5.3. Схема оптического зондирования поверхностных акустических волн (пав) с применением опорной дифракционной решетки (одр) на поверхности подложки-звукопровода.

5.3.1.Вводные замечания. Схема оптического зондирования ПАВ с применением ОДР была предложена в работе [11 ] и затем анализировалась в ряде работ [12, 13]. Один из вариантов этой схемы изображен на рис. 5.3. В этом варианте на поверхности подложки, по которой распространяется ПАВ, расположена опорная дифракционная решетка. Период этой решетки равен периоду исследуемой ПАВ , а расположение ее таково, что штрихи дифракционной решетки параллельны волновым фронтам ПАВ. Зондирующий световой пучок от лазера направляется в область ОДР и взаимодействует одновременно с ОДР и с ПАВ. При этом волновой фронт лазерного пучка получает пространственную модуляцию от ОДР, и наряду с этим волновой фронт лазерного пучка получает движущуюся со скоростью волны пространственную фазовую модуляцию от бегущей поверхностной акустической волны. Фактически в этой схеме происходит процесс оптического гетеродинирования, и в результате на выходе фотодетектора мы получаем электрический сигнал, частота которого равна частоте ПАВ, его амплитуда пропорциональна амплитуде ПАВ, а не квадрату амплитуды ПАВ, и при этом фаза выходного сигнала линейно связана с фазой ПАВ. Эта схема характеризуется более высокой чувствительностью, чем предыдущая схема, и позволяет проводить не только амплитудные, но и фазовые измерения.

5.3.2. Схема оптического зондирования пав с одр, расположенной на поверхности, по которой распространяется пав.

Обычно используют схему, рис.5.3, в которой световой пучок отражается от подложки.

Рис. 5.3. Схема оптического зондирования поверхностных акустических волн (ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР), расположенной на поверхности звукопровода ПАВ

В принципе возможно использование схемы зондирования на просвет, в который свет проходит сквозь подложку. Однако, с практической точки зрения у схемы на просвет есть существенный недостаток: световой пучок, проходящий сквозь подложку, получает модуляцию не только от ПАВ, но и от объемных акустических волн и, вследствие этого, в выходном сигнале могут присутствовать значительные помехи.

С точки зрения теоретического анализа значительное различие схемы на отражение и схемы на просвет проявляется только при условии, что ОДР отделена от поверхности подложки, по которой распространяется ПАВ, и находится на некотором расстоянии от нее.

Рис. 5.4. Эквивалентная схема для анализа схемы оптического зондирования ПАВ с ОДР, расположенной на подложке .

Вначале мы проанализируем простейшую схему, в которой опорная дифракционная решетка расположена на поверхности подложки. Будем считать, что плоскости ОДР и ПАВ совпадают в пространстве, при этом бегущая и стационарная пространственные модуляции создаются в одной плоскости. Эквивалентная схема взаимодействия оптической волны с ОДР и ПАВ изображена на рис. 5.4. Здесь в качестве стационарной ОДР применена фазовая дифракционная решетка с прямоугольным профилем. Применение фазовых дифракционных решеток обеспечивает наиболее высокую эффективность при обнаружении ПАВ [12]. На практике решетки такого типа могут быть легко изготовлены с помощью технологии фотолитографии.

Наряду с теоретическим анализом схем зондирования с фазовой опорной решеткой интересно рассмотреть схему с опорной решеткой амплитудного типа, чтобы оценить разницу в физических процессах детектирования сигнала при различных типах ОДР.

На эквивалентной схеме отраженная оптическая волна изображена повернутой на 180⁰ относительно оси 0х, т.е. построено зеркальное изображение отраженной волны. При этом эквивалентная схема зондирования на отражение практически совпадает со схемой зондирования на просвет. В данном частном случае это правомерно, поскольку плоскости расположения ОДР и ПАВ совпадают. При этом амплитуду пространственной фазовой модуляции волнового фронта будем рассчитывать по формулам, полученным для схемы на отражение. После взаимодействия с системой ОДР – ПАВ оптический пучок распадается на дифракционные порядки. Один из дифракционных порядков выделяется с помощью диафрагмы и направляется в фотодетектор.

В процессе оптического зондирования происходят следующие физические процессы. Ввиду того, что ПАВ непрерывно движется, пространственная модуляция в системе ОДР – ПАВ меняется с частотой бегущей волны. В результате в дифракционной картине происходят периодические изменения распределения света по порядкам с периодом, равным или кратным частоте бегущей ПАВ. В результате интенсивности низших дифракционных порядков после дифракции зондирующей волны на системе ОДР – ПАВ модулированы с частотой ПАВ. В результате с выхода фотодетектора, помещенного в один из дифракционных порядков, мы получаем радиосигнал на частоте колебаний ПАВ, F. Этот радиосигнал на несущей частоте F можно усилить и провести его фильтрацию с помощью полосового фильтра. При фильтрации полностью исключается постоянная составляющая фототока и в результате схема зондирования совершенно нечувствительна к световому фону, возникающему при рассеянии света на неподвижных оптических объектах, входящих в оптическую схему зондирования, а также нечувствительна к помехам от посторонних источников света. Это свойство нечувствительности к рассеянному свету и к свету от внешних источников выгодно отличает данный метод зондирования от метода простого дифракционного зондирования.

Постановим следующую задачу: провести анализ взаимодействия оптической волны с системой ОДР – ПАВ с применением метода пространственно-частотного анализа, исследовать колебания мощности в дифракционных порядках, найти связь между амплитудой колебаний в дифракционных порядках и амплитудой ПАВ. Сравнить схемы с различными типами опорных дифракционных решеток.