Акустооптические эффекты. Лазерные источники в интегрально-оптических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Акустооптические эффекты. Акустооптические материалы. Акустооптическая модуляция света

Двойное лучепреломление может возникнуть и при механических напряжениях. Это явление, получившее название фотоупругости, лежит в основе акустооптического эффекта. Акустооптический эффект заключается в изменении показателя преломления вещества под воздействием механических напряжений, вызванных акустической волной. При акустооптическом эффекте механические напряжения, а, следовательно, и показатель преломления изменяется с пространственным периодом, равным длине акустической волны.

Акустооптический эффект - явление дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды (зонах с разными значениями показателя преломления), вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. При этом периодическое чередование неоднородностей среды «работает» как дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Акустические эффекты бывают двух видов.

При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны (при 2рлL/(nЛ²) <1) происходит дифракция Рамана-Ната.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При высокой частоте и большой ширине фронта (при 2рлL/(nЛ²) ?4р) наблюдается дифракция Брэгга. В этих выражениях л - длина световой волны, n - показатель преломления среды, Л - длина ультразвуковой волны в среде, L - длина взаимодействия (ширина фронта).

При дифракции Рамана-Ната возникает несколько дифракционных максимумов; дифракционный угол максимален, когда первоначальное направление светового луча параллельно плоскости ультразвуковой волны. В этом случае дифракционный угол и_m для m-го максимума .

Кроме дифракции при этом наблюдается доплеровское смещение частоты, равное mЩ, где Щ - частота ультразвука.

Если отношение параметров 2рлL/(nЛ²) ?4р наблюдается дифракция Брега.

В этом случае отражается только луч света, составляющий определенный угол и с фронтом ультразвуковой волны. Таким образом, свет может отклоняться только на угол 2и от первоначального направления. Этот угол - угол Брега - находят из соотношения:

При дифракции Брега коэффициент отражения отклонившегося луча близок к 100%, что существенно для практического использования. При длине взаимодействия L=1 см наблюдается почти полная Брэгговская дифракция в жидкостях при Щ/2р>20 МГц, в твердых телах - при Щ/2р>100 МГц.

Требования к акустическим материалам:

- рассеяние и поглощение света должны быть незначительны;

- постоянная фотоупругости и показатель преломления - велики;

- поглощение звука и скорость звука-малы.

Такими свойствами обладают из жидкостей - вода; из твердых тел - халькогенидные и теллуровые стекла; кристаллы PbMoO₄, TeO₂, LiNbO₃, GaP.

Акустооптическое взаимодействие широко используется в технике: акустооптические дифракционные дефлекторы (отклоняющие системы), акустооптические развертывающие устройства (АРУС), акустооптические фильтры, анализаторы спектра радиосигнала, акустооптические модуляторы.

Пример использования акустооптического эффекта - преобразование частоты оптического излучения (акустическая модуляция света).

При импульсных ультразвуковых колебаниях наличие или отсутствие дифракции соответствует наличию или отсутствию ультразвукового импульса. Так осуществляется цифровая модуляция.

Интенсивность дифрагированного света пропорциональна силе ультразвука, следовательно, изменяя амплитуду ультразвука, можно управлять интенсивностью света (аналоговая амплитудная модуляция).

Кроме того, при изменении частоты ультразвука изменяется доплеровское смещение частоты оптических колебаний - это частотная модуляция.

Объективы. Телескопические системы. Конденсоры

акустооптический конденсор интерферометрия голографический

Объективы

Объектив фокусирует излучение объекта на приемнике или создает на нем изображение объекта. Простейший объектив - одиночная положительная линза (но у одиночной линзы значительные аберрации).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изображение более высокого качества дают многолинзовые объективы. Роль объектива может играть одиночное сферическое зеркало, зеркало с параболической или гиперболической поверхностью. Широко используют двухзеркальные объективы. Но зеркальные объективы не дают хорошего изображения при большом поле зрения; кроме того, контррефлектор экранирует часть поверхности зеркального объектива. От этих недостатков свободны зеркально-линзовые объективы. К ним относятся системы Шмидта, Максутова и другие.

