Многокомпонентные оптоэлектронные структуры спектрального взаимодействия в качестве адаптивных элементов оптики Текст научной статьи по специальности «Физика»

МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СТРУКТУРЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КАЧЕСТВЕ АДАПТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТИКИ

С.А. Матюнин

Самарский государственный аэрокосмический университет

Аннотация

Рассматриваются вопросы математического моделирования процессов в многокомпонентных оптоэлектронных элементах и устройствах, основанных на методе спектрального взаимодействия.

Введение

Воздействие информационных параметров в оптоэлектронных устройствах (ОЭУ) происходит, в основном, двумя способами: 1 - путем пространственно-временной модуляции светового потока некогерентного излучения (к этому же, в конечном счете, сводится и изменение степени и направления поляризации излучения); 2 - путем интерференционного взаимодействия когерентных компонент излучения и их модуляции, т. е. путем воздействия на амплитуду (интенсивность) и фазу световой волны.

В тоже время, использование принципа спектрального взаимодействия оптических элементов позволяет получить достаточно эффективные и простые по конструктивному исполнению ОЭУ. В многокомпонентных оптронных структурах (МОС) спектрального взаимодействия (рис. 1) на поверхность оптоэлектронных элементов (ОЭЭ), т.е. на поверхность источника излучение (ИИ), элементов оптической системы (ОС) и приемника излучения (ПИ), наносится дополнительный ряд компонент (2, 3, 5, 6), выполняемых в виде многослойных тонкопленочных покрытий (МТП). Эти компоненты, выполняя спектроформирующую функцию, функцию избирательной, временной и пространственной фильтрации, модуляции и коммутации, существенно изменяют свойства ОЭЭ. Здесь воздействие информационных параметров происходит в результате спектрального взаимодействия многокомпонентных оптоэлектронных элементов - в результате взаимного движения их спектральных характеристик. Такое движение спектральных характеристик может быть осуществлено различными путями: воздействием тепловых, электрических, магнитных, акустических полей, изменением угла падения излучения и др.

и.

ИИ

Ч ос г Г'

пи

п

р • • •

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 1. структурная схема МОС

В результате такого взаимодействия становится возможным добиться инвариантности параметров ОЭУ к внешним дестабилизирующим факторам -температуре окружающей среды, вибрации и т.д., реализовать функцию временной и пространствен-

ной модуляции, коммутации, спектрального уплотнения и создать прецизионные ОЭЭ и ОЭУ систем управления, измерения и контроля [1].

Многокомпонентные оптоэлектронные элементы спектрального взаимодействия - это оптоэлектронные элементы, в оптическую цепь которых введены (на поверхность которых нанесены) компоненты, выполняющие спектроформирующую и спектров-заимодействующую функции, функции пространственной и временной фильтрации и модуляции.

Многокомпонентные оптоэлектронные системы спектрального взаимодействия (МОС) - это оптоэлектронные устройства, содержащие хотя бы один многокомпонентный оптоэлектронный элемент, воздействие информативных параметров в которых происходит в следствии взаимодействия спектральных характеристик.

Математическая модель МОС

Если обозначить Ф*(А,г,т,иф), т"(А,г,т,ит), £(А,г,т,и£) - абсолютные спектральные характеристики излучения ИИ, пропускания ОС и чувствительности ПИ, иф,ит- управляющие сигналы ИИ, ОС и ПИ, а

Ф* (А,г,т), Т* (А,г,т), (Аг,т) - абсолютные спектральные характеристики пропускания /, ], к-го МТП, нанесенных на поверхности ИИ, ОС и ПИ соответственно, то для последовательно соединенных МОЭ спектральный состав излучения /*(А,г, т), падающего на фоточувствительную площадку ПИ, определится из выражения: I* (А, г, т) = {Ф*(А Г,т,Пф) • П Ф* (А, г, т)} •

/е/

{Т * (А, г ,г,ит) • П Т*7 (А, г, т)} • {£ * (А, г ,г,и*) •,

П -С (А, г, т)}

где I, 3, К - множество индексов компонент МТП, нанесенных на ИИ, элементы ОС и ПИ соответственно.

