Акустооптическая обработка неколлимированных световых пучков и изображений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Юшков Константин Борисович

- ии3491643

АКУСТООПТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА НЕКОЛЛИМИРОВАННЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ

01.04.03 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 1 ФЕВ 2010

Москва — 2010

003491643

Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

кандидат физ.-мат. наук, доцент Волошинов В.Б.

доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник НТЦ Уникального приборостроения РАН Пожар В.Э.; доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник ИРЭ имени В.А. Котельни-кова РАН Антонов С.Н.

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, факультет аэрокосмических приборов и систем, кафедра электроники и оптической связи.

Защита состоится 18 февраля 2010 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.67 в МГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультет, аудитория имени Р.В. Хохлова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Общая характеристика работы Актуальность темы исследования

Акустооптическое взаимодействие представляет собой дифракцию света на фазовых решётках, создаваемых упругими волнами в различных средах благодаря модуляции показателя преломления материала за счёт фотоупругого эффекта. При высоких частотах ультразвука или большйх длинах взаимодействия характер дифракции становится типичным для трехмерных периодических структур: дифракция с высокой эффективностью (до 100 %) наблюдается только при определённых углах падения света, для которых выполняется условие фазового синхронизма. По аналогии с рассеянием рентгеновского излучения в кристаллах, такой режим взаимодействия получил название дифракции Брэгга.

Известно, что брэгговская дифракция света в анизотропных средах используется для осуществления управляемой пространственной и спектральной фильтрации световых пучков. Перестраиваемые спектральные фильтры являются одним из основных классов акустооптических устройств, находящих применение при создании уникальных научно-исследовательских приборов и систем. В настоящее время существуют различные конфигурации акустооптических фильтров, различающиеся взаимной ориентацией световых и ультразвукового пучков. В коллинеарных фильтрах волновые векторы падающего и дифрагированного света, а также волновой вектор ультразвука параллельны между собой и направлены вдоль одной из осей симметрии кристалла, ортогональной его оптической оси. Характерной особенностью коллинеарных фильтров является высокое спектральное разрешение И ~ 103... 104, достижимое благодаря большой длине взаимодействия света и ультразвука. При этом маскимальная эффективность дифракции наблюдается в широком диапазоне углов падения света, однако единственным спосо-

бом разделения нулевого и первого дифракционных порядков является селекция света по поляризации. Спектральная фильтрация изображений акусто-оптическим методом была впервые осуществлена при помощи коллинеарно-го фильтра из молибдата кальция. Использование оптической и акустической анизотропии кристаллов позволяет обеспечить сонаправленное распространение электромагнитных и упругих волн также и для внеосевых направлений в кристалле, если направления групповой скорости ультразвука и падающего света совпадают. Построенные на этом принципе квазиколлинеарные фильтры также обеспечивают высокое спектральное разрешение, однако угловая апертура у них значительно }Ьке, чем в коллинеарных фильтрах, что требует хорошей коллимации световых пучков. Кроме того, акустооптическую фильтрацию света можно осуществить и при близкой к ортогональной взаимной ориентации волновых векторов падающего света и ультразвука. В этом случае длина области взаимодействия определяется размером пьезоэлектрического преобразователя, а не длиной кристалла, поэтому спектральное разрешение оказывается на порядок ниже, чем при коллинеарном или квази-коллинеарном взаимодействии. Тем не менее, в неколлинеарных фильтрах возможно обеспечить широкую угловую апертуру дифракции. Кроме того, ненулевая величина угла отклонения света позволяет пространственно разделять свет нулевого и первого порядков, что невозможно в коллинеарных фильтрах.

Настоящая работа посвящена применению акустооптического взаимодействия в задачах обработки изображений. Широкоапертурные акустоопти-ческие фильтры позволяют обеспечить фильтрацию изображений со спектральным разрешением 71 ~ 102... 103 и пространственным разрешением N > 104. Уникальными особенностями акустооптических фильтров являются электронная перестройка с возможностью синтеза многополосной функции пропускания, рабочий диапазон, превышающий октаву, и характерное

быстродействие 10~4 с. При разработке систем перестраиваемой фильтрации изображений возникает ряд проблем, имеющих как прикладной, так и фундаментальный характер. Несмотря на большой интерес к акустооптичес-ким фильтрам во всём мире, лишь малое число работ посвящено изучению предельных возможностей этих устройств и оптимизации их характеристик. В данной диссертации рассмотрены вопросы влияния конфигурации акусто-оптических ячеек на спектральное и пространственное разрешение фильтров, а также на потребляемую ими мощность. Также в работе изучены особенности формирования изображений в оптической системе, содержащей акусто-оптические ячейки.

