Опт устр в РТ / ОУ / Лк8 Акустооптика

4.1.  Акустооптические устройства обработки

4.1.1. Акустооптические модуляторы

Рис.4.1. Акустооптический модулятор

1 - пьезоэлектрический преобразователь

2 -среда распространения

3 – поглотитель

Тип АОМ	Полоса частот, МГц	Перспектива, ГГц
На объемных волнах	2000	20
На ПАВ	700	2

4.1.2. Пространственное и временное интегрирование

Рис.4.2.Пространственное интегрирование:  а - неподвижный сигнал б – движущийся сигнал

Рис.4.3. Временное интегрирование:  а - один канал; б – N-каналов

4.2. Методы акустооптической обработки сигналов

Одномерное пространственное интегрирование. 

ПФ входного сигнала S

- (4.1)

пространственное интегрирование произведения входного сигнала  s(x) на фазовый множитель  

M - входной АОМ;   Ф - матрица фотоприемников

Составляющая   искомого пространственного спектра реализуется в точке  как сумма всех S(x)exp(-j2u_k x) в фиксированный момент времени.

Движение сигнала используется только для его ввода в АОМ.

Для получения КФ в пространственной области

  (4.2)

необходимо перемножение двух сигналов во входной плоскости, движущихся относительно друг друга.

КФ R(x’) снимается с любой точки Ф как временной сигнал.

Корреляционная обработка на основе операций в области  пространственных частот  (в спектральной плоскости)

  (4.3)

не требует движения входного сигнала, кроме как для его ввода.

Аргумент R(x) - выходная пространственная координата.

Число элементов во входном сигнале ограничивается апертурой АОМ D

В настоящее время используются методы пространственно-временной оптической обработки  с применением принципа временного интегрирования.

Для одновременного осуществления временного интегрирования и запоминания его результатов используют способность фотодетекторов накапливать изменения своего фоточувствительного параметра:

 ,   (4.4)

Временное интегрирование вдоль одной поперечной пространственной координаты 

В точке  х  апертуры в момент времени  t

- для а):

- для б)

Рис.4.5. Cвертка (корреляция) вдоль одной координаты:

а - ортогональное движение сигналов

б – параллельное встречное движение сигналов 

Выходная функция корреляции является пространственной.

Длительности сигналов м.б. много больше апертуры L.

В каждый момент времени линейка Ф фиксирует часть КФ; ее длительность определяется апертурой АОМ L.

Спектральный анализ:

 , u=x / f (4.1)

представляя , получим

(4.6)

где - фокусное расстояние линзы,   - длина световой волны.

Последовательность операций:

сигнал s сначала умножается на ЛЧМ-сигнал (сигнал с квадратичной фазой), затем осуществляется корреляция (или свертка) с другим ЛЧМ-сигналом, и, наконец, полученный результат умножается на третий ЛЧМ-сигнал для снятия получающейся фазовой модуляции.

Временное интегрирование вдоль обеих поперечных пространственных координат.

а

б

Рис.4.6. Корреляционная обработка с временным интегрированием вдоль обеих поперечных координат:

а - условная схема; б - полная схема

  (4.8)

Эту схему можно трактовать как схему многоканальной корреля- ционной обработки с временным интегрированием в каждом канале.

Рис.4.7. Варианты АОМ для растрового представления сигнала:

1а - совокупность одиночных ячеек; б - планарный с зигзагообразным ходом ультразвукового луча; в - объемный с зигзагообразным ходом ультразвукового луча; г - с двумя входами и зигзагообразным ходом ультразвукового луча

4.3. Схемы с модуляторами на ПАВ

При распространении гармонической ПАВ на поверхности пьезокристалла образуется синусоидальная дифракционная решетка, сопоставляемая с пространственной несущей сигнала.

2 вида:

1) амплитудная решетка 1+ bcos(u₀x) (b - максимальное изменение пропускания,  u₀ - пространственная частота).

2) фазовая решетка 1+ jcos(u₀x) (  - максимальное изменение фазы света).

l - длина области взаимодействия оптической и акустической волн,  - длина оптической волны,   - длина акустической волны

l << ² – дифракция Рамана-Ната (ниже ~ 100 МГц)

l >> ² - дифракция Брэгга (выше ~ 100 МГц)

Дифракция Рамана-Ната

Дифракция Брэгга

Условие Брэгга: sin _E =  / 2

Рис.4.8. Варианты встречно-штыревых преобразователей:

а - обычный; б, в, г - широкополосные; 1 - направление  считывающего оптического пучка (дифракция Брэгга);

 2 - направление дифрагированных оптических пучков.

Интегрально-оптические корреляторы и спектроанализаторы

Рис.4.9. Интегрально-оптический гибридный спектроанализатор с пространственно-временным  интегрированием: 1 -источник света;

2-подложка; 3-входной преобразователь; 4-линзы; 5- матрица фотодетекторов; 6 – ПАВ

Подложка из ниобата лития длиной 70 мм, в которую диффузионным способом имплантирован слой титана глубиной 280 ангстрем, служащий волноводной пленкой. ПАВ генерируется с помощью комбинации из двух наклоненных ВШП. Полоса частот 400 МГц, динамический диапазон по сигналу – около 20дБ. Линзовые элементы геодезические; профиль линз выдержан с точностью 0,5 мкм.

Матрица фотодетекторов, имеющая 140 элементов, примыкает вплотную к выходному полированному краю волноводной пленки, на которой нанесен просветляющий слой двуокиси кремния. Источником света является миниатюрный гелий-неоновый лазер мощностью 100 мкВт, прикрепленный к подложке.

Рис.4.10. Коррелятор с пространственным интегрированием, использующий планарный оптический пучок (без волновода):

а - со встречным параллельным движением сигналов (единая  подложка); б - с попутным параллельным движением сигналов (две подложки из разных материалов)