Высокоэффективная брэгговская акустооптическая дифракция на многочастотном и профилированном акустическом поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

0034ьгчаа

//а правах рукописи

Вайнер Александр Владимирович

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ БРЭГГОВСКАЯ АКУСТООПТИЧЕСКАЯ ДИФРАКЦИЯ НА МНОГОЧАСТОТНОМ И ПРОФИЛИРОВАННОМ АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

»х-гЧ.

Фрязино - 2009

003467458

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН

Научный руководитель:

доктор технических наук Антонов Сергей Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Мансфелъд Георгий Дмитриевич

доктор физико-математических наук, профессор Балакший Владимир Иванович

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН

Защита состоится 15 мая 2009 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д002.231.01 при ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан 6 апреля 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

С. Н. Артёменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Одним го основных параметров акустооптических (далее - АО) приборов является эффективность дифракции - отношение интенсивности дифрагированных световых лучей к интенсивности исходного луча. В модуляторах и дефлекторах оптического излучения эта величина определяет оптические потери, в оптических и радиочастотных фильтрах -динамический диапазон. Эффективность дифракции ограничивается, в частности, структурой акустического пучка («ближним полем»), которую обычно не учитывают при анализе АО взаимодействия. Вместо реальной структуры поля рассматривают т. н. модель плоского акустического столба. Это приближение приводит к таким последствиям, как завышение предельной эффективности дифракции и неточность определения акустической мощности, необходимой для достижения этого предела. Угловая расходимость дифрагированного света на практике оказывается больше расчётной, что снижает важный для АО дефлекторов параметр -число разрешимых точек. Известные работы по данному вопросу подтверждают значительное влияние реальной структуры поля на характеристики АО взаимодействия. Однако предлагаемые подходы носят недостаточно строгий характер, при этом либо учитывается структура поля только в плоскости, перпендикулярной плоскости АО дифракции, либо используется модельное поле, заданное в аналитическом виде. Таким образом, остается актуальной задача построения теории АО взаимодействия, выходящей за рамки модели плоского акустического столба.

Другое существенное ограничение эффективности дифракции возникает в случае многочастотного акустического сигнала. Принципиальная нелинейность АО взаимодействия вызывает ряд интермодуляционных эффектов, которые включают в себя появление дополнительных (интермодуляционных) лучей, искажение дифракционной картины и падение эффективности дифракции. Известен ряд работ, посвященных различным способам уменьшения этих эффектов, с тем, чтобы с высокой эффективностью разделить исходный лазерный луч на несколько дифрагированных лучей и управлять мощностью каждого из них независимо от других. Подобное независимое управление многолучевым полем

используется в системах лазерного нанесения изображений и имеет перспективы применения в коммутации оптоволоконных каналов связи. В данной работе проводится анализ предельной эффективности АО дифракции, достижимой при заданном виде многолучевого дифрагированного поля, и разрабатывается метод синтеза необходимого для этого акустического сигнала.

Целью диссертационной работы является исследование особенностей брэгговской АО дифракции на пространственно профилированном и многочастотном акустическом поле, а также разработка применений обнаруженных и изученных эффектов. Для достижения этих целей решаются следующие задачи:

1. Построение модели высокоэффективного брэгговского АО взаимодействия с учетом двумерной дифракционной структуры акустического пучка в акустически анизотропной среде.

2. Теоретическое и экспериментальное изучение АО эффектов, связанных с профилированием акустического поля.

3. Исследование основных закономерностей высокоэффективной многолучевой брэгговской дифракции и разработка метода управления многолучевым дифрагированным полем.

4. Изучение параметров многолучевой брэгговской дифракции в условиях оптически анизотропного характера взаимодействия - в геометрии неаксиального дефлектора.

5. Разработка АО коммутатора-мультиплексора волоконно-оптических каналов связи на базе эффекта многолучевой брэгговской дифракции.

Научная новизна работы

В работе впервые получены следующие результаты: 1. Экспериментально установлено, что зависимость эффективности АО дифракции от акустической мощности в условиях изгиба фронтов акустического поля отличается от этой зависимости в условиях плоских фронтов. Показано, что основные отличия заключаются в уменьшении глубины перемодуляции вплоть до стабилизации эффективности на уровне, близком к 100%, в широком диапазоне акустической мощности.

2. Предложена методика формирования АО многолучевого дифрагированного поля, основанная на синтезе акустического сигнала в виде суммы эквидистантных частотных компонент. Показано, что эффективность брэгговской АО дифракции на таком сигнале приближается к 100%. в том случае, когда его вид. приближается к фазомодулированному, что достигается определённым выбором фаз и амплитуд частотных компонент.

3. Теоретически и экспериментально установлено, что эффективность многолучевой брэгговской АО дифракции в геометрии взаимодействия анизотропного неаксиального дефлектора выше, чем в изотропном случае. Также показано, что в такой геометрии частотная полоса многолучевой дифракции существенно больше, чем полоса однолучевой (одночастотной) дифракции.

Научная и практическая значимость работы

1. На основе анализа АО дифракции на профилированном акустическом поле сформулированы рекомендации разработчикам АО устройств, позволяющие оптимизировать размер преобразователя в направлении, перпендикулярном плоскости дифракции, и положение светового луча в акустическое поле. Проведена оптимизация по критериям минимальной необходимой акустической мощности и максимальной эффективности дифракции.

2. Найден количественный критерий эффекта стабилизации эффективности АО дифракции на высоком уровне в большом диапазоне акустических

мощностей - Л"0А2?2/ 7т12 >0.5, где А - длина акустической волны, 12 - размер преобразователя в плоскости дифракции, В, -

параметр акустической анизотропии, ^о - расстояние от

преобразователя до оптического луча.

3. Найдены оптимальные условия для формирования многолучевого АО дифрагированного поля, дающие максимальную дифракционную эффективность и количество лучей. Разработан алгоритм синтеза

управляющего сигнала доя создания многолучевого поля с произвольным заданным распределением световой мощности по лучам.

4. Запатентована новая схема двухкоординатного поляризационно-нечувствительного АО дефлектора, содержащая только три АО кристалла. По сравнению с классическим, четырёх кристальным решением данное обеспечивает меньшие оптические потери, большую стабильность характеристик и меньшую стоимость устройства.

5. На базе многолучевой брэгговской АО дифракции разработан коммутатор-мультиплексор волоконно-оптических каналов связи. Анализ соотношения потенциальных характеристик устройства показывает, что в ряде случаев он не имеет аналогов среди подобных приборов, основанных на других технологиях (MEMS, электрооптика и др.).

Положения, выносимые на защиту

1. Экспериментально обнаружено новое свойство брэгговской АО дифракции - независимость интенсивности дифрагированного луча от мощности звука в случае искривления фазового фронта акустического поля в плоскости дифракции.

2. Метод формирования многолучевого высокоэффективного (в пределе до 100%) акустооптического дифрагированного поля с заданным распределением мощности по лучам, заключающийся в таком выборе фаз и амплитуд частотно-эквидистантных компонент акустической волны, при котором её вид максимально близок к фазомодулированному.

3. Эффективность многолучевой АО дифракции в условиях анизотропного взаимодействия (в геометрии неаксиального дефлектора) выше, чем в изотропных условиях. Это обусловлено тем, что в геометрии неаксиального дефлектора расстройки АО синхронизма интермодуляционных лучей больше чем расстройки основных лучей.

4. Поляризационно-нечувствительный АО коммутатор-мультиплексор оптоволоконных каналов связи на основе двухкоординатного трёхкристального дефлектора с соотношением предельно достижимых параметров: до 100 каналов при быстродействии 3 мкс и до 400 каналов при 6 мкс.