В большинстве случаев [1] с достаточной степенью точности и не зависимо от физической природы процессов, происходящих в оптоэлектронных элементах, их абсолютные спектральные характеристики можно аппроксимировать разностными функциями вида:

ф* (А, г, т,Пф) = Фм (г, т,Пф) • Ф[А - Аф (г, т)],

т *(А, г,т,иТ) = тм (г,т,иТ) • т [А-А (г,т)], (1) £ *(А, г ,т,и£) = £м (г,т,и,) • £[А-Ах (г)],

где: фА-Аф(t,z)], T[А-Ат (t,т)], S[A-As(t,т)] - относительные спектральные характеристики мощности излучения ИИ, пропускания ОС и чувствительности ПИ соответственно; Фм (t,r,U; ), Тм (t ,т, UT ),

S м ( t ,т, U S ) - температурно-временные зависимости изменения максимумов их абсолютных спектральных характеристик; Аф (t, т), Ат (t, т), As (t, т) - температурно-временные зависимости длин волн максимумов соответствующих спектральных характеристик.

С учетом (1) спектральные характеристики элементов МОС определятся:

Ф'(А, t,т,иф У, ф UA ) = Фм (Р,т,иф ) • Ф[А-Аф (/,т)] • П СтКф ) • Ф'п [А-Афп п (t,r, UA )];

iel

Т '(А,/,т,Uт ,U;T У А ) = Тм (t ,тУт ) • Т [А-Ат ((,т)] • П TL (/,т,U¿т ) • Tj [А-АА ((тУА )];

ieJ

S '(А, t,Us Us VA ) = S м (t^Us ) • S[A-As (t)] •

П S L (t, т ,UknS ) • Sj [А - АА (t, т а )],

keK

где уф, UT, US - управляющие воздействия на максимумы пропускания соответствующих МТП, U^VA,UA - управляющие воздействия на сдвиг спектральных характеристик МТП.

Так как в общем случае для МОС наблюдается координатная зависимость их спектральных характеристик (по поверхности элементов), то их абсолютные спектральные характеристики (обозначены знаком «**») запишутся в виде:

Ф" ( х, y, z, A, t, т, Уф ) = Ф* (A, t, т, Vф, V, Ф, UA ) •

Оф( х y, z);

T ** ( х, y, z, A, t, т, и** ) = T * (A, t, т, VT, V,T, V]nTT ) • Gt ( х, y, z);

S ** ( х, y, z, A, t, т, v; ) = S * (A, t, Vs , V^, VAs ) • Gs ( х, y, z ),

где: Оф(х,y,z), GT(х,y,z), Gs(х,y,z)- весовые

функции, учитывающие координатную зависимость соответствующих спектральных характеристик ИИ, ОС, ПИ соответственно, а V;*,V**,VS* - множество управляющих воздействий МОЭ. Тогда с учетом выражения для освещенности [2] чувствительной площадки РП ПИ от смещенного относительно него на величину х0, y0 ИИ с излучающей площадкой РИ, получим обобщенное выражение для величины выходного сигнала ПИ в виде:

J ( t ,т,иф ,Ut , Us ,U;, и TU Is, Va У1 , VA ) =

= 1 <fl 1Я Ф"

Ан Рп 0 Ри

xS ** ( х, y, z, A, t, т, U" ) • ёх0 dy0 dzdy }dA

1 et Ф"(хо, yo, zo, A, t, т, Уф ) • T" (х, y, z, A, t, т, U* ) (2)

[( х - хо)2 + ( y - Уо)2 + zo2]

Выражение (2) позволяет учесть как влияние информационных и управляющих воздействий на

элементы МОС, так и влияние внешних дестабилизирующих факторов (ВДФ).

