не гарантирует производства, если не решена проблема получения кристаллов. Кристаллы растят в ростовых камерах из расплавленной в тигле шихты. Последнюю получают путем окисления теллура с использованием различных химических процессов. Размер кристаллов ограничивается технологическими возможностями, а также оптическими и механическими качествами (однородность, отсутствие механических
напряжений и т.п.) В свою очередь размер кристаллов определяет допустимые размеры АО-ячеек, что ограничивает такие характеристики АО-приборов, как спектральное разрешение, управляющая мощность, входная пространственная апертура, число пространственных каналов в одной ячейке. Таким образом, технология выращивания кристаллов определяет характеристики конечной продукции акустооптики.
Важной проблемой является прикрепление к светозвукопроводу акустического излучателя. Последний представляет собой пьезопла-стину толщиной, равной половине характерной длины волны ультразвука, заключенную между двумя металлическими электродами. Всю эту многослойную структуру прикрепляют к грани светозвуко-провода. При этом используют две технологии соединения: сварную или клеевую. Первая заключается в нанесении на подложку (свето-звукопровода) слоя индия, так что после присоединения в вакуумной камере пьезопреобразователя образуется цельная конструкция. Клеевая технология, состоящая в приклеивании пьезопреобразова-теля, проще и быстрее, что может иметь решающее преимущество при массовом выпуске. В обоих случаях качество соединения, как механическое (обеспечивающее прочность и долговечность), так и электроакустическое (связанное с минимизацией потерь при прохождении ультразвука) определяется структурой слоев - металлического или клеевого.
Следует отметить, что для создания АО-элементов необходимы также средства возбуждения высокочастотных (ВЧ) сигналов (20.200 МГц) - генераторы и усилители, которые могут быть составной частью этих устройств. Такие ВЧ-средства обычно размещаются в составе встроенной системы управления АО-прибором и работают по заданному алгоритму или управляются извне, например, от компьютера. Эффективность возбуждения ультразвуковых волн во многом зависит и от средств согласования ВЧ-генератора с ВЧ-нагрузкой, представляющей собой сложную электроакустическую систему. От частотного диапазона согласования зависит, соответственно, и спектральный рабочий диапазон АО-приборов, который по этой причине не превышает одной октавы по частоте звука _/тах//тт ^ 2. Для расширения диапазона также используют принцип мультиплексирования, заключающийся в создании в одной АО-ячейке двух пространственных каналов, каждый из которых работает в своем поддиапазоне спектра.
Среди вспомогательных оптических элементов важнейшую роль играют поляризаторы, которые должны соответствовать размерам входного зрачка и входного угла зрения АО-устройства, и определяют предельный спектральный контраст, обеспечиваемый приборами.
Заключение. В работе показано, что построение АО-приборов на принципе мультиплексирования придает принципиально новые свойства классическим АО-устройствам. Таким образом, актуальной является задача разработки и создания АО-устройств нового поколения. Для этого должны быть решены следующие задачи:
• развитие производства АО-ячеек, обеспечивающих возможность создания таких устройств;
• разработка технологии массового производства АО-ячеек;
• организация выращивания кристаллов парателлурита хорошего качества и достаточно больших размеров.
Работа выполнена в рамках программы «Кадры» (контракты П721 и 14.740.11.0143).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пожар В.Э., Пустовойт В.И. О сжатии ультракоротких импульсов света / Квантовая электроника. 1987. Т. 14. № 4. С. 811-813.
2. Molchanov V.Y., Chizhikov S.I., Makarov O.Y. et al. Adaptive acous-to-optic technique for femtosecond laser pulse shaping // Applied optics. 2009. Vol. 48. No. 7. P. 118-124.
3. Пожар В. Э., Пустовойт В. И. Современные проблемы применения аку-стооптических фильтров в спектрометрии // III Междунар. конф. «Акусто-оптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации». Суздаль, ARMIMP-2009, 22-24 сентября 2009 г.С. 23-27.
4. Пожар В. Э., Пустовойт В. И. Акустооптика: современное состояние и перспективы // IV Междунар. конф. «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации». Суздаль, ARMIMP-2011, 20-22 сентября 2011. С. 3-6.
5. Пожар В. Э., Пустовойт В. И. Возможности создания новых систем видения на основе aкустооптических видеоспектрометров // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. Вып. 10. С. 1272-1278.
6. Пустовойт В. И., Пожар В. Э. Управление характеристиками коллине-арного акустооптического фильтра путем модуляции ультразвука // Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43. Вып. 1. С. 121-127.
7. Пожар В. Э., Пустовойт В. И. Дифракция света на акустической кусочно-однородной волне со скачкообразным изменением фазы // Успехи современной радиоэлектроники. 2006. Вып. 9. С. 47-61.
8. Мазур М. М., Пожар В. Э., Пустовойт В. И., Шорин В. Н. Двойные акустооптические монохроматоры // Успехи современной радиоэлектроники. 2006. № 10. С. 19-30.
Статья поступила в редакцию 24.11.2011