Достоверность полученных результатов подтверждается, во-первых, теоретическими расчётами, выполненными при помощи апробированных методик; во-вторых, экспериментальной проверкой всех основных положений; в-третьих, отсутствием противоречий с работами других авторов по данной тематике.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие на всех этапах работы, кроме построения теоретических моделей. Основной вклад автора заключается в проведении численных расчётов, разработке экспериментальных методик, участии в проведении всех экспериментов и обработке экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены на 6 отечественных и 5 международных конференциях:

• 1-ая Конференция молодых ученых «Наноэлекгроника, нанофотоника и нелинейная физика», г. Саратов, СФИРЭ РАН, 28-30 сентября 2006.

• Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 23-26 октября 2006, ИРЭ РАН, Москва.

• IEEE International Ultrasonics Symposium, 2006 October 3-6, Vancouver, Canada.

• Конференция АИН им. A. M. Прохорова «Фундаментальные основы инженерных наук», Москва, 26-27 октября 2006.

• Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 15-16 октября 2007, ИРЭ РАН, Москва.

• IEEE International Ultrasonics Symposium, 2007 October 28-31, New York, USA.

• 10th School on Acousto-Optics and Applications, Sopot, Poland, May 12-15, 2008.

• Acoustics'08, Paris, June 29 - My 4,2008.

• Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 27-28 октября 2008, ИРЭ РАН, Москва.

• IEEE International Ultrasonics Symposium, 2008 November 2-6, Beijing, China.

• «Авиация и космонавтика - 2008», 20-23 октября 2008, МАИ, Москва.

Публикации

Основные результаты работы изложены в 14 публикациях, из которых 7 в рецензируемых журналах из списка ВАК. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, приложений, заключения и списка цитируемой литературы. Каждая глава содержит от трёх до четырёх параграфов и выводы. Объём диссертации составляет 127 страниц, 55 иллюстраций и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности проводимых исследований, и излагаются цели диссертационной работы. Отмечены новизна и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации результатов и публикациях.

Глава 1 носит обзорный характер. В ней кратко описаны основные закономерности изотропной и анизотропной АО дифракции, различия режимов Рамана-Ната и Брэгга, введены наиболее существенные термины и соотношения. Изложен метод уравнений связанных волн, наиболее часто применяемый для анализа АО взаимодействия. Показано, что эффективность процессов дифракции определяется двумя величинами - нормированной амплитудой акустической волны и расстройкой АО синхронизма. Приведена связь этих параметров с материальными константами и параметрами оптических и акустических волн. Сделан обзор литературы по теме диссертации.

В главе 2 изложены методы и результаты оригинальных исследований эффектов, возникающих при АО дифракции на профилированном акустическом поле. Важность этих исследований определяется тем, что акустические поля, созданные любыми излучателями, имеют область

существенно неоднородной структуры («ближнее поле»). Как правило, именно эта область используется в АО устройствах. Построена теоретическая модель, позволяющая рассчитать результаты АО дифракции на акустическом поле, созданном прямоугольным пьезопреобразователем в произвольно анизотропной среде. Модель основана на уравнениях связанных волн, в которых учтена зависимость амплитуды и фазы акустического поля от координат. Анализ модели показал, что изгиб волновых фронтов акустического поля, имеющий место на расстоянии от преобразователя, изменяет вид зависимости эффективности АО дифракции от амплитуды акустического сигнала.

Для экспериментального исследования этого эффекта была изготовлена АО ячейка из парателлурита (Те02), в которой в кристаллографическом направлении [110] возбуждалась медленная сдвиговая акустическая волна частотой 6 МГц. Исходный световой луч с длиной волны 1.07 мкм лежал в плоскости [110] под углом к оптической оси 2° (в кристалле). Поляризация луча соответствовала необыкновенной оптической моде. Начальная ширина акустического поля (вблизи преобразователя) лежала в интервале 2.5-3 мм. Параметр Кляйна-Кука

дифракции Рамана-Ната. Однако оптическая анизотропия парателлурита в выбранной геометрии взаимодействия (т.н. неаксиальный дефлектор) подавляет высшие дифракционные порядки. Эффективный параметр Кляйна-Кука, оцененный по величине расстроек АО синхронизма высших порядков,

составил О-эфф ~ $ п режим дифракции являлся в основном брэгговским.

Ячейка перемещалась в направлении, перпендикулярном световому лучу, и на различных расстояниях между лучом и преобразователем измерялась зависимость эффективности дифракции от амплитуды подаваемого электрического сигнала. При этом угловое положение ячейки не менялось, т.е. поддерживался синхронизм АО взаимодействия.

На рис. 1 приведены результаты эксперимента. На каждом рисунке нижняя осциллограмма - электрический сигнал, подаваемый на пьезопреобразователь ячейки, верхняя - эффективность дифракции. Рисунки

составлял 0.7, что в изотропной среде привело бы к

соответствуют различным расстояниям

от преобразователя -^о. Амплитуда

сигнала медленно меняется по линейному закону от нуля до максимального значения. Синхронно с ней меняется эффективность дифракции, т.е. осциллограммы представляют зависимость

эффективности от акустической амплитуды (пропорциональной

амплитуде электрического сигнала).

При классическом подходе к анализу АО дифракции (без учёта структуры акустического поля) зависимость эффективности от амплитуды сигнала считают синусоидальной, то есть после достижения максимума эффективность снижается обратно до нуля. Такая зависимость имеет место вблизи преобразователя - рис. 1а. По мере удаления светового луча от преобразователя фазовые фронты акустического поля изгибаются, и зависимость меняет свой вид (рис. 16). Изменения наиболее значительны в области перемодуляции, т.е. при амплитуде сигнала большей, чем её величина, при которой достигается максимум эффективности. Глубина снижения эффективности при перемодуляции уменьшается, пока, наконец, перемодуляция не исчезает

Ю 18 и,В Л А мм

0 10 18 и,В (б) х0= 4 мм

0 10 18 и, В (в) х0 = 12.5 мм

Рис. 1. Измеренные зависимости эффективности АО дифракции от амплитуды электрического сигнала

(рис. 1в). Эффективность дифракции стабилизируется на высоком уровне (~ 100%) в большом диапазоне амплитуды акустического сигнала. Обозначим

минимальную эффективность дифракции в области перемодуляции как 7]тЬ . Рис. 2 показывает зависимость этой величины от расстояния между световым лучом и преобразователем. Кружками отмечены измеренные значения, линиями - расчётные. Две ■ кривые соответствуют крайним возможным значениям начальной ширины акустического поля. Расхождение между

расчётом и экспериментом существенно лишь при Х0 > 8 ММ. Как

показывают оценки, на этом расстоянии акустическое поле расширялось до размера всего образца и ограничивалось его боковыми стенками, что не учитывалось при расчёте. В результате этого ограничения поле становится более однородным, а его фронты - более плоскими, и эффект стабилизации эффективности дифракции уменьшается. В целом рис. 2 демонстрирует хорошее качественное согласие расчёта с экспериментом.

Этот эффект был предсказан в работах [1-3], однако экспериментально наблюдался впервые. Также впервые теоретически и экспериментально показано, что стабилизация происходит на расстоянии от преобразователя,

удовлетворяющем условию: /^ 5 где Л - длина волны

Рис. 2. Зависимость минимальной эффективности дифракции в области перемодуляции Т)тт от расстояния до преобразователя. Кружки -эксперимент, линии - расчетные кривые, соответствующие ширине преобразователя / = 2.5 мм (1), 3 мм (2)

звука, К - размер преобразователя в плоскости дифракции, - фактор анизотропии. Эффект может быть использован для повышения стабильности характеристик АО приборов.

Глава 3 посвящена, многолучевой АО дифракции на.многочастотном сигнале. Такая дифракция характеризуется интермодуляционными эффектами, которые снижают эффективность дифракции. В работах [4-7] было показано, что даже при больших эффективностях интермодуляционные эффекты отсутствуют, если дифракция происходит на модулированном по фазе акустическом сигнале. Для того чтобы лучи дифрагированного поля не перекрывались, необходимо, чтобы разность углов рассеяния соседних лучей превышала угловую расходимость исходного света. Это условие эквивалентно следующему: на апертуре света должно укладываться несколько пространственных периодов модуляции акустического сигнала. Если при этом сигнал модулирован только по фазе, то дифрагированное поле отражает частотный спектр сигнала: оно содержит по одному лучу на каждую спектральную компоненту сигнала и интенсивности этих лучей относятся друг к другу так же, как мощности соответствующих компонент. Предельная эффективность такой дифракции близка к 100%.