В качестве среды взаимодействия в современной акустооптике наиболее широко используются монокристаллы диоксида теллура (ТеОг), называемого парателлуритом. Этот искусственный одноосный кристалл обладает уникальными акустическими свойствами, что позволяет наблюдать в нём чрезвычайно сильный акустооптический эффект. Парателлурит используется при создании большинства акустооптических приборов для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра, за исключением коллинеарных фильтров. Основные результаты данной работы получены для неколлинеарных акустооптических фильтров на основе парателлурита. Вместе с тем, некоторые задачи в акустооптике не могут быть решены с использованием этого материала: поскольку коротковолновая граница прозрачности парателлурита лежит на длине волны 0.35 мкм, его применение в ультрафиолетовом диапазоне практически невозможно. Среди одноосных кристаллов, прозрачных в ближнем ультрафиолетовом диапазоне, одними из лучших акустооптических свойств обладает широко известный в нелинейной оптике дигидрофосфат калия (КН2РО4), или КБР. Дополнительным преимуществом данного материала является хорошо разработанная технология его производства, позволяющая получать болыдйе монокристаллы высокого оптического качества.

Несмотря на это, в научной литературе описано всего несколько случаев реализации акустооптических фильтров на основе кристаллов КБР, поэтому теоретическое исследование и оптимизация параметров акустооптических ячеек на основе этого материала представляют несомненный интерес.

Среди физических факторов, снижающих качество обрабатываемых акус-тооптическими методами изображений, значительную роль играют различные виды аберраций. Для спектральных фильтров существенны хроматические аберрации, возникновение и влияние которых на структуру дифрагировавшего светового поля было отмечено уже в первых работах, посвященных акустооптической фильтрации изображений. Влияние хроматических аберраций на характеристики акустооптических систем обработки изображений становится особенно сильным для фильтров со свехширокой полосой перестройки, превышающей октаву. Тем не менее, большинство авторов, исследовавших аберрации акустооптических фильтров, ограничивалось рассмотрением только поперечных аберраций и методов их снижения. Проблема продольных хроматических аберраций в таких устройствах оставалась нерешённой. В данной работе проведено экспериментальное и теоретическое рассмотрение продольных аберраций акустооптических спектральных фильтров и предложен метод их компенсации в широком диапазоне длин волн света.

Одной из особенностей анизотропной акустооптической дифракции является чувствительность эффекта к поляризации падающего света. Это явление в большинстве задач рассматривается как недостаток, поскольку при работе с естественно или частично поляризованным электромагнитным излучением оно приводит к частичной потере полезной световой мощности на выходе фильтра. Возможность обработки произвольно поляризованного света, в частности, необходима при создании акустооптических устройств для управления сигналами в волоконно-оптических линиях передачи. В работе изучены системы спектральной фильтрации и модуляции произвольно поля-

ризованного света на основе двух одинаковых последовательно расположенных акустооптических ячеек. Благодаря каскадному использованию фильтров удалось осуществить обработку расходящихся световых пучков, причём эффективность рассеяния не зависела от направления поляризации падающего света.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является изучение методов увеличения пространственного разрешения в системах обработки изображений на основе акустооптических фильтров. При этом были решены следующие задачи:

1. Изучение влияния параметров акустооптических ячеек на спектральное и пространственное разрешение акустооптических фильтров и потребляемую ими мощность.

2. Установление предельных характеристик широкоапертурных фильтров на основе кристаллов парателлурита и КБР.

3. Разработка метода компенсации хроматических аберраций в акустооптических системах спектрального анализа изображений.

4. Исследование каскадной системы широкоапертурных фильтров для спектрального анализа произвольно поляризованного света.

5. Создание многоканального модулятора неполяризованного излучения ближнего инфракрасного (0.9... 1.7 мкм) диапазона спектра на основе каскада перестраиваемых акустооптических фильтров.

Научная новизна и практическая значимость

1) В работе получены приближённые выражения для угловой апертуры фильтров широкоапертурной конфигурации, позволяющие использовать аналитические формулы вместо численных расчётов для нахождения числа разрешимых элементов изображения. В результате анализа было обнаружено,

что физические закономерности дифракции Брэгга не позволяют одновременно увеличивать число разрешимых элементов в изображении на выходе фильтров и снижать потребляемую устройствами мощность ультразвука.

2) Впервые показано, что угловая апертура фильтров неполяризованно-го света немонотонно зависит от угла среза кристалла при постоянной длине пьезопреобразователя. При спектральном анализе изображений, сформированных некогерентным неполяризованным светом, пространственное разрешение ограничено углом отклонения света, однако при этом возникают спектральные искажения.

