К.т.н., доцент Рудик А.В.

Національний університет водного господарства та природокористування (Україна, м. Рівне)

ПРЕЦИЗІЙНІ  ФАЗООБЕРТАЧІ  ОПТИЧНОГО  ДІАПАЗОНУ

На сучасному етапі технічного розвитку актуальною задачею є отримання ка­лі­брованого фазового зсуву в оптичному діа­пазоні. Як показано в роботі [1], використання лазерної інтерферо­метрії, мето­дів модуляції оптичного випромінювання на основі акустооптичної взаємодії та вико­рис­тан­ня двочастотних лазерів дозволяє суттєво підвищити точність вимірювання та задавання кута фазового зсуву (КФЗ) в радіооптичному діапазоні.

Звук, який поширюється в речовині, призводить до зміни її щільності, що в свою чергу спри­чи­няє зміну коефіцієнту заломлення з періодом, який дорівнює довжині акус­тич­ної хвилі. Світловий промінь дифрагує на цій просторовій періодичній структу­рі та відхиляється від попереднього напрямку.

Дифракція, в якій спостерігається лише один дифрагований промінь, назива­єть­ся дифракцією Брегга. На практиці такий режим виникає у випадку, коли зву­ко­ве поле має достатньо велику глибину і світловий промінь на своєму шляху пе­ре­ти­нає один або більше періодів зміни коефіцієнта заломлення.

Враховуючи, що частота ультразвуку  набагато менша час­то­ти світлової хвилі , кут  між фронтом звукової хвилі та нап­рям­ком поширення світла визначається як  де  – хвильовий вектор звукової хвилі;  – швидкість ультразвуку;  та  – відповідно довжини хвиль світлового променя та ультразвуку;  – хви­ль­овий вектор світлового променя;  – швидкість світла у вакуумі (повітрі).

Критерієм, що визначає режим дифракції, є величина  де  – глибина звукового поля в напрямку поширення світла. Якщо , тоб­то , то вважають, що дифракція відбувається в режимі Брегга.

У випадку слабкої взаємодії напруженість поля вихідного світлового проме­ня  можна виразити через напруженість світлового променя , що падає, та­ким чином [2]:

                      (1)

де  – константа;  – лінійне переміщення.

Якщо акустооптична система обробки сигналу працює на ос­нові дифракції Брег­га, то світловий промінь повинен спрямовуватися на неї під відповідним ку­том Брегга. В цьому випадку вихідний промінь описується співвідношенням (1) з тією лише різницею, що або другий, або тре­тій член відсутній. В останньому спів­від­ношенні зірочка означає комп­лексно – спряжену величину.

На рис.1 показано схему взаємодії світлового променя, спрямованого на зву­ко­провід, в якому поширюється акустична хвиля.

Рисунок 1 – Дифракція в режимі Брегга: зсув дифрагованого пучка по частоті

Якщо акус­тична хвиля набігає на світлову, то дифрагований світловий промінь зміщу­єть­ся по ча­стоті донизу на величину W (нижня частина рис.1, а). Рис.1, а (верхня частина) ілюструє дифракцію Брегга зі зміщенням частоти доверху, тобто тоді,  ко­ли акустична хвиля відходить від світлового променя.

Якщо звукопроводи розташовані так, як показано на рис.1, б, то акустична хвиля буде набігати на світлову (дифрагований промінь зміщується по частоті до­низу), або бігти від падаючої світлової хвилі (дифрагований промінь зміщується по частоті доверху). Переміщення звукопроводів вздовж осі  на вели­чи­ну  призводить до того, що дифрагований світловий промінь у верхній час­ти­ні рис.1, б набуває негативний фазовий зсув , а дифрагований світловий про­мінь у нижній частині рис.1, б – позитивний фазовий зсув . При інтерфе­рен­ції дифрагованих світлових променів фазовий зсув за рахунок переміщення зву­копроводів на величину  подвоюється, тобто  а масштаб перетворення для акустооптичного модулятора (АОМ) з плавле­ного квар­цу при  дорівнює  де  – робоча довжина хвилі гелій – неонового лазера.