Условие фазовой модуляции накладывает ограничения на соотношение амплитуд частотных компонент сигнала. Это значит, что в общем случае не существует фазомодудированного сигнала, реализующего заданное многолучевое дифрагированное поле. Спектр фазомодудированного сигнала содержит бесконечное количество частотных компонент, в то время как во всех практических задачах требуется конечное количество лучей. По этим причинам фазомодулированные сигналы не оптимальны для АО управления многолучевым световым полем.

В данной работе рассмотрено применение сигнала, являющегося суммой конечного набора эквидистантных частотных компонент. Такой сигнал не является фазомодулированньш, однако его можно привести к близкому к фазомодулированному виду. Для этого необходим определённый выбор фаз частотных компонент сигнала, что иллюстрирует рис. 3. На нём показаны два сигнала, состоящие из пяти эквидистантных частотных компонент. Сигналы отличаются только фазами этих компонент. Рис. 4

демонстрирует измеренные дифрагированные поля, образованные АО дифракцией на этих сигналах. На рис. За фазы выбраны так, чтобы максимально приблизить сигнал к фазомодулированному. В результате колебания его амплитуды малы и, следовательно, интермодуляционные ¡ эффекты при АО дифракции на таком сигнале будут слабыми. Образуется пять дифрагированных лучей (рис. 4а), отвечающих частотным компонентам сигнала, суммарная дифракционная эффективность которых достигает 90%. На рис. 36 показан сигнал с теми же амплитудами, но другими фазами

Рис. 3. Иллюстрация оптимизации сигнала: (а) - выбор фаз по критерию минимальной амплитудной модуляции; (б) - произвольное соотношение фаз

201510-

0-1

-18

—г—

-9

—I

18

I

1

л

А м 1/11 и

V XI

-18

—г-

-9

в, мрад

18

вмрад

(а) " (б)

Рис. 4. Измеренные дифрагированные поля (лучи), соответствующие сигналам рис. 4. в - угол в дифракционной плоскости на воздухе

частотных компонент. Глубина амплитудной модуляции этого сигнала гораздо больше, что создаёт сильные интермодуляции. Видно (рис. 46), что суммарная эффективность падает, распределение световой мощности по лучам искажается, образуются дополнительные интермодуляционные лучи.

Теоретическое и экспериментальное исследование АО дифракции на таких сигналах показало, что данный подход позволяет формировать произвольное заданное многолучевое световое поле с высокой эффективностью (70% - 90%). Ограничение эффективности связано со слабыми остаточными интермодуляционными явлениями, происходящими оттого, что сигнал имеет небольшую модуляцию амплитуды. Эти эффекты снижаются при использовании определённой геометрии анизотропного АО взаимодействия - геометрии неаксиального дефлектора, изображённой на рис. 5. Здесь показаны сечения оптических индикатрис плоскостью

дифракции, *0 - исходный световой луч, - дифрагированные лучи, -

интермодуляционные лучи вблизи исходного луча (показаны штриховыми

линиями), К - центральная компонента акустической волны, АК - шаг волновых векторов акустических компонент. Эта геометрия АО

взаимодействия отличается асимметрией расстроек АО синхронизма А к в проходящем и дифрагированном свете. При определённой величине

АК расстройки основных дифрагированных лучей ещё пренебрежимо малы, а расстройки интермодуляционных лучей уже существенны и, следовательно, интермодуляционные эффекты снижены.

2Я7/п

2яи,

Я Я

Рис. 5. Геометрия АО взаимодействия неаксиального дефлектора

Этот эффект при малой эффективности дифракции был исследован в [8]. В данной работе был сделан численный расчёт предельной эффективности дифракции в 5 равных лучей на сигнале, состоящем из 5 эквидистантных частотных компонент. Расчёт основан на уравнениях связанных мод в . приближении плоских волн света. Рассматривалась медленная сдвиговая акустическая волна в парателлурите, распространяющаяся под углом 6° к кристаллографическому направлению [110]. Длина волны света равнялась 1.55 мкм. Результат расчёта представлен на рис. 6, показывающем зависимость предельной эффективности дифракции

11 от полосы сигнала А/* (разности частот крайних компонент). При узкой полосе сигнала особенности геометрии взаимодействия не проявляются и эффективность ограничена. В данном случае ограничение составляет 81%. По мере увеличения полосы сигнала возрастают расстройки интермодуляционных лучей. Интенсивность этих лучей снижается, что приближает эффективность дифракции основных лучей к 100%. Высокий уровень эффективности сохраняется в большом интервале значений полосы, до тех пор, пока не становятся существенными расстройки основных лучей. Таким образом, определённый выбор геометрии АО взаимодействия и полосы сигнала позволяет формировать произвольное заданное многолучевое

ц, %

100 95 90 85 80

/V .

;/ /

а /

II :

' I

I! /

у:

О

1 \\

10

15

20

25

А/, МГц

Рис. 6. Расчётная зависимость эффективности многолучевой дифракции от частотной полосы сигнала. Ширина пьезопреобразователя: 3 мм (пунктирная линия), 6 мм (сплошная), 12 мм (штриховая)

поле с эффективностью дифракции, близкой к 100%.

В главе 4 описаны два применения эффекта многолучевой АО дифракции. Оба они основаны на методе независимого управления многолучевым дифрагированным полем, разработанным на основе изученного эффекта многолучевой АО дифракции. Управление многолучевым полем иллюстрирует. рис. 7, на котором приведены измеренные дифрагированные поля. Рис. 7а демонстрирует дифракцию в семь равных лучей с суммарной эффективностью ~ 90%. На рис. 76 выключены два из семи лучей. Существенно, что интенсивности остальных лучей не изменились. Подобным образом каждый из дифрагированных лучей может бьггь включен или выключен независимо от других.

Первое из применений - управление технологическим лазером в системах лазерного нанесения изображений. В таких системах возможность разделить исходный лазерный луч на несколько лучей и одновременно обрабатывать несколько точек материала позволяет значительно повысить скорость нанесения изображения - рис. 8. Разработанный метод реализован в системе лазерного изготовления фотошаблонов «ЛазерГравер», созданного в НПЦ «Альфа». Благодаря применению этого метода, система достигает рекордного сочетания разрешения и скорости работы - 3387 dpi и 4 м2 в час.

Г?,% 1050-

k i

...........7

.....] 1. U- ц 1..........

-30 -15 0 15 30 в, мрад

(а)

-30 -15 0 15 30 в, мрад

(б)

Рис. 7. Формирование многолучевого дифрагированного поля, (а) - семь лучей с суммарной эффективностью около 90%, (б) - пять лучей

Ьч

Лазер

и г

Второе применение -

коммутаторы волоконно-

оптических каналов связи. В этих

устройствах лазерный луч из

входного волоконного канала,

дифрагируя на акустической

волне, направляется в одно из

выходных волокон.

Рассматривается коммутатор с „ „ ,, ^

Рис. 8. Многолучевая АО дифракция в

двумерной матрицей выходных системах лазерной обработки материалов волокон, что многократно

увеличивает количество каналов. В таком коммутаторе (рис. 9) за первой АО ячейкой (1) стоит вторая (2), ориентированная ортогонально первой. Первая ячейка отклоняет свет в одной плоскости, а вторая - в перпендикулярной. Для такого двумерного управления неполяризованным (или произвольно поляризованным) оптическим излучением разработано оригинальное техническое решение, использующее только три АО ячейки, в то время как классическая схема требует четырёх ячеек и несколько дополнительных оптических элементов. Предложенная схема отличается меньшими оптическими потерями, сниженной потребляемой мощностью, более высокой стабильностью и меньшей стоимостью. Возможность разделить входной луч на множество лучей позволяет одновременно адресовать множество

Входной канал

Ив

Матрица выходных волокон

Рис. 9. Принцип двумерного АО коммутатора-мультиплексора

выходных волокон, что может быть полезно при мультиплексировании каналов в системах оптической связи и телеметрии.