В таб. 1 с позиций теории чувствительности приведены выражения для определения чувствительность МОС ОС1 = АУ / J к изменению управляющих сигналов и ВДФ.

В таблице приняты следующие условные обозначения:

1 дФЛт,и9)

аМ

аТМ

Фм (тУф) дт

1 дSш(t,т,Us ) SM (,т,у ) дт '

1 ддТм(t,т,Vт) - инерционность ИИ,

ОС, ПИ;

Tш(t,т,Vт) дт

1 ;„(ит,иФ)

'фL(t,тUф) дт

1 дТма (t,z,UT ) тм, (t,z,UT ) дт '

а = 1 ((, тут) - инерционность ИИ,

м Si (t,v,UT ) дт

ОС, ПИ по цепи управления МТП; , 1 дФм (t,z,U; )

аМ

Фш(t,r,Uф ) д

1 дТм (тУ ) Тм (,т,ит ) дt

1 д^т,^ )

S^Vs ) д тельность ИИ, ОС, ПИ;

а__дфм.о^т^и;)

^ Ф„а,т,иф) д( ' 1_дTШ,(t,тUт )

TL (ту ) д '

1 д^тУт)

температурная чувстви-

Щм =

si (,т,ит ) д вительность ИИ, ОС, ПИ по цепи МТП;

а;=—- дмт.,

1 дт '

= 1 д1 (т)

температурная чувст-

1 (,т) дт

1 д1 ((,т) 1 (,т) дт

инерционность изменения

длин волн максимумов спектральных характеристик ИИ, ОС, ПИ;

A" - Ф [А - Аф (t, т)] • П Ф'п [А -1 (t, т, U1; )] • Т[А - 1т (t, т)] •

iel

П Tj [А-1 ((тУА )] • S [A-As (t)] •П Sj [А-АА ((тУА )] dA

у-В

A - f A, d A -à

J 1 ,UjM

Ф (тиф

дт

1

н

о

i

dj )

ЛТП (TU^) 1

дт

дт

инерционность

изменения длин волн максимумов спектральных характеристик МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ;

а =-

1 дДДт)

1

д/ (,т) < = 1

д/ (t,T)

Ш(т) д Ят (т) д Я, (т) д

температурные коэффициенты изменения длин волн максимумов спектральных характеристик ИИ, ОС, ПИ;

1 Ш ((,т,им)

а =-

'-''■¡/Ты

i (Ti)

д1

а =

"Лтп

о

1

д4„ (tTUi)

Л (Ti) дт

1 д// (t,T,U„i)

температурные

Ш ) д

коэффициенты изменения длин волн максимумов спектральных характеристик МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ;

п дФГЯ-Ш] п ЩЛ-Ш] п д^Я-Я]

Рш = дш ^ , в = д ^, в, = дш к - крутиз"

дЯФ дЯТ дЯ,

на спектральной характеристики ИИ, ОС, ПИ;

А

M [i-4]

j =

дш>п ™ дШП

крутизна спектральной характеристики МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ;

и = 1 дФм (,т,Пф)

Фм (Тф ) дий

ф

атм

1

дТм ((,t,Ut )

Тм ((,T,UT ) 1 «

дит Sm ((,t,U )'

oUS

чувствительность

Ям ((,т,и) ^

максимумов спектральных характеристик ИИ, ОС, ПИ к соответствующим управляющим воздействиям;

1 дФмпТф,)

аиф

"•ФМп аТМ

оМ ■■

Фмп ((,T,Un) U 1 сТмМп (,т,ип)

Тм, (,T,UTn) 1 (

дит,

* тик,)

Un

чувствительность

((,Т,Ц,)

максимумов спектральных характеристик МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ к соответствующим управляющим воздействиям;

™ 1 ЩХ'-тУш)

аЯФп =

аил

JUi . ■iSi '

4 (t,T,un№) Ui

1 Л (tTUni)

Л (Tni) 8Uit

1 д1 ((, TU/)

- чувствительность

ЯЯЯ ((,■ти,) ди^

изменения длин волн максимумов спектральных

характеристик МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ к соответствующим управляющим воздействиям.