3) В работе предложен новый метод компенсации продольной хроматической аберрации в акустооптических системах спектрального анализа изображений. Усовершенствование оптической схемы не требует использования дополнительных элементов, в то время как пространственное разрешение может быть ограничено дифракционным пределом в диапазоне длин волн, превышающем октаву.

4) Исследованы характеристики каскадных систем обработки неполяри-зованного излучения, предназначенных для модуляции излучения в волоконно-оптических линиях связи со спектральным разделением каналов и для управления мощными световыми потоками технологических лазеров. Такие системы позволяют обеспечивать без использования дополнительных оптических элементов модуляцию световых пучков произвольной поляризации с малым коэффициентом оптических потерь.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Изменение геометрии широкоапертурных акустооптических фильтров с целью увеличения пространственного разрешения приводит к росту мощности ультразвука, необходимой для достижения максимальной эффективности дифракции в кристаллах парателлурита и КБР.

2) Угловая апертура акустооптических фильтров для анализа неполя-ризованного света немонотонно зависит от угла среза кристалла. Величина угловой апертуры в данной геометрии акустооптического взаимодействия возрастает как при стремлении угла среза кристалла к нулю, так и при его увеличении до критического значения, а в промежуточной области значений угла среза существует минимум апертуры.

3) Продольная хроматическая аберрация в системах спектрального анализа изображений на основе конфокальной оптической схемы компенсируется при особом выборе расстояний между элементами системы. Снижение вторичного спектра аберрации до величины, не превышающей глубины резкости изображения, достигается без использования дополнительных оптических элементов.

4) При широкоапертурной брэгговской дифракции неполяризованного света в каскадной системе двух акустооптических фильтров дифракционная картина содержит дополнительные максимумы, обусловленные существованием боковых лепестков передаточной функции.

Апробация работы

По материалам диссертации автором были сделаны доклады на следующих международных научных конференциях:

1. 35th Winter School on Wave and Quantum Acoustics (Устронь, Польша, 2006);

2. 9th International Conference for Young Researchers: Wave Electronics and Its Applications in Information and Télécommunication Systems, Non-Destructive Testing, Security and Medicine «WECONF-2006» (Санкт-Петербург, 2006);

3. 8а International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science «SPO 2006» (Киев, Украина, 2006);

4. 36th Winter School on Wave and Quantum Acoustics (Висла, Польша,

2007);

5. 10th International Conference for Young Researchers: Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems «WECONF-2007» (Санкт-Петербург, 2007);

6. 10th School on Acousto-Optics and Applications (Гданьск, Польша,

2008);

7. 5th Forum Acusticum - 155th Meeting of the ASA - 9ème Congrès Français d'Acoustique «Acoustics'08 Paris» (Париж, Франция, 2008);

8. 38th Winter School on Wave and Quantum Acoustics (Корбелов, Польша, 2009);

а также на научных семинарах имени В.В. Мигулина кафедры физики колебаний физического факультета МГУ и на семинарах департамента опто-акусто-электроники Института электроники, микроэлектроники и нанотех-нологии в Университете г. Валансьен (Франция).

Результаты исследований опубликованы в ведущих российских и зарубежных научных журналах C'SK Личный вклад автора в работах следующий:

• проведена оптимизация характеристик широкоапертурных фильтров в зависимости от конфигурации акустооптических ячеек ^■

• разработан метод компенсации продольных хроматических аберраций в спектральных фильтрах изображений

• построена теоретическая модель рассеяния неполяризованного света в двухкристальном широкоапертурном модуляторе

• теоретически исследованы особенности передаточной функции фильтров неполяризованного света

• разработана экспериментальная установка и проведено исследование работы акустооптического эквалайзера для волоконно-оптических линий связи (SK

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Объём диссертации составляет 137 страниц, включая 40 иллюстраций и 4 таблицы. Список литературы содержит 160 наименований.

Содержание работы

1. Акустооптическая дифракция Брэгга в кристаллах

Первая глава диссертации посвящена обзору общих закономерностей некол-линеарной акустооптической дифракции. Рассмотрена общая задача анизотропной брэгговской дифракции в приближении плоских световых волн. На основании строгого решения дифракционной задачи получено обоснование метода векторных диаграмм, используемого в дальнейшем при расчётах эффективности дифракции. Также показано, что при обработке неколлимиро-ванных световых пучков акустооптическая ячейка действует как перестраиваемый фильтр пространственных частот. Кроме того, в первой главе рассмотрены особые конфигурации анизотропной дифракции в одноосных кристаллах, используемые в задачах оптической обработки информации: широко-апертурная геометрия взаимодействия и геометрия дифракции с разделением поляризации света.

2. Оптимизация неколлинеарных акустооптических фильтров