Параметры АО коммутатора находятся в компромиссном соотношении друг с другом. На рис. 10 представлена расчётная зависимость предельного

количества выходных каналов N от плотности упаковки волокон в матрице

К/ (2 , где с1- диаметр световедущей жилы волокна, Я - расстояние между центрами волокон. В расчёте использовалась длина волны света 1.55 мкм и полоса акустических частот 27 МГц. Видно, что чем меньше величина

. чем плотнее расположены волокна в матрице, тем больше каналов и тем меньше время переключения с одного канала на другой. Однако, при

уменьшении Я/ с1 увеличивается взаимопроникновение каналов. Проведённые исследования выявили следующие потенциальные параметры АО коммутатора: число выходных каналов 100 - 400, время переключения 3 - 6 мкс, оптические потери 3 - 5 дБ, развязка каналов 40 - 60 дБ, предельная мощность передаваемого излучения 100 - 500 Вт. В сочетании с возможностью мультиплексирования каналов эти характеристики превосходят параметры существующих на данный момент аналогичных коммутаторов, основанных на других технологиях. Создан экспериментальный макет коммутатора, исследование которого подтвердило

1000

К\й

Рис. 10. Число каналов АО коммутатора. Время переключения 6 мкс (сплошная линия), 4 мкс (штриховая), 2 мкс (пунктирная)

основные положения расчёта.

В приложениях к основному тексту диссертации изложена теоретическая модель, использованная при анализе многолучевой АО дифракции. Приведены рассчитанные оптимальные параметры управляющих сигналов, реализующих дифракцию в набор равных лучей с максимальной эффективностью, а также описан разработанный алгоритм экспериментальной настройки параметров сигнала.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1.1. Впервые экспериментально установлено, что профилирование акустического поля вдоль пути оптического луча модифицирует основные параметры АО дифракции. Так, обнаружен и изучен эффект изменения вида зависимости эффективности дифракции от акустической мощности вследствие изгиба волновых фронтов акустического поля.

1.2. Теоретически и экспериментально показано, что в случае прямоугольного пьезопреобразователя дифракционный изгиб волновых фронтов приводит к стабилизации эффективности дифракции на высоком уровне (~ 100%) в широком диапазоне акустической мощности. Установлено, что эффект стабилизации возникает на расстоянии от

преобразователя Л^о, удовлетворяющем условию:

акустической анизотропии.

2.1. Изучена высокоэффективная брэгговская АО дифракция на многочастотном акустическом сигнале с конечным эквидистантным частотным спектром при апертуре света много большей, чем пространственный период сигнала.

2.2. Впервые показано, что такой сигнал может быть использован для АО управляемого формирования многолучевого светового поля. Оптимизация амплитудно-фазовых соотношений между компонентами

Л - длина акустической волны, Iг -размер преобразователя в плоскости дифракции, В2 _ параметр

сигнала, приближающая его к фазомодулированному, позволяет получить высокую (>70%) дифракционную эффективность.

2.3. Исследовано влияние ограниченности частотной полосы АО синхронизма на высокоэффективную многолучевую брэгговскую АО дифракцию. Показано, что при анизотропной дифракции в геометрии неаксиального дефлектора повышается предельная эффективность дифракции. Обнаружено, что в этих условиях предельная полоса акустического сигнала, реализующего многолучевую дифракцию, существенно превышает полосу АО синхронизма в режиме однолучевой дифракции.

3.1. На базе высокоэффективной многолучевой дифракции разработан метод создания АО коммутаторов - мультиплексоров оптических каналов передачи информации.

3.2. Разработан коммутатор оптоволоконных каналов связи с одним входным и набором выходных каналов, способный передавать входной оптический сигнал как в любой выходной канал, так и одновременно в множество выходных каналов. Создан лабораторный образец 19 канального коммутатора с параметрами: время переключения 7 мкс, оптические потери 5 дБ, развязка каналов 45 дБ. Анализ показал, что потенциально в ряде приложений АО коммутатор имеет существенные преимущества перед приборами данного назначения, основанными на других физических принципах.

Список цитируемой литературы:

1. Акустооптическое взаимодействие в поле затухающего ультразвукового пучка с квадратичным фазовым фронтом в анизотропной среде / А. С. Задорин, С. Н. Шарангович // Изв. ВУЗов сер. Радиофиз. - 1990. - Т. 33, № З.-С. 357-365.

2. Дифракция света на ультразвуковом поле с неоднородным амплитудно-фазовым распределением в анизотропной среде / С. Н. Шарангович // ЖТФ- 1991 - Т. 61, № 1. - С. 104-110.

3. Передаточные функции сильного АО взаимодействия в амплнтудно- и фазово-неоднородных акустических полях / С. Н. Шарангович // ЖТФ -1995.-Т. 65, № 1._с. 107-126.

4. Acousto-optic control and modulation of optical coherence by electronically synthesized holographic gratings / J. Turunen, E. Tervonen, A. T. Friberg // J. Appl. Phys. - 1990. - V. 67, J6 1.-P. 49-59.

5. Programmable optical interconnections by multilevel synthetic acousto-optic holograms / E. Tervonen, A. T. Friberg, J. Westerholm // Opt. Lett. - 1991. - V. 16, №16.-P. 1274-1276.

6. Угловое расщепление Брэгговского дифракционного порядка в акустооптическом модуляторе при частотно-модулированной акустической волне / Антонов С. Н. // ЖТФ - 2005. - Т. 75, № 4. - С. 122124.

7. Высокоэффективная многолучевая брэгговская акустооптическая дифракция при фазовой оптимизации поличастотной акустической волны / Антонов С. Н., Резвов Ю. Г. // ЖТФ - 2007. - Т. 77, № 8. - С. 93-100.

8. High dynamic range, bifrequency Te02 acousto-optic modulator / J. C. Kastelik [и др.] // Pure Appl. Opt. - 1998. - V. 7, Is. 3. - P. 467-474.

Список авторских публикаций по теме диссертации:

А1. Высокоэффективная многочастотная брэгговская акустооптическая дифракция / С. Н. Антонов, В. В. Проклов, Ю. Г. Резвов, А. В. Вайнер // Нелинейный мир - 2007. - Т. 5, №5. - С. 345-346.

А2. Особенности формирования многолучевой диаграммы направленности брэгговской дифракции света на периодически фазовомодулированном акустическом сигнале / С. Н. Антонов, А. В. Вайнер, В. В. Проклов, Ю. Г. Резвов // Радиотех. и электрон. - 2008. - Т. 53, № 4. - С. 478-485.

A3. Изотропная дифракция светового пучка на акустических волнах основной частоты и гармониках / С. Н. Антонов, В. В. Проклов, Ю. Г. Резвов, А. В. Вайнер // Акуст. жур. - 2008. - Т. 54, № 5. - С. 693-698.

А4. Акустооптическое высокоэффективное многоканальное управление лазерным излучением / С. Н. Антонов, В. В. Проклов, Ю. Г. Резвов, А. В. Вайнер // Нелинейный мир - 2008. - Т. 6, № 4. - С. 272.

А5. Высокоэффективная акустооптическая дифракции света на многочастотном звуке в геометрии неаксиального дефлектора / С. Н. Антонов, А. В. Вайнер, В. В. Проклов, Ю. Г. Резвов // ЖТФ - 2008. - Т. 78, №6.-С. 79-83.

А6. Switch multiplexer of fiber-optic channels based on multibeam acousto-optic diffraction / Sergey Antonov, Alexander Vainer, Valery Proklov, Yuri Rezvov // Appl. Opt. -2009. -V. 48, Is. 7. - P. С171-CI81.

