4.6.4. Конструкция и особенности функционирования акустооптического модулятора

Такой модулятор схематически представлен на рис. 4.6. Ультразвук генерируется пьезоэлектрическим излучателем 2 (из ниобата лития LiNbO₃), который периодически возбуждается генератором высокочастотного напряжения. Упругие (ультразвуковые) волны создают в акустооптической среде дифракционную решетку 3, которая непосредственно влияет на распространение (пропускание, поглощение, отражение) падающего оптического излучения 1. Избыток энергии упругих сил отбирается специальным устройством (поглотителем ультразвука) на обратном конце пластины.

Лучи света, падающие под углом к ультразвуковым волнам, далее распространяются согласно дифракционной картине под углом Брэгга 4, частично отражаются и тем самым заметно отклоняются под углом 5. Меняя частоту акустических волн можно менять углы выходящих лучей. Таким образом это устройство можно использовать как дефлектор, управляющий углом отклонения лазерного луча, так и в виде модулятора интенсивности луча.

5. Оптическая обработка информации

5.1. Описание оптического сигнала

Оптический сигнал - это световая волна, несущая определенную информацию.

Особенностью световой волны по сравнению с радиоволной является то, что вследствие малой длины волны в ней может быть практически осуществлена передача, прием и обработка сигналов, модулированных не только по времени, но и по пространственным координатам. Это позволяет значительно увеличить объем вносимой в оптический сигнал информации. Оптический сигнал является функция четырех переменных (x,y,z,t) - 3-х координат и времени.

Электромагнитная волна характеризуется взаимно перпендикулярными векторами напряженностей электрического E и магнитного H полей которые изменяются во времени по одному и тому же гармоническому закону:

U(x,y,z,t) = P(x,y,z) A(x,y,z) cos [2πνt + φ(x,y,z)], (5.1)

где ν - частота колебаний, φ(x,y,z) - фаза в точке с пространственными координатами (x,y,z).

Световую волну можно представить с помощью электрического или магнитного поля. В оптике чаще всего для этой цели используют электрическое поле. Поэтому будем считать, что (5.1) описывает электрическое поле поляризованной световой волны. Тогда P(x,y,z) - единичный вектор, определяющий прямую, вдоль которой совершается колебание электрического поля в точке пространства с координатами (x,y,z). Функция U(x,y,z,t) - скалярная функция координат пространства и времени, числено равная мгновенному значению напряженности электрического поля E(x,y,z,t); A(x,y,z) - амплитуда колебаний напряженности электрического поля в точке (x,y,z). Скалярная форма записи световой волны:

U(x,y,z,t) = A(x,y,z) cos [2πνt + φ(x,y,z)] . (5.2)

Обычно пользуются комплексной формой записи. В комплексном виде уравнение монохроматической волны будет иметь вид:

U(x,y,z,t) = A(x,y,z) exp {i [2πνt + φ(x,y,z)]}, (5.3)

Величину

U’(x,y,z) = A’(x,y,z) = A(x,y,z) exp {i [φ(x,y,z)]}, (5.4)

называют комплексной амплитудой. Она описывает пространственное распределение амплитуд A(x,y,z) и фаз световой волны и является важной характеристикой монохроматической волны. Другую часть представляет временной множитель exp i2πνt.

Временной множитель, являющийся для монохроматического сигнала гармонической функцией времени, обычно опускают. Поэтому в дальнейшем оптический сигнал будем представлять в виде (5.4). Таким образом, основными характеристиками световой волны являются амплитуда A(x,y,z), фаза и поляризация, определяемая единичным вектором P(x,y,z).

В оптических системах обработки информации, как правило, работают с двухмерным оптическим сигналом, который описывается распределением комплексной амплитуды, фазы или поляризации световой волны по точкам пространства, лежащим в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Если в рассматриваемой плоскости ввести координаты x, y, то информация, содержащаяся в двухмерном сигнале, будет определяться комплексной амплитудой

U(x,y) = A(x,y) exp i φ(x,y,z),

являющейся функцией двух пространственных координат.