Телескопические системы

Телескопическая система предназначена для наблюдения удаленных объектов. Она содержит два элемента: объектив и окуляр.

Телескопическая система показана на рисунке. Задний фокус объектива F_об совпадает с передним фокусом окуляра F_ок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конденсор

Конденсор - специальная линза, которая собирает лучи.

Конденсор собирает лучи от источника, смещенного относительно оптической оси на чувствительную площадку приемника. Это особенно важно при малых размерах приемника.

На рисунке поясняется принцип действия конденсора. Если источник смещен относительно оптической оси, излучение через объектив не попадает на приемную площадку приемника. Конденсор отклоняет лучи и направляет их на приемную площадку приемника. Так же показан иммерсионный конденсатор. Он устанавливается вплотную к приемнику. При этом размер приемной площадки может быть уменьшен.

Измерение расстояний импульсным методом

Импульсный метод применяется на больших расстояниях. В импульсных лазерных дальномерах, широко применяемых в космической технике, излучается очень короткий лазерный импульс и измеряется время, в течение которого импульс проходит до объекта и, отразившись от него, возвращается к приемнику.

Схема метода представлена на рисунке. Излучение импульсного лазера 4 длительностью (10…30)•10^-9 с через линзы 6 и 7 параллельным пучком направляется на объект. Часть излучения полупрозрачным зеркалом 5 направляется на фотоприемник 3. Первым лазерным импульсом запускается прибор отсчета времени 2. Отраженное объектом излучение фокусируется объективом 8 на фотоэлектронный умножитель 9. Усиленный импульс фототока передается в блок управления 10, который запирает прибор отсчета времени. Счетчик 1 фиксирует количество импульсов, прошедших через прибор отсчета времени, с момента излучения первого светового импульса до момента приема отраженного сигнала. Оно пропорционально расстоянию до объекта.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Точность измерения импульсным дальномером определяется частотой следования и длительностью импульсов. Допустим, что используются импульсы длительностью ф=2•10^-8 с, следующие с такой частотой, что интервал между ними тоже равен 2•10^-8 с. Тогда за время между двумя импульсами свет пройдет расстояние Дl=с ф =3•10⁸•2•10^-8=6 м, где с -- скорость света. Очевидно, что величина Дl - погрешность измерения. Если необходима более высокая точность, например ± 1 м, то длительность лазерного импульса должна быть уменьшена до 3•10^-9 с, а частота следования импульсов f = 1/(3•10^-9) = 300 МГц.

С помощью импульсных лазерных дальномеров осуществляется лазерная локация искусственных спутников Земли, определяется взаимная ориентация стыкующихся космических объектов, расстояние между ними и т.п.

Голографическая интерферометрия

Голографическая интерферометрия позволяет проводить очень точные измерения. Рассмотрим применение голографии для измерений деформаций.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На одной и той же фотопластинке ФП вначале регистрируется голограмма предмета П, находящегося в исходном состоянии, а затем голограмма предмета, деформированного под действием нагрузки Р. При воспроизведении оба изображения восстанавливаются одновременно и соответствующие им колебания интерферируют. В результате деформация предмета выявляется на восстановленном изображении в виде интерференционных полос. Таким методом возможно измерение деформации в десятые доли микрона и даже меньше. Метод пригоден и для фиксации малых перемещений предмета относительно некоторого исходного положения.

Голографическая интерферометрия позволяет исследовать предметы неправильной формы, а также диффузно отражающие, поскольку отклонения формы поверхности от правильной на интерференционной картине не сказываются: обе интерферирующие волны искажаются одинаково, так как эталонную световую волну создает сам предмет. Все это определяет существенные преимущества голографической интерферометрии по сравнению с классической двух- или многолучевой интерферометрией.