А7. Новый акустоогггический эффект - брэгговская дифракция без перемодуляции / С. Н. Антонов, А. В. Вайнер, В. В. Проклов, Ю. Г. Резвов //Нелинейный мир - 2009. - Т. 7, № 4. - С. 272.

А8. High-efficiency Multi-beam Bragg Acousto-optic Diffraction / V. V. Proklov, S. N. Antonov, Yu. G. Rezvov, A. V. Vainer II Proceedings of the 2006 IEEE International Ultrasonics symposium, Vancouver, Canada, 3-6 October 2006. - C4C-5. - P. 248-251.

A9. Снижение интермодуляционных эффектов при многочастотной брэгговской дифракции / С. Н. Антонов, В. В. Проклов, А. В. Вайнер, Ю. Г. Резвов // Материалы 1-ой Конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика», г. Саратов, СФ ИРЭ РАН, 28-30 сент. 2006. - С. 22-23.

А10. Высокоэффективная многолучевая брэгговская акустооптическая дифракция / В. В. Проклов, С. Н. Антонов, Ю. Г. Резвов, А. В. Вайнер // Труды конференции АИН им. А. М. Прохорова «Фундаментальные основы инженерных наук», Москва, 26-27 окг. 2006. - Т. 2. - С. 165170.

All. High-Efficiency Multi-Beam Bragg Acousto-optic Diffraction / V. V. Proklov, S. N. Antonov, A. V.. Vainer, Yu. G. Rezvov // Proceedings of the X International Conference For Young Researchers «Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems», St. Petersburg, Russia, 2007. - P. 57-61.

A12. Selective Suppression of High Diffraction Orders under Multi-Frequency Acousto-optic Interaction / V. V. Proklov, S. N. Antonov, A. V. Vainer, Yu. G. Rezvov // Digest of the 10th School on Acousto-Optics and Applications, Sopot, Poland, May 12-15,2008. - P. 2.

A13. High Efficiency Multi-channel Acousto-optic Multiplexers on Anisotropic Light Diffraction by Multi-frequency Sound / V. V. Proklov, S. N. Antonov, A. V. Vainer, Yu. G. Rezvov // 2007 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. - P. 825-828.

A14. A New Fiber-Optic Switch-Multiplexer based on 2D High Efficiency Multi-frequency Acousto-optic Deflection / V. V. Proklov, S. N. Antonov, A. V. Vainer, Yu. G. Rezvov // 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, 2-6 November 2008, Beijing, China. - 6H-3. - P. 844-847.

Подписано в печать 23.03.2009

Тираж: 100 экз. «Грани»

141100, Московская область, г. Щёлково 1-й Советский пер., дом 25, офис 310 (495)981-15-40 (495)746-79-12 (49656)6-19-98 www.std-grani.ru

Введение

1. Высокоэффективная брэгговская акустооптическая дифракция обзор литературы)

1.1. Основные закономерности акустооптического взаимодействия в твёрдом

1.2. Акустооптические нелинейные интермодуляционные эффекты

1.3. Влияние структуры акустического поля

1.4. Оптоволоконные коммутаторы

2. Акустооптическая дифракция на пространственно профилированном акустическом поле

2.1. Методика теоретического анализа

2.1.1. Акустическое поле прямоугольного преобразователя

2.1.2. Акустооптическая дифракция на неоднородном акустическом поле

2.2. Брэгговская дифракция без перемодуляции

2.2.1. Теоретический анализ

2.2.2. Эксперимент

2.3. Влияние структуры поля в плоскости, ортогональной плоскости дифракции

2.3.1. Дифракция тонкого светового пучка

2.3.2. Дифракция широкого светового пучка

Актуальность темы исследования

К настоящему моменту в акустооптике (далее — АО) исследовано большое количество разнообразных типов дифракции света на звуке - дифракция в изотропных средах, изотропная и анизотропная дифракции в анизотропных средах, взаимодействие вблизи оптической оси в средах с оптической активностью, дифракции на объёмных и на поверхностных волнах, дифракция в плаиарных волноводных АО ячейках и др. Рассмотрены различные геометрии дифракции, в том числе коллинеарное взаимодействие, и найдены оптимальные геометрии для множества приложений.

На основе АО устройств разработано множество приборов - это модуляторы и дефлекторы лазерного излучения, оптические спектральные фильтры, а также системы оптической обработки информации - спектроанализаторы, перестраиваемые радиочастотные фильтры, конвольверы и др. Эти приборы отличаются компактностью, малым энергопотреблением, а также обладают таким ценными свойствами, как параллельный характер обработки информации и возможность быстрой перестройки [1-3].

При теоретическом анализе АО взаимодействия и конструировании АО устройств обычно не учитывают дифракционную структуру акустического пучка («ближнее поле») и используют модель плоского звукового столба. Пренебрежение пространственной неоднородностью звукового пучка при расчётах приводит к таким последствиям, как завышение предельной эффективности дифракции и неточность определения акустической мощности, необходимой для достижения этого предела. Угловая расходимость дифрагированного света на практике оказывается больше расчётной, что снижает важный для АО дефлекторов параметр - число разрешимых точек. Кроме того, модель звукового столба не позволяет теоретически оптимизировать такие параметры АО ячеек, как размер преобразователя в направлении, перпендикулярном плоскости дифракции, и место входа светового луча в звуковой пучок.

Последовательный учет указанного фактора при АО взаимодействии представляет собой сложную задачу. Известные работы по данной тематике, включая последние [4-5], подтверждают значительное влияние реальной структуры акустического поля на характеристики АО взаимодействия. Однако предлагаемые подходы носят недостаточно строгий характер, при этом либо учитывается структура поля только в плоскости, перпендикулярной плоскости АО дифракции, либо используется модельное поле, заданное в аналитическом виде. Таким образом, остается актуальной задача построения теории АО взаимодействия, выходящей за рамки модели «звукового столба».

Лежащий в основе АО взаимодействия фотоупругий эффект в большинстве сред при рабочих интенсивностях звуковых волн линеен. Однако зависимость мощностей выходных дифракционных порядков от входной акустической мощности носит нелинейный характер [б]. В случае, когда ячейка управляется монохроматическим сигналом, эта нелинейность приводит к нелинейной зависимости мощности дифрагированного порядка от входной мощности. В случае же многочастотиого входного сигнала набор интермодуляционных эффектов, возникающих из-за рассматриваемой нелинейности, гораздо более разнообразен [7]. Помимо дифракционных порядков, соответствующих присутствующим во входном сигнале частотам (далее - основных порядков), появляются интермодуляционные порядки, связанные с частотами сигнала простыми комбинационными соотношениями. Например, если в сигнале присутствуют f >f >f компоненты с частотами 1' 2' 3, то в выходном спектре появятся дополнительные интермодуляционные дифракционные порядки, соответствующие комбинационным

2-/з. 22/+/2-2/з итп частотам 1 , 1/1 J1, 1 и т.п. Кроме того, мощность каждого из основных порядков нелинейным образом зависит не только от мощности соответствующей ему компоненты входного сигнала, но и от мощностей других компонент.

Описанная нелинейность существенна только при достаточно больших дифракционных оффективностях, поэтому её можно избежать, снизив уровень входных сигналов. Однако во многих АО приложениях встречаются жёсткие требования либо на величину дифракционной эффективности, либо на отсутствие интермодуляционных дифракционных порядков и линейность аппаратной функции; кроме того, необходимость работы со слабыми дифракционными порядками увеличивает техническую сложность конечного устройства и, как правило, ухудшает его характеристики.

В работах [8-10] установлено, что даже при больших эффективностях дифракции

АО нелинейность (интермодуляциопные эффекты) проявляется весьма незначительно, если брэгговская дифракции света происходит на модулированном по частоте акустическом сигнале, при том, что пространственный период модулирующей функции меньше апертуры света. Иными словами, возникает ситуация, когда пространственный спектр интенсивности дифрагированного света близок к энергетическому спектру акустического сигнала. Особенно интересно следующее: если параметры частотной модуляции выбраны так, что энергетический спектр сигнала состоит из N равных компонент, то происходит разделение брэгговского порядка на N равноинтепсивных отдельных лучей с суммарной эффективностью порядка 100%. Этот эффект

2 OJ высокоэффективной многолучевой брэгговской дифракции имеет не только познавательное значение, но и прикладное: мультипликация каналов связи, деление мощного лазерного луча в системах обработки материалов и т.д.