Как видно из (2) и таблицы 1 выходной сигнал ПИ определяется величиной излучаемого ИИ светового потока, спектральными характеристиками МОЭ и взаимодействием этих спектральных характеристик. Причем, этим взаимодействием можно управлять как путем изменения соответствующих управляющих воздействий, так и изменением крутизны и взаимного расположения спектральных характеристик элементов.

Таблица 1.

Чувствительность МОС к управляющим воздействиям и ВДФ

Воздействие Коэффициент чувствительности

аффМ + 0Sm + афМ + X °ФмП + Z°TMn + X <<Mn + , j к

время Дт 1 i A f A [ЛфРлф0Лф + ^sPxOi; + ЛтРлтаЛт + A лн X 1ф„Р»ОФ + X InPiO + X InPiO]di iel jeJ keK

а +а +a +Xa" + Xajt +Xak + ^ФМ ^ ^Sm ^ ^Im^ ¿_¡ фмм, / . ^тмм^ / . 1 j к

температура ДТ 1 i , A fA [KP<Ф + ^sPxs0;; + irPiTaiT + A лН X 1фпРшП<фП + X VO + X 1kSnP< ]di iel jeJ keK

интенсивность излучения ИИ ДЦф, Диф <UM au ф + Xa'UlU Ф i

пропускание ОС дит, ди]пт aUT au +XaUT auj и-ТМ^-^ T ^ / , TMn nT j

чувствительность ПИ US л л , V^ kUS л тт к а;м AUs +XaSMn AU nS к

ди,, дик

Сдвиг спектральной характеристики МТП ИИ Диш 1 — jA1[X ХфпРфафAU/ф ]di A Лн iel

Сдвиг спектральной характеристики МТП ОС ДиШ 1 ЛВ — j AJE ijn jOUiAUjr ]di A Лн jeJ

Сдвиг спектральной характеристики МТП ДиПш 1 ЛВ j A[X iSnKnakSUiAunkiS ]di A ЛН keK

Многокомпонентные адаптивные элементы оптики Оптика когерентного излучения и, особенно, компьютерная оптика, являясь частью современных вычислительных оптических систем, нашла широкое применение благодаря способности к адаптации, гибкости в перенастройке, высокой скорости обработки информации. Применение когерентной оптики предполагает

использование достаточно сложных и громоздких оптических систем. В тоже время, многие вычислительные задачи можно решить, используя элементы некогерентной оптики: модуляторы и демодуляторы, корректоры нелинейности, дефлекторы, коммутаторы оптического сигнала и др. На рис. 2 изображена конструкция простейшего адаптивного оптического фильтра.

Рис. 2. Адаптивный фильтр оптического излучения

Он состоит из стеклянной подложки 1, на которую между двумя прозрачными омическими электродами 2 нанесены тонкопленочные слои интерференционного фильтра 6. К омическим электродам 2 подводится управляющее напряжение с помощью выводов 4. Резонансный слой такого спектроформирующего элемента (СФЭ) выполнятся из материала, обладающего электрооптическим, электрострикционным или обратным пьезоэффектом. При изменении управляющего напряжения изменяется показатель преломления резонансного слоя фильтра или его толщина и, в соответствии с выражениями таб. 1, изменяется длина волны максимума пропускания (рис. 3). Зависимость величины показателя преломления и толщины резонансного слоя СФЭ от управляющего напряжения для некоторых материалов линейная, для других - близка к квадратичной, зависимость же длины волны максимума пропускания адаптивного СФЭ от управляющего напряжения близка к косинусоидальной.

Ясно, что из-за небольших величин электро- и пьезооптических постоянных материалов СФЭ диапазон изменения максимума пропускания СФЭ небольшой. Однако, используя метод спектрального взаимодействия элементов, можно существенно улучшить характеристики.