Голографическая интерферометрия открывает широкие возможности при исследовании различных материалов, конструкций, элементов, при изучении таких физических явлений, как ударная волна, диффузия, турбулентность и др.

Голографическими методами можно распознавать образы, т.е. искать объекты, идентичные заданному, среди множества других, похожих на него. Такими объектами могут быть геометрические фигуры, фотографии человека, буквы или слова, отпечатки пальцев и т.д. На пути лазерного луча устанавливают сначала кадр, на котором может находиться искомый объект, а за ним - голограмму этого объекта. Появление яркого пятна на выходе говорит, что объект в кадре присутствует. Такая оптическая фильтрация может производиться автоматически и с большой скоростью.

Методами акустической голографии удается получать объемные изображения предметов в мутной воде, где обычная оптика бессильна.

Голограммы музейных редкостей экспонируются на выставках, продаются в сувенирных ларьках. Начинают появляться, хотя и очень редко, объемные книжные иллюстрации. А голографическое кино и телевидение, несмотря на многолетние исследования и экспериментальные съемки, возникнет, видимо, нескоро.

Ретрансляторы трактов ВОЛС

Специфика проводных, кабельных и волоконных линий связи большой протяженности состоит в том, что в процессе трансляции от передатчика к приемнику длительность информационных импульсов увеличивается. Характерно, что при заданной длине волокна существует оптимальная длительность входного импульса, обеспечивающая минимальное его уширение по мере трансляции. Кроме того, амплитуда импульса уменьшается из-за затухания. Поэтому линии большой протяженности содержат ретрансляторы - приемопередающие устройства, модулирующие, усиливающие и регенерирующие оптический импульс соответствующей длительности и формы.

Лазерные источники в интегрально-оптических системах

Конструкции лазерных источников, используемых в интегрально-оптических схемах, многообразны. Перспективность тех или других источников излучения для интегральной оптики определяется, прежде всего, возможностью их технологической интеграции с другими компонентами схемы. Больше всего этому требованию удовлетворяют полупроводниковые инжекционные лазеры на гетероструктурах, т.е. на структурах, содержащих несколько слоев из различных полупроводниковых материалов. Что касается спектрального состава излучения, то в интегральной оптике используются в основном лазеры, излучающие в области длин волн от 0,8 до 1,7 мкм. Довольно широко применяются лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры). В таких лазерах положительная обратная связь осуществляется за счет того, что волна рассеивается на периодических неоднородностях и при этом возникают две связанные волны одинаковой частоты, распространяющиеся в противоположных направлениях.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Примером интегрально-оптического исполнения лазера может служить структура, изображенная на рисунке. Рекомбинация носителей заряда и генерация светового излучения происходит в активном слое арсенида галлия р-типа, заключенном между двумя горизонтальными слоями GaAlAs р- и п-типа. Напряжение к лазеру подводится через электроды 1 и 4. В состав гетероструктуры входят также дополнительные слои 2 и 3 арсенида галлия р- и п-типа. Связь лазера с другими элементами схемы (модулятором, детектором) обычно осуществляется через сужающийся край слоя GaAs(на рисунке не показан).

Запись информации на элементах голографической матрицы и считывание информации

Для записи больших объемов информации используются запоминающие голографические матрицы. Они состоят из большого числа голограмм диаметром 2...5 мм каждая. На одной голограмме можно записать до 10⁴ бит информации. Рассмотрим запись информация на элементах голографической матрицы. Для заполнения каждого элемента надо, чтобы в его плоскости возникла картина интерференции опорного и предметного пучка, несущего полезную информацию.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптическая схема такого запоминающего устройства показана на рисунке.