В работах [11, 12] развито теоретическое описание многолучевой брэгговской дифракции при взаимодействии световых пучков и плоских акустических волн в акустически и оптически изотропной среде и получены основные соотношения. Было показано, что данный тип дифракции может быть реализован на многочастотной акустической волне - возбуждением монохроматических частотно эквидистантных сигналов, при том, чтобы их суперпозиция была наиболее близка к частотно (фазово) — модулированному виду. Иначе: оптимальные амплитудно-фазовые соотношения частотных компонент должны быть такими же, как и для комплексного спектра модулированного по частоте (фазе) сигнала. Результаты численных расчетов показали, что предельная суммарная эффективность многолучевого равноинтенсивного поля зависит от числа лучей, на которое расщепляется брэгговский порядок, и, в частности, при 3-х лучах суммарная эффективность не должна превышать 80%, а при 7-ми 84%. Было установлено, что ограничение эффективности дифракции связано с «перекачкой» света в значительно ослабленные, но все же существующие интермодуляционные порядки.

Задача, решаемая в данной работе, связана с тем, что наблюдались значительные количественные расхождения между экспериментальными результатами и теорией, так иптермодуляционные лучи практически не наблюдались и, как следствие, суммарная дифракционная эффективность значительно превышала расчетную, была близка к 100 %. При этом существенно, что в экспериментах использовалась геометрия взаимодействия анизотропного неаксиального дефлектора на монокристалле ТеОг [13-17]. Использование такого типа АО взаимодействия связано с тем, что оно обеспечивает большой угол сканирования, что, очевидно, приводит к максимальному числу лучей и максимальной суммарной эффективности многолучевой дифракции.

Цели диссертационной работы

В данной работе исследуются особенности брэгговской АО дифракции на пространственно профилированном и многочастотном акустическом поле, а также разрабатываются применения обнаруженных и изученных эффектов. Для достижения этих целей решаются следующие задачи:

1) Построение модели высокоэффективного брэгговского АО взаимодействия с учетом двумерной дифракционной структуры акустического пучка в акустически анизотропной среде.

2) Теоретическое и экспериментальное изучение АО эффектов, связанных с профилированием акустического поля.

3) Исследование основных закономерностей высокоэффективной многолучевой брэгговской дифракции и разработка метода управления многолучевым дифрагированным полем.

4) Изучение параметров многолучевой брэгговской дифракции в условиях оптически анизотропного характера взаимодействия - в геометрии неаксиального дефлектора.

5) Разработка АО коммутатора-мультиплексора волоконно-оптических каналов связи на базе эффекта многолучевой брэгговской дифракции.

Научная новизна работы

В работе впервые получены следующие результаты.

1. Экспериментально установлено, что зависимость эффективности АО дифракции от акустической мощности в условиях изгиба фронтов акустического поля отличается от этой зависимости в условиях плоских фронтов. Показано, что основные отличия заключаются в уменьшении глубины перемодуляции вплоть до стабилизации эффективности на уровне, близком к 100%, в широком диапазоне акустической мощности.

2. Предложена методика формирования АО многолучевого дифрагированного поля, основанная на синтезе акустического сигнала в виде суммы эквидистантных частотных компонент. Показано, что эффективность брэгговской АО дифракции на таком сигнале приближается к 100% в том случае, когда его вид приближается к фазомодулированному, что достигается определённым выбором фаз и амплитуд частотных компонент.

3. Теоретически и экспериментально установлено, что эффективность многолучевой брэгговской АО дифракции в геометрии взаимодействия анизотропного неаксиального дефлектора выше, чем в изотропном случае. Также показано, что в такой геометрии частотная полоса многолучевой дифракции существенно больше, чем полоса однолучевой (одночастотной) дифракции.

Научная и практическая значимость работы

1. На основе анализа АО дифракции на профилированном акустическом поле сформулированы рекомендации разработчикам АО устройств, позволяющие оптимизировать размер преобразователя в направлении, перпендикулярном плоскости дифракции, и положение светового луча в акустическое поле. Проведена оптимизация по критериям минимальной необходимой акустической мощности и максимальной эффективности дифракции.

2. Найден количественный критерий эффекта стабилизации эффективности АО дифракции на высоком уровне в большом диапазоне акустических мощностей

X0^BZ/nh где А - длина акустической волны, - размер преобразователя в плоскости дифракции, ~ параметр акустической анизотропии,

- расстояние от преобразователя до оптического луча.

3. Найдены оптимальные условия для формирования многолучевого АО дифрагированного поля, дающие максимальную дифракционную эффективность и количество лучей. Разработан алгоритм синтеза управляющего сигнала для создания многолучевого поля с произвольным заданным распределением световой мощности по лучам.

4. Запатентована новая схема двухкоординатного поляризационно-нечувствителыюго АО дефлектора, содержащая только три АО кристалла. По сравнению с классическим четырёх кристальным решением данное обеспечивает меньшие оптические потери, большую стабильность характеристик и меньшую стоимость устройства.

5. На базе многолучевой брэгговской АО дифракции разработан коммутатор-мультиплексор волоконно-оптических каналов связи. Анализ соотношения потенциальных характеристик устройства показывает, что в ряде случаев он не имеет аналогов среди подобных приборов, основанных на других технологиях (MEMS, электрооптика и др.).

Положения, выносимые на защиту

1. Экспериментально обнаружено новое свойство брэгговской АО дифракции -независимость интенсивности дифрагированного луча от мощности звука в случае искривления фазового фронта акустического поля в плоскости дифракции.

2. Метод формирования многолучевого высокоэффективного (в пределе до 100%) акустооптического дифрагированного поля с заданным распределением мощности по лучам, заключающийся в таком выборе фаз и амплитуд частотно-эквидистантных компонент акустической волны, при котором её вид максимально близок к фазово-модулированпому.

3. Эффективность многолучевой АО дифракции в условиях анизотропного взаимодействия (в геометрии неаксиального дефлектора) выше чем в изотропных условиях. Это обусловлено тем, что в геометрии неаксиального дефлектора расстройки АО синхронизма интермодуляционных лучей больше чем расстройки основных лучей. 4. Поляризационно-нечувствительный АО коммутатор-мультиплексор оптоволоконных каналов связи на основе двухкоординатного трёхкристального дефлектора с соотношением предельно достижимых параметров: до 100 каналов при быстродействии 3 мкс и до 400 каналов при 6 мкс.

Достоверность полученных результатов подтверждается, во-первых, теоретическими расчётами, выполненными при помощи апробироваппых методик; во-вторых, экспериментальной проверкой всех основных положений; в-третьих, отсутствием противоречий с работами других авторов по данной тематике.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие на всех этапах работы, кроме построения теоретических моделей. Основной вклад автора заключается в проведении численных расчётов, разработке экспериментальных методик, участии в проведении всех экспериментов и обработке экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены на 6 отечественных и 5 международных конференциях:

• 1-ая Конференция молодых ученых «Наноэлектропика, нанофотоника и нелинейная физика», г. Саратов, СФИРЭ РАН, 28-30 сентября 2006.

• Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 23-26 октября 2006, ИРЭ РАН Москва.

• IEEE International Ultrasonics symposium. 2006 October 3-6, Vancouver, Canada.

• Конференция АИН им. А.М.Прохорова «Фундаментальные основы инженерных наук» Москва, 26-27 октября 2006.

• Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 15-16 октября 2007, ИРЭ РАН Москва.

• IEEE International Ultrasonics Symposium, 2007 October 28-31, New York, USA.

• 10th School on Acousto-Optics and Applications, Sopot, Poland May 12-15, 2008.

• Acoustics'08, Paris, June 29 - July 4, 2008.

