2 Приборы акустооптики

В приборах и устройствах функциональной акустооптики используется взаимодействие двух типов динамических неоднородностей: акустической и оптической природы. Физической основой взаимодействия электромагнитных и упругих волн является упругооптический эффект.

Акустическая волна модулируется коэффициентом преломления континуальной среды, создавая в ней бегущую фазовую решетку. При выполнении брэгговских условий падения света на фазовую решетку, образованную звуковой волной, происходит рассеяние света. Угол рассеяния Θ может быть определен из соотношения , где λ и Λ-длины волн света и звука; V₃ и f₃ - скорость и частота звука.

К приборам акустооптики относятся дефлекторы и модуляторы. Акустооптический дефлектор предназначен для сканирования, модуляции и переключения света в электронооптических системах обработки иформации.

Акустооптический дефлектор состоит из оптического волновода, сформированного в подложке LiNbO₃ путем имплантации Ti, а также призменных элементов ввода/вывода излучения (3). Волна возбуждается ВПШ (рис. 9.3). Оптическое излучение, введенное в континуальную среду с фотоупругими свойствами, испытывает дифракцию на "замороженной" акустической фазовой решетке. В первый дифракционный максимум перекачивается значительная доля падающей световой энергии.

Рис.9.3 – Акустооптический дефлектор: 1-подложка LiNbO₃; 2 - волновод Ti:LiNBO₃; 3 - призма; 4 - ВШП; 5 – фазовая решетка; 6 - отражатель; 0 - основной пучок излучения; ±1 - первый дифракционный максимум

Акустооптические дефлекторы широко используются при обработке информации, так как имеют заданное число разрешимых фиксированных позиций (от 10 до 125), диапазон частот управляющего сигнала лежит в пределах (130-825) МГц при мощности несколько ватт.

Аналогично устройство акустооптического модулятора, который позволяет управлять амплитудой, фазой, частотой и поляризацией световой волны. Такие модуляторы позволяют вносить новую информацию в световой пучок. Мощность модулируемого излучения составляет ~1 мВт, ширина полосы составляет 200 МГц.

Определенный интерес представляют акустооптические процессоры, которые эффективно используются в задачах параллельной обработки информации в реальном масштабе времени. Такие процессоры позволяют обрабатывать сигналы с частотой 2-3 ГТц при ширине полосы 0,5-1,0 ГГц в динамическом диапазоне 40-60 дБ. Различают корреляторы с пространственным и временным интегрированием, которые обеспечивают свертку или взаимную корреляционную функцию сигналов. Схема коррелятора с пространственным интегрированием приведена на рис. 9.4.

Рис. 9.4 – Коррелятор с пространственным интегрированием

Сигнал f(t) подается на пьезопреобразователь акустооптического модулятора (3). Модулятор представляет блок, способный создать акустооптическую копию сигнала f(t) в виде зон с измененной оптической плотностью. Коэффициент преломления в зонах сжатия увеличивается, а в зонах разряжения уменьшается. При этом пучок света от источника (1), пройдя коллимирующую линзу (2) дифрагирует, а амплитуда дифрагирующей составляющей модулируется функцией , где V₃ – скорость звука в модуляторе. Оптическая система из линз (4, 6) и диафрагмы (5) формирует изображение в плоскости Р₃, в которой расположен транспарант (7) с амплитудным пропусканием, заданным функцией h(t). Линза (8) осуществляет пространственное преобразование Фурье над волновым полем в плоскости Р₃. В результате имеем

где F - фокусное расстояние линзы 8, λ - длина световой волны, х - пространственная координата в выходной плоскости Р4. Точечная диафрагма выделяет результат преобразования, световое распределение регистрируется фотодетектором (10) в виде . Другими словами этот сигнал содержит информацию о квадрате модуля взаимной корреляции функций f(t) и h(x). В корреляторе с временным интегрированием функция h(t) вводится с помощью модулятора.

В задачах обработки больших массивов информации определенные надежды связывают с акустооптическими линейно алгебраическими процессорами, предназначенными для перемножения матрицы на вектор, матрицы на матрицу, тройного перемножения матриц и т. п.

В таких процессорах используются свойства акустооптических ячеек: возможность модуляции интенсивности дифрагированного пучка и его отклонения на угол, пропорциональный частоте акустических колебаний в ячейке (рис. 9.5).

Рис. 9.5 – Схема акустооптического алгебраического процессора

Элементы матрицы, соответствующим образом представленные сигналами a_ij, подаются на линейку источника света (1) в плоскости Р₁, их коллимированное излучение - на модулятор (3). Одновременно на модулятор подаются импульсы х₁, х₂,...x_N, пропорциональные N-мерному вектору N. Результатом перемножения является вектор у = Ах, компоненты которого вычисляются по правилу: .

Оптическая система из линз (4, 6) и диафрагмы (5) проецирует результат на линейку фотодетекторов (7). Работа устройства синхронизирована так, что в момент времени входа в апертуру ячейки первого акустического импульса первый источник света (фотодиод) излучает световой импульс с заданной интенсивностью a₁₁, а на выходе первого детектора появляется импульс тока, пропорциональный a₁₁x₁. Следующий такт вычисления произойдет, когда первый импульс сместится и будет напротив второго светодиода, излучающего со световой интенсивностью, пропорциональной а₂₁.

В результате суммарный выходной сигнал первого фотодетектора пропорционален a₁₁x₁+a₁₂x₂, а выходной сигнал второго фотодетектора a₂₁x₁.Через N таких тактов все элементы вектора х заполнят амплитуду ячейки, и величина сигнала нагрузки на i-ом фотодетекторе будет пропорциональна . Теоретический предел скорости обработки составит (5–10)¹⁰ операций умножения/сложения в секунду. Аналогично строится процессор для перемножения матрицы на матрицу.