В этом устройстве для расщепления лазерного луча на опорный и предметный используется вспомогательная голографическая матрица. Луч лазера отклоняется дефлектором 1 (например, электрооптическим) в направлении одной из голограмм вспомогательной матрицы 2. За вспомогательной голограммой возникает расходящаяся световая волна. Эта волна линзой 4 фокусируется на одном из элементов запоминающей голографической матрицы 6. За линзой 4 установлен управляемый транспарант 5, поэтому световая волна, проходящая сквозь него, становится носителем соответствующего пространственного сигнала. Роль опорного в этой схеме играет пучок нулевого порядка, который проходит через вспомогательную матрицу, не отклоняясь. Сфокусированный линзой 3, этот пучок проходит через центр линзы 4, расположенной в задней фокальной плоскости линзы 3, и попадает на соответствующую запоминающую голограмму. На рисунке одной и двумя стрелками отмечен ход лучей для случаев, когда исходный лазерный луч отклоняется дефлектором соответственно в положение А и В. Меняя с помощью дефлектора положение лазерного луча и одновременно заменяя управляющий транспарант, заполняют информацией все голограммы запоминающей матрицы.

Схема считывания информации показана на рисунке. По соответствующей команде дефлектор 1 направляет луч лазера на одну из голограмм запоминающей матрицы 2. Восстановленное изображение проецируется линзой на матрицу фотоприемников 3, которая преобразует записанный на данной голограмме пространственный оптический сигнал в совокупность электрических сигналов. По следующей команде считывается информация, записанная на другой голограмме.

Контрольные задачи

На непрозрачную пластину с узкой щелью падает нормально монохроматическая волна = 600 нм. Угол отклонения лучей, соответствующих второму дифракционному максимуму 20. Определить ширину щели.

Решение:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Условия дифракционных максимумов от одной щели, на которую свет падает нормально определяется выражением:

,

где b - ширина щели; ц - угол дифракции; m - порядок спектра (m=1, 2, …); л - длина волны.

Отсюда:

Ответ: b=4,386 мкм

Определить показатель преломления n стекла, если при отражении от него света, отраженный луч будет полностью поляризован при угле преломления = 30

Решение:

Размещено на http://www.allbest.ru/

При угле падения, равном углу Брюстера і_Бр:

1) отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения;

2) степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы;

3) преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения;

4) угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°;

5) тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

,

где n₂₁ - показатель преломления второй среды относительно первой.

Угол Брюстера, как видно из рисунка, будет равен.

Показатель преломления стекла:

Ответ:

При нагревании абсолютно черного тела длина волны , на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, изменилась от 690 до 500 нм. Определить во сколько раз увеличилась при этом энергетическая светимость R_э тела

Решение.

Согласно закону смещения Вина длина волны, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости четного тела:

,

где b - постоянная Вина.

Отсюда температура:

По закону Стефана-Больцмана:

,

где ? - постоянная Стефана-Больцмана.

Отношение энергетических светимостей:

Ответ:

Фототок, возникающий в цепи вакуумного фотоэлемента при освещении цинкового электрода электромагнитным излучением с длиной волны 262 нм, прекращается, если подключить внешнее задерживающее напряжение 1,5 В. Найти величину и полярность внешней контактной разности потенциалов фотоэлемента

Решение:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, испущенных цинковым катодом, равна:

Посчитав, получаем 0,993эВ ? 1,0 эВ

Т.к. по условию для того, что бы прекратить ток, нужен внешний задерживающий потенциал равный 1,5 В, то в контуре есть контактная разность потенциалов величиной 1,5 - 1,0 = 0,5 В, чья полярность обратна задерживающему напряжению.

Ответ: 0,5В, полярность обратна задерживающему напряжению.

Определить числовую апертуру волокна с проницаемостью сердечника ₁=2,2 и оболочки ₂=2,15

Решение:

,

где n₀ - показатель преломления воздуха.

Так как n₀ = 1, то

.

, где м и е - магнитная и диэлектрическая проницаемость.

Т.к. магнитная проницаемость стекла примерно равна 1, то

.

Ответ: 0,47

Размещено на Allbest.ru