• Конкурс работ молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов им. И. Анисимкина, 27-28 октября 2008, ИРЭ РАН Москва. 6

• IEEE International Ultrasonics Symposium, 2008 November 2-6, Beijing, China.

• «Авиация и космонавтика-2008», 20-23 октября 2008, МАИ, Москва

Публикации

Основные результаты работы изложены в 14 публикациях, из которых 7 в рецензируемых журналах из списка ВАК и 7 в трудах отечественных и международных научных конференций. Список публикаций приведён в конце диссертации.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Каждая глава содержит от трёх до четырёх параграфов и выводы. Объём диссертации составляет 126 страниц, 55 иллюстраций и 3 таблицы.

Основные результаты данной работы:

1.1. Впервые экспериментально установлено, что профилирование акустического поля вдоль пути оптического луча модифицирует основные параметры АО дифракции. Так, обнаружен и изучен эффект изменения вида зависимости эффективности дифракции от акустической мощности вследствие изгиба волновых фронтов акустического поля.

1.2. Теоретически и экспериментально показано, что в случае прямоугольного пьезопреобразователя дифракционный изгиб волновых фронтов приводит к стабилизации эффективности дифракции на высоком уровне 100%) в широком диапазоне акустической мощности. Установлено, что эффект стабилизации возникает на расстоянии от преобразователя -^о, удовлетворяющем условию: преобразователя в плоскости дифракции, - параметр акустической анизотропии.

2.1. Изучена высокоэффективная брэгговская АО дифракция на многочастотном акустическом сигнале с конечным эквидистантным частотным спектром при апертуре света много большем, чем пространственный период сигнала.

2.2. Впервые показано, что такой сигнал может быть использованы для АО управляемого формирования многолучевого светового поля. Оптимизация амплитудно-фазовых соотношений между компонентами сигнала, приближающая его к фазомодулированному, позволяет получить высокую (>70%) дифракционную эффективность.

2.3. Исследовано влияние ограниченности частотной полосы АО синхронизма на высокоэффективную многолучевую брэгговскую АО дифракцию. Показано, что при анизотропной дифракции в геометрии неаксиального дефлектора повышается предельная эффективность дифракции. Обнаружено, что в этих условиях предельная полоса акустического сигнала, реализующего многолучевую дифракцию, существенно превышает полосу АО синхронизма в режиме однолучевой дифракции. где А. - длина акустической волны, I z размер

3.1. На базе высокоэффективной многолучевой дифракции разработан метод создания АО коммутаторов - мультиплексоров оптических каналов передачи информации.

3.2. Разработан коммутатор оптоволоконных каналов связи с одним входным и набором выходных каналов, способный передавать входной оптический сигнал как в любой выходной канал, так и одновременно в множество выходных каналов. Создан лабораторный образец 19 канального коммутатора с параметрами: время переключения 7 мкс, оптические потери 5 дБ, развязка каналов 45 дБ. Анализ показал, что потенциально в ряде приложений АО коммутатор имеет существенные преимущества перед приборами данного назначения, основанными на других физических принципах.

Заключение

1. Acousto-optic signal processing: theory and implementation / Под ред. N. J. Berg, J. M. Pellegrino. Marcel Dekker, 1996.

2. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени / Под ред. С. В. Кулакова. — М.: Радио и связь, 1989.

3. Акустооптические процессоры / Ю. В. Егоров, К. П. Наумов, В. Н. Ушаков. М.: Радио и связь, 1991.

4. Влияние поперечной расходимости звукового пучка на эффективность акустооптического взаимодействия / М. А. Григорьев и др. // Опт. и спектр. 1998. -Т. 84,№2.-С. 307-311.

5. Некоторые особенности влияния дифракции в упругоанизотропной среде на акустооптическое взаимодействие / JI. Н. Магдич и др. // Радиотех. и электрон. -2008. Т.53, № 12. - С. 1528-1532.

6. Акустооптика / А. Корпел. Пер. с англ. М.: Мир, 1993. (Acousto-optics. / A. Korpel. -Marcel Dekker, 1988).

7. Multifrequency acousto-optic diffraction / D. L. Hecht // IEEE Trans. Son. Ultrason. 1977. -V. SU-24, № l.-P. 7-18.

8. Угловое расщепление Брэгговского дифракционного порядка в акустооптическом модуляторе при частотно-модулированной акустической волне / Антонов С. Н. // ЖТФ -2005.-Т. 75, № 4. С. 122-124.

9. Acousto-optic control and modulation of optical coherence by electronically synthesized holographic gratings / J. Turunen, E. Tervonen, A. T. Friberg // J. Appl. Phys. 1990. - V. 67,№ l.-P. 49-59.

10. Programmable optical interconnections by multilevel synthetic acousto-optic holograms / E. Tervonen, A. T. Friberg, J. Westerholm // Opt. Lett. 1991. - V. 16, №16. - P. 1274-1276.

11. Брэгговская акустооптическая дифракция на частотно-модулированной звуковой волне угловое расщепление дифракционного порядка / С. Н. Антонов, Ю. Г. Резвов // Радиотех. и электрон. - 2005. - Т. 50, № 4. - С. 472-479.

12. Высокоэффективная многолучевая брэгговская акустооптическая дифракция при фазовой оптимизации поличастотной акустической волны / С. Н. Антонов, Ю. Г. Резвов // ЖТФ 2007. - Т. 77, № 8. - С. 93-100.

13. Те02 anisotropic Bragg light deflector without midband degeneracy / T. Yano, M. Kawabuchi, A. Fukumoto, A. Watanabe // Appl. Phys. Lett. 1975 - V. 26, № 12. - P. 689691.

14. Анизотропный акустооптический дефлектор на одноосных кристаллах с оптической активностью / В. П. Семенков // ЖТФ 1981. - Т. 51, № 10. - С. 2090-2095.

15. Брэгговские поляризациониые расщепители света на кристаллах Те02 / С. Н. Антонов,

16. B. М. Котов, В. Н. Сотников // ЖТФ 1991. - Т. 61, № 1. - С. 168-178.

17. Акустооптические исследования распространения медленной акустической волны в Те02 / С. Н. Антонов, Е. В. Кузнецова, В. И. Миргородский, В. В. Проклов // Акуст. жур. 1982. - Т. 28, № 4. - С. 433-437.

18. Близкое к обратному отражение упругих волн в акустооптическом кристалле парателлурита / В. Б. Волошинов, О. Ю. Макаров, Н. В. Поликарпова // ПЖТФ 2005. -Т. 31, №8.-С. 79-87.

19. Акустооптическое взаимодействие в поле затухающего ультразвукового пучка с квадратичным фазовым фронтом в анизотропной среде / А. С. Задорин, С. Н. Шарангович // Изв. ВУЗов сер. Радиофиз. 1990. - Т. 33, № 3. - С. 357-365.

20. Дифракция света на ультразвуковом поле с неоднородным амплитудно-фазовым распределением в анизотропной среде / С. Н. Шарангович // ЖТФ 1991 - Т. 61, № 1. -С. 104-110.

21. Передаточные функции сильного АО взаимодействия в амплитудно- и фазово-неоднородных акустических полях / С. Н. Шарангович // ЖТФ 1995. - Т. 65, № 1.1. C. 107-126.

22. Физические основы акустооптики / В. И. Балакший, В. Н. Парыгин, JI. Е. Чирков. — М.: Радио и связь, 1985.

23. Физические свойства кристаллов / Най Дж. М.: Мир, 1967.

24. Рассеяние света на упругих волнах в одноосных кристаллах / В. В. Леманов, О. В. Шакин // ФТТ- 1972. Т. 14, № 1. - С. 229-236.

25. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. М.: Наука, 1970.

26. Дифракция света на бегущих акустических волнах в изотропной среде / В. Н. Парыгин // Радиотех. и электрон. 1974. - Т. 19, № 1. - С. 38-44.

