ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

1-1 L 1 ^ И ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Sil BASIC PROBLEMS OF ENERGY AND RENEWABLE ENERGY

Статья поступила в редакцию 16.10.09. Ред. рег. № 621 The article has entered in publishing office 16.10.09. Ed. reg. No. 621

УДК 621.391.272

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР

Р.А. Гасанов, В. С. Эйнуллаев, А.Р. Рустамов

Национальная Академия Авиации Азербайджана Азербайджанская Республика, А21045, Баку, пос. Бина, 25-й км Тел./факс: (+994 12) 497-28-29, Тел. (+994 12) 566-44-10 e-mail: hasanov@naa.edu.az

Заключение совета рецензентов: 26.10.09 Заключение совета экспертов: 31.10.09 Принято к публикации: 05.11.09

Рассматривается возможность построения перестраиваемого полосового фильтра на основе акустооптического эффекта и оптического гетеродинирования. Причем параметры предложенного устройства не зависят от его частоты настройки.

Ключевые слова: фильтр, акустооптика, гетеродинирование, дифракция, полоса пропускания, Брэгг, акустооптический модулятор.

TUNABLE ACOUSTO-OPTIC BAND-PASS FILTER R.A. Hasanov, V.S. Eynullayev, A.R. Rustamov

National Academy of Aviation, Azerbaijan 25 km, Bina pos., Baku, АZ1045, Azerbaijan Republic Tel./fax: (+994 12) 497-28-29, Tel. (+994 12) 566-44-10, e-mail: hasanov@naa.edu.az

Referred: 26.10.09 Expertise: 31.10.09 Accepted: 05.11.09

The opportunity of construction of the tunable band-pass filter on the basis of acousto-optic effect and optical heterodyning is considered. Parameters of the offered device do not depend on its frequency of adjustment.

Ряд контрольно-измерительных работ требует выявления наличия электромагнитных волн в определенных полосах частот. Такая задача возникает, например, в радиобиологии. Решение этой задачи требует наличия множества полосовых фильтров (ПФ) или одного перестраиваемого ПФ. В традиционных перестраиваемых ПФ проблему решают применением варикапов, емкость которых изменяется под действием постоянного напряжения, приложенного к его обратно смещенному переходу. Однако такая перестройка сопровождается также изменением других параметров (добротности, полосы пропускания и т. д.) ПФ.

Целью данной работы является разработка и исследование акустооптического ПФ, параметры которого не изменяются при перестройке.

Анализ особенностей акустооптического эффекта [1] и оптического гетеродинирования [2] показал, что на их основе можно реализовать перестраиваемый ПФ.

u(t)

......± if

Экран со щелью

ПУ

u(t)

Структурно-электрическая схема перестраиваемого

акустооптического ПФ Structural-electrical schema of the tunable acousto-optic band-pass filter

x

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2009

Р.А. Гасанов, В.С. Эйнуллаев, А.Р. Рустамов. Перестраиваемый акустооптический полосовой фильтр

Структурно-электрическая схема перестраиваемого акустооптического ПФ изображена на рисунке.

Излучение лазера 1 с помощью полупрозрачного 2 и непрозрачного 3 зеркал расщепляется на два пучка, которые падают на оптические входы основного 4 и вспомогательного 5 акустооптического модулятора (АОМ) (АОМ является основным узлом любого акустооптического процессора и представляет собой фотоупругую среду, к одной грани которой прикреплен электроакустический преобразователь, а к другой акустический поглотитель) под различными углами Брэгга.

Исследуемый сигнал и(/) подводится к электроакустическому преобразователю (ЭАП) 6 основного АОМ 4. ЭАП 6 преобразует электрический сигнал в упругие волны, распространяющиеся в фотоупругой среде (ФУС) к акустическому поглотителю 7. Падающий в апертуру АОМ 4 свет дифрагирует на упругой волне. Первый дифракционный порядок после АОМ 4 используется в качестве сигнального поля. На электрический вход АОМ 5 подается высокочастотное (ВЧ) колебание от соответствующего генератора. Первый дифракционный порядок после АОМ 5 используется в качестве гетеродинного поля.

В процессе акустооптического взаимодействия частота света в продифрагировавшем порядке оказывается сдвинутой благодаря эффекту Доплера, на величину, равную частоте воздействия на электрическом входе [1].

Так как лазерные пучки падают в апертуры основного и вспомогательного АОМ под различными углами, одинаковые направления сигнального и гетеродинного полей обеспечиваются на различных частотах исследуемого сигнала и ВЧ генератора. Разность частот исследуемого сигнала и ВЧ генератора выбирается равной центральной частоте полосового усилителя (ПУ), включенного после фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

При выполнении определенных условий1 сигнальное и гетеродинное поля гетеродинируют на светочувствительной поверхности ФЭУ [2]. Оптическое гетеродинирование основано на нелинейности фотодетектора по отношению к полю излучения. Когда сумма двух гармонических сигналов подвергается нелинейному преобразованию (в частности квадратичному), то в результате появляются гармоники как с суммарными, так и с разностными частотами. Детектирование оптического сигнала есть не что иное, как квадратичное преобразование поля излучения. Поэтому естественно ожидать, что при одновременном детектировании двух оптических сигналов с различными час-

1 Эффект оптического гетеродинирования поддерживается при выполнении ряда специфических требований. К ним относятся: 1. Временная и пространственная когерентность сигнального и гетеродинного пучков света; 2. Согласованность волновых фронтов сигнального и гетеродинного пучков (совпадение формы фронтов и направления распространения), т.е. пространственного расположения их волновых фронтов.

тотами на выходе фотодетектора возникает электрический сигнал на разностной частоте.