Так, если на обратную сторону стеклянной подложки адаптивного фильтра (см. рис. 2) нанести такую же многослойную спектроформирующую систему, то возможна реализация функции модулятора оптического излучения, управляемого с помощью одного или двух напряжений. Если величины управляющих на-

пряжений выбрать так, чтобы спектральные характеристики при их изменении не перекрывались между собой или перекрывались частично (рис. 3), то такой оптический элемент реализует функцию электрооптического затвора с функцией «И» по управляющим напряжениям или функцию регулируемого ослабителя оптического излучения соответственно. Пропускание фильтра 1

О

Пропускание фильтра 2

I длина V волны

иупр=о 1/упр=+Е

'Л

длина волны

длина волны

О

Резуль-тирующее пропускание

О

Рис. 3. Спектральные характеристики пропускания адаптивного фильтра при различных управляющих напряжениях

Выходной сигнал ПИ такого элемента определится из выражения:

К

У(Ц«Т, и*)=а| ф* • зд -ф, и* , и* ] •

*

ТлиЛи* ]• ¿л, к и;

и' ]

пхт> ^ алт J

1

Н + Б соб[

П а2(1 + а„иК

■)(1 + аии * \

л

где '=1, 2, а",а^ - электрооптический коэффициент и коэффициент линейного расширения материала СФЭ вследствие электрострикционного или обратного пьезоэффекта соответственно.

На рис. 4 изображена зависимость пропускания такого модулятора оптического излучения от величины управляющего напряжения (параметр Б определяет полосу пропускания СФЭ), а на рис. 5 -зависимость величины управляющего напряжения от полосы пропускания СФЭ.

Диапазон изменения управляющих напряжений Аи (измеренный по уровню 0,2) определяется соотношением величин электрооптического (элек-трострикционного, пьезо-) коэффициента и полосой пропускания СФЭ:

Аи

1

2пМ - агсСоз(8/Б -1)

2жЫ + агсСо.1 (8/Б -1)

-1

О 0,01 0,02 0,03

Рис. 4. Характеристика пропускания модулятора оптического излучения № '

0,035-

0,030

0,025 0,020 0,015

О 2000 4000 6000 8000 В Рис. 5. Связь диапазона управляющих напряжений и электрооптических свойств материалов

На рис. 6 изображена конструкция оптического дефлектора, реализованного на методе спектрального взаимодействия.

Рис. 6. Аналоговый тонкопленочный дефлектор некогерентного оптического излучения.

Он состоит из двух идентичных узкополосных тонкопленочных интерференционных фильтров, выполненных из нанесенных на подложку 4 оптически прозрачных электродов 1, 3, 5, 7 (окись олова), резонансных полуволновых и зеркальных слоев 2, 6 из материалов, обладающих электрооптическим, электрострикционным или обратным пьезоэффек-том (сернистый цинк, криолит и др.). К электроду 5 фильтра 6 с двух сторон с помощью низкоомных электродов подключен источник развертывающего напряжения иупр2, создающий линейное падение напряжения в электроде 5. Ко второму электроду 7 фильтра 6 подключен источник управляющего напряжения иупр3. В результате между электродами 5, 6 фильтра 6 создается линейно изменяющаяся разность потенциалов и2(Х):

и2 (Х ) = иупр2Х / Хт - иупр3,

где Хт - размер дефлектора в направлении координаты Х.

К электродам 1, 3 фильтра 2 подключен источник управляющего напряжения иупр1. Учитывая координатные зависимости оптических толщин п резонансных слоев СФЭ 2 и 6:

п2 ¿2( х) = П20 ¿20(1 +аипиупр1) ,

X

п6 (Х) = П60^60{1 + ^ (иупр2--иупр3 ) } ,

Хт

где п20, п60, а20, аб0 - показатели преломления и толщины резонансных слоев СФЭ 2 и 6 при отсутствии управляющих напряжений, определим координату Х наибольшего пропускания дефлектора:

и , + и 3

У упр 1 упр3 у _ у

Х =-и-Хт =У- Хт .