При збільшенні масштабного коефіцієнта  підвищується точність та роз­різ­ню­вальна здатність задавання КФЗ в оптичному діапазоні, а тако­ж спрощується структура інтерферометра [3]. Наприклад, задаючи ліній­не переміщення з похиб­кою  (прилад ВПЛ – 30К) та використовуючи АОМ в діапазоні час­тот  (довжина акустичної хвилі для більшості промислових моду­ля­торів – плавлений кварц, cкло, германій, молібдат свинцю – складає ), можна задавати КФЗ з похибкою

що дозволяє говорити про високу точність завдання КФЗ. На час­тоті 100 МГц мо­ду­ля­тори з основних акустооптичних модуляторів мають такі похибки завдання КФЗ: плавлений кварц  – ; моліб­дат свинцю та тяж­кий флінт  – ; гер­ма­ній  – . Розширити частотний ді­апазон вище 110 МГц можна гетеродинуванням без суттєвих похибок.

Використання ефекту дифракції світла на ультразвуці дозволило роз­робити пристрій вимірювання фазової затримки, що вноситься оптично прозо­ри­ми об’єктами [4], та прецизійний пристрій задавання КФЗ в діапазоні низьких частот, який реалізує калібрування КФЗ з похибкою не більше  [5].

Використовуючи систему з двох АОМ (паралельної об­робки), які збуджу­ють­ся від одного джерела з частотою W, та переміщуючи один з них вздовж фрон­ту поширення акустичної хвилі (рис.2, а), можна отримати прецизійний фазо­обер­тач, для якого похибка задава­ння КФЗ (при використанні  пре­ци­зійних вимірювачів мікропереміщень) складає не більше сотих часток градусу. Такий прецизійний фазообертач оптичного діапазону скла­да­ється з лазера 1, на­пів­прозорого дзеркала 2, відбивального дзеркала 3, радіо­час­тот­ного генератора 4, вимірювача мікропереміщень 5 та АОМ 6 і 7, розташованих на стабілізаційній платформі 8. При пе­ре­мі­щен­ні АОМ одночасно (але в різних нап­рямках) можна отримати подвоєний фазо­вий зсув, однак в цьому випадку змен­шується розрізнювальна здатність задавання КФЗ. Недоліком такого оптич­но­го фазообертача є те, що частоти вихідних випро­мі­нювань відрізняються від час­то­ти випромінювання лазера 1 на величину W (час­то­ту сигналу радіочастотного ге­не­ратора 4).

При використанні послідовної обробки прецизійний фазообертач оптичного діапазону (рис.2, б) складається з лазера 1, вимірювача мікропереміщень 2, АОМ 3 та 4, розташованих на стабілізаційній платформі 5, та радіочастотного генератора 6. В такому фазообертачі на виході першого АОМ 3 використовується дифрагова­ний промінь  порядку, який має частоту  а на виході другого АОМ 4 – диф­рагований промінь  порядку, який в даному випадку буде мати частоту  Тому для такого прецизійного фазообертача оптичного діапазону частота вихід­но­го випромінювання буде збігатися з частотою випромінювання лазера 1, а зна­чен­ня за­да­ного КФЗ буде визначатися переміщенням першого АОМ 3 вздовж фронту по­ши­рення акустичної хвилі. Збудження АОМ, як і в першому випадку, від­бувається від одного джерела (генератора 6).

Рисунок 2 – Структурні схеми прецизійних фазообертачів оптичного                       діапазону з перетворенням частоти лазерного випромінювання (а)                              та без перетворення частоти (б)

Таким чином, при використанні системи з двох АОМ, що збуджуються від одного джерела, можна отримати на виході системи регульований фазовий зсув в межах , при цьому похибка задавання КФЗ складає не більше сотих часток градусу.

Л І Т Е Р А Т У Р А

1. Супьян В.Я., Супьян А.В., Рудик А.В. Использование фазового компари­ро­ва­ния для расширения функциональных возможностей единого эталона часто­ты – времени – длины // Метрология и измерительная техника: Тезисы докладов Ук­раинской НТК. – Харьков. – 1995. – С. 57.

2. Когре1 А. "Аcousto – optic signal processing”, in Optical Processing, Yu.E.Nes­terikhin and G.W.Stoke, Eds. New York: Plenum, 1976, ch.10, pp. 171–194.

3. Рудик А.В., Суп’ян О.В. Акустооптичний спосіб вимірювання малих пере­мі­щень // Вісник ВПІ. – 1995. – №2. – С. 58–62.

4. Патент № 18058 (Україна), МКІ G 01 B 9/00. Фазометр оптичного діапа­зо­ну//Суп’ян В.Я., Суп’ян О.В., Рудик А.В.//Бюл. № 5, 1997.

5. Патент № 23191 (Україна), МКІ G 01 R 25/04. Прецизійний калібратор фа­зи інфранизьких та низьких частот//Суп’ян В.Я., Рудик А.В.//Бюл. № 4, 1998.