Предположим, что исследуемый сигнал имеет следующий вид:

u (t) = U (t) cos

(1)

где U(t) и Qj - огибающая амплитуд и частота исследуемого сигнала.

Сигнал (1) возбуждает в фотоупругой среде АОМ 4 упругую волну, которая модулирует падающий световой пучок. Первый дифракционный порядок, где распределение света описывается соотношением

Es (t, x) = exp [ j (ю + Ц) t - K1 x sin 6S], (2)

используется в качестве сигнального поля. Здесь K1 = 2п/Л1 - волновое число звука в АОМ 4; Л1 -длина упругой волны в ФУС акустооптического модулятора 4; 6s - угол распространения сигнального пучка.

Гармоническое колебание ВЧ генератора с частотой Q2 поступает на электрический вход АОМ 5 и возбуждает в нем упругую волну. Пересекающий апертуру АОМ 5 световой пучок образует дифракционные порядки, первый из которых используется в качестве гетеродинной подсветки.

Распределение энергии в гетеродинном поле описывается соотношением:

ÉL (t, x) = exp[ j (ю + Q)t - K2 (x0 + x)sin6L ] , (3)

где K2 = 2п/Л2 - волновое число звука в АОМ 5; x0 - расстояние от ЭАП 6 до точки акустооптического взаимодействия в АОМ 4; 6L - угол распространения гетеродинного пучка.

В результате оптического гетеродинирования на выходе ФЭУ формируется следующий сигнал:

u"(t) = c J jEj + ÉLI dx = c

+c

и

-ú,5d ,5d

j [ ёа*+]

. |2 I • |2

EÁ + \Er\

dx +

dx,

(4)

где ё - апертура падающего светового пучка; с - постоянный множитель.

Полосовой усилитель выделяет составляющие сигнала (4), попадающие в его полосу пропускания. Принимая, что -Ц| = й - частота настройки

ПУ, К1 = К2 = К, |9Х - 9Х | = А9 - угол рассогласования между сигнальным и гетеродинным полями и учитывая математическую модель (1) исследуемого сигнала, можно получить следующее выражение для сигнала на выходе ПУ:

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (79) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009

Основные проблемы энергетики и альтернативной энергетики

u '(t) = с' U (t ——)sinc и,

Пт sin(A9) Л

cos

t — u,

,(5)

где 81ие(х) = Бт(х)/х; и1 - скорость распространения упругой волны в ФУС АОМ 4; с' - постоянный множитель. Пренебрегая задержкой, обусловленной временем пробега упругого волнового пакета от ЭАП 6 до точки акустооптического взаимодействия в ФУС акустооптического модулятора 4 (в этом случае этот параметр не играет роли), окончательное выражение для сигнала на выходе ПУ можно написать в следующей форме:

u '(t) = с'U (t )sinc

nd

sin(A9)

cos (Ш). (6)

Множитель sinc

^d sin(A9) Л

определяет зависи-

мость выходного напряжения ПУ от угла рассогласования Д6 между сигнальным и гетеродинным пучками. При точном совпадении направлений сигнального

и гетеродинного пучков A6 = 0, sinc уравнение (6) принимает вид

u'(t) = c'U(t) cos (at).

sin(A6)

Л

= 1

(7)

Из уравнения (6) выводится формула для определения полосы пропускания акустооптического ПФ:

2Af = 2,792 uj(nd).

(8)

Из формулы (7) следует, что ширина полосы пропускания акустооптического ПФ не зависит от его частоты настройки, т.е. это устройство имеет неоспоримое преимущество перед его электронными аналогами.

Полоса пропускания ПУ выбирается больше 2Af. В то же время центральная частота ПУ остается неизменной, т.е. |О2 - Ц| = О = const. Поэтому при изменении частоты ВЧ генератора О2 акустоопти-ческий ПФ перестраивается на другую частоту Ц = О2 - О исследуемого диапазона.

Для подтверждения полученных результатов был проведен ряд экспериментальных работ.

По мнению авторов, ниже приведенные сведения могут представить интерес для специалистов. Аку-стооптический ПФ был реализован на двух акусто-оптических модуляторах типа МЛ-201 (п = 1,728; и = = 3,63 км/с; /0 = 80 МГц). В качестве источника света был использован лазер ЛГ-78 (диаметр светового пучка 2,5 мм). Излучение лазера расщеплялось с помощью оптических зеркал. В качестве источника исследуемого сигнала был использован генератор Г4-107, который работал в режиме тональной частотной модуляции. Другой Г4-107 работал без модуляции и был использован для формирования гетеродинной подсветки. Гетеродинный и сигнальный пучки попадали на поверхность ФЭУ-29 через щель экрана. Сигнал с выхода ФЭУ-29 подавался на вход усилителя промежуточной частоты (УПЧ) от УКВ радиовещательного приемника. Выходной сигнал УПЧ, настроенного на частоту 10,7 МГц, контролировался с помощью осциллографа С1-70. Одновременно тон прослушивался на выходе усилителя низкой частоты.

Измерения были проведены для трех значений частоты исследуемого сигнала: 80,7; 85,7; 90,7 МГц. При этом используемый для формирования гетеродинного поля ВЧ генератор был настроен на частоты 70; 75; 80 МГц соответственно.

Выводы

Теоретические выкладки и эксперименты показали, что особенности акустооптического эффекта и оптического гетеродинирования могут быть использованы для построения перестраиваемого полосового фильтра, параметры которого не зависят от частоты настройки. Используя современные технологии изготовления узлов акустооптических процессоров, перестраиваемый полосовой фильтр можно изготовить в микромодульном исполнении.

Список литературы

1. Балакший В.И., Парыгин В.И., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985.

2. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гете-родинирование. М.: Наука, Главная редакция физ.-мат. литературы, 1985.

— TATA — < >

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2009