и уп 2

Как видно, координатная зависимость максимума пропускания дефлектора линейная, определяется только величинами управляющих напряжений и не зависит от свойств и стабильности материалов СФЭ. Ширину области прозрачности дефлектора АХ (по уровню 0,5) можно определить из соотношения электрооптического коэффициента материала СФЭ, управляющих напряжений и полос пропускания спектроформирую-щих элементов (рис. 7):

Л=100

0 0,01 0,02 0,03 0,04 Рис. 7. Зависимость ширины области прозрачности дефлектора от полосы пропускания СФЭ

К 1 Ф(л) - 5(л) - ал =

(Н + Б с08[В(1 + аПии ^Л])(Н + Б соз[В(1 + а {и^ А^ + и упр.})/Л])

= 0,5 1 (

ф(Л) - 5(Л) - ал

Н (Н + БС08[В(1 + аПип»)/ л])2 Как видно из рис. 7 для узкополосных СФЭ ширина области прозрачности дефлектора составляет величину порядка 3% от размера рабочей зоны дефлектора Хт. На рис. 3 изображены спектральные характеристики СФЭ дефлектора, а на рис. 8 - координатные зависимости пропускания дефлектора при различных управляющих напряжениях.

у=0 7=0,25 /=0,5

Рис.8. Пропускание дефлектора при различных управляющих напряжениях

Уm ^^ + иупр3 ) / и упр2 .

=0 7=0,25 =0,5

Рис. 9. Пропускание двухкоординатного дефлектора при различных управляющих напряжениях

Уш (Uупр1 + Uупр 3) / Uупр упр 4

При введении в конструкцию дефлектора третьего фильтра (см. рис. 6), идентичного фильтру 6, но пространственно развернутого на 900 вдоль оси 2, и подаче на его электроды соответствующего управляющего напряжения иупр4у устройство реализует функцию двухкоординатного сканирования (рис. 9).

Ширину области прозрачности дефлектора ДХ, Д— (по уровню 0,5) можно определить из соотношения электрооптического коэффициента материала СФЭ, управляющих напряжений и полос пропускания спектроформирующих элементов:

пропускания дефлектора ограничивается как соотношением полосы пропускания СФЭ и величины электрооптического коэффициента, так и шириной электродов (полос), а, поэтому, может быть уже, чем в варианте рис. 6.

12 3 4

Тп(Я,и ,) Ф(Я) ■ к (Я) ■ йЯ

(Н+Бсо5[г(1 + а,и{иупр2 Xх+и„,))/Я])(Я + Бсо5[г(1 + а,и{и^ Д-+и„1))/Я])

567

Ж

= 0,51 т;ши„р1)3 Ф(Я) ■ к (Я) ■ йЯ;

1

\

Тп(Я,иу„р,) =

\Jynpl 11упр2

1 2 \Jynpl Uyr.pl

1

1/упр2

иупР2

11упр2

\Jynpl

Н+Б со5[_В(1 + аЦи^,) / Я]

где -ш - размер дефлектора в направлении координаты -.

Вариант реализации дискретного дефлектора, который так же может выполнять функцию многоканального коммутатора некогерентного излучения, изображен на рис. 10. Здесь омические электроды спектроформирующих элементов выполнены в виде системы ортогональных полос, подключенных к независимым источникам управляющего напряжения. Область прозрачности такого дефлектора (коммутатора) находится под перекрестием электродов с одинаковыми управляющими напряжениями. В этой конструкции дефлектора ширина пространственного

Рис. 10. Дискретный тонкопленочный дефлектор (коммутатор) некогерентного оптического излучения

Литература

1. Матюнин С.А. Принципы построения многокомпонентных оптронных систем спектрального взаимодействия // Сб. докладов МНТК «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик 2001», Судак, 24-31.05. 2001.

2. Леонович Г.И. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещений для жестких условий эксплуатации // Самара:-СГАУ. -1998. -265 с.