27. Дифракция света на гармонической акустической волне в изотропной среде / В. Н. Парыгин, Н. С. Танковски, Jl. Е. Чирков // Радиотех. и электрон. 1982. - Т. 27, № 7. -С. 1422-1425.

28. Unified approach to ultrasonic light diffraction / W. R. Klein, B. D. Cook // IEEE Trans. Son. Ultrason.- 1967.-V. SU-14,№3.-P. 123-134.

29. Оптические волны в кристаллах / А. Ярив, П. Юх. М.: Мир, 1987.

30. Упругие волны в твердых телах / Э. Дьелесан, Д. Руайе. — М.: Наука, 1982.

31. Дифракция света на ультразвуке в анизотропной среде / В. Н. Парыгин, JI. Е. Чирков // Квант, электрон. 1975. - Т. 2, № 2. - С. 318-326.

32. Раман-натовская дифракция света на ультразвуке в оптически анизотропных средах /

33. B. Б. Волошинов, В. Н. Парыгин // ПЖТФ 1981. - Т. 7, № 3. - С. 145-148.

34. Некоторые особенности анизотропной дифракции Брэгга / В. Б. Волошинов, В. Н. Парыгин, JI. Е. Чирков // Вестн. Моск. ун-та, сер. 3. 1976. - Т. 17, № 3. - С. 305-312.

35. Дифракция света на двух коллинеарных акустических волнах с разными частотами. Конкуренция мод / В. И. Балакший, И. А. Нагаева // Радиотех. и электрон. 2000. - Т. 45,№5.-С. 596-601.

36. Дифракция света в многочастотном акустическом поле при сильном акустооптическом взаимодействии / В. И. Балакший, А. Сливиньски, К. А. Толпин // Опт. и спектр. -1999.-Т. 87, №6.-С. 1010-1016.

37. Acousto-optic multifrequency modulators reduction of the phase-grating intermodulation products / M. G. Gazalet и др. // Appl. Opt. - 1993. - V. 32, Is. 13. - P. 2455-2460.

38. High dynamic range, bifrequency Te02 acousto-optic modulator / J. C. Kastelik и др. // Pure Appl. Opt. 1998. - V. 7, Is. 3. - P. 467-474.

39. Дифракция и распространение ультразвукового излучения в монокристаллах / А. Г. Хаткевич // Акуст. жури. 1978. - Т. 24, № 1. - С. 108-115.

40. Optical probing of the Fresnel and Fraunhofer regions of a rectangular acoustic transducers / W. T. Maloney, G. Meltz, R. L. Gravel // IEEE Trans. Son. Ultrason. 1968. - V. SU-15, № 3.-P. 167-172.

41. Акустооптические ячейки с неодинаковой длиной взаимодействия в поперечном сечении светового луча / В. Б. Волошинов, Г. А. Князев // ЖТФ 2003. - Т. 73, № 11.1. C. 118-122.

42. Experiments on a multichannel holographic optical switch with the use of a liquid-crystal display / H. Yamazaki, M. Yamaguchi // Opt. Lett. 1992. - V. 17, Is. 17. - P. 1228-1230.

43. Estimation of the possible scale for holographic switches with liquid-crystal displays / H. Yamazaki, M. Yamaguchi, K. Hirabayashi // Appl. Opt. 1995. - V. 34, Is. 8. - P. 13331340.

44. Fast 10-jjs microelectromechanical optical switch inside a planar hollow waveguide (PHW) / R. Guerre, F. Fahrni, P. Renaud // J. Lightwave Technol. 2006. - V. 24, Is. 3 - P. 14861498.

45. Nanosecond electro-optical switching with a repetition rate above 20 MHz / H. Muller и др. // Rev. Sci. Instrum. 2007. - V. 78, Is. 12. - Art. № 124702.

46. A high speed 2x2 electro-optic switch using a polarization modulator / Q. Wang, J. Yao // Opt. Express-2007.-V. 15, Is. 25.-P. 16500-16505.

47. Acousto-optic photonic crossbar switch. Part I: design / R. R. McLeod и др. // Appl. Opt. -1996. V. 35, Is. 32. - P. 6331-6353.

48. Integrated acousto-optic space switch modules with applications to multiport optical switching and communications / C. S. Tsai, A. Kar-Roy // Japanese J. Appl. Phys. Part 1 -1993. V. 32, Is. 5B. - P. 2362-2366.

49. Multichannel acousto-optic crossbar switch / D. O. Harris // Appl. Opt. 1991. - V. 30, Is. 29.-P. 4245-4256.

50. Isolation of integrated optical acousto-optic switch / L. Xiao, Y. Liu, W. Wang, F. Geng // Chin. Phys. Lett. 2006. - V. 23, Is. 3. - P. 645-648.

51. Isolation of a polarization-independent acousto-optic switch / L. Xiao, Y. Liu, Zh. Zeng // Opt. Eng. 2007. - V. 46, Is. 3. - Art. № 034601.

52. Experimental study of losses and cross talk in a multitransducer acousto-optic switch / J. Aboujeib и др. // Opt. Eng. 2008. - V. 47, Is. 3. - Art. № 035007.

53. Intermodulation product effects on the working of a phased-array transducer acousto-optic switch / A. Perennou и др. // Opt. Eng. 2004. - V. 43, Is. 5. - P. 1042-1050.

54. Infrared two-dimensional acousto-optic deflector using a tellurium crystal / D. Souilhac, D. Billerey, A. Gundjian//Appl. Opt. 1990.-V. 29, Is. 12.-P. 1798-1804.

55. Two-dimensional acousto-optic light diffraction and its applications / L. Barocsi и др. // Integr. Computer-Aided Eng. 1996. -V. 3, Is. 2. - P. 108-116.

56. Demonstration of a photonic space switch utilizing acousto-optic elements / W. E. Stephens и др. // Opt. Eng. 1990. - V. 29, Is. 3. - P. 183-190.

57. Multichannel acousto-optic crossbar switch with arbitrary signal fan-out / D. O. Harris, A. Vanderlugt//Appl. Opt.- 1992.-V. 31, Is. 11.-P. 1684-1686.

58. Acousto-optic generation of two-dimensional spot arrays / D. W. Prather, J. N. Mait // Opt. Lett.-1991.-V. 16, Is. 22.-P. 1720-1722.

59. Generation of reconfigurable interconnections with a 2-dimensional acousto-optic deflector / P. Paparao и др. // Appl. Opt. 1994. - V. 33, Is. 11. - P. 2140-2146.

60. Optimization of the input losses in fiber-optic communications with an acousto-optic all-optical switch / V. Danilyan, V. A. Shulgin, V. E. Chernov // Appl. Opt. 2006. - V. 45, Is. 18.-P. 4319-4324.

61. Управление оптическим лучом в пространстве / Ю. К. Ребрин. М.: Сов. Радио, 1977.

62. Повышение эффективности акустооптического модулятора с двухлучевой диаграммой направленности методом коррекции двухчастотного электрического сигнала / С. Н. Антонов и др. // ЖТФ 2006. - Т. 76, № 1. - С. 60-65.

63. Пат. 2343517 Российская Федерация МПК G 02 F 1/00. Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор / В. А. Шульгин автор, патентообладатель.; заявл. 28.07.04 ; опубл. 27.01.06.

64. Micro-opto-mechanical grating switches / A.Q. Liu и др. // Sensors and actuators a: physical-2000.-V. 86.-P. 27-134.

65. Каталог продукции компании «ThorLabs» : http://www.thorlabs.com

66. Каталог продукции компании «Sentronic» : http://www.sentronic.net

67. Каталог продукции компании «Fiberguide Industries» : http://www.fiberguide.com

68. Динамика акустооптического взаимодействия / А. С. Задорин. Томск: Томский гос. университет, 2004.

69. Список авторских публикаций по теме диссертации

70. А1. Высокоэффективная многочастотная брэгговская акустооптическая дифракция / С. Н. Антонов, В. В. Проклов, Ю. Г. Резвов, А. В. Вайнер // Нелинейный мир 2007. -Т. 5, №5.-С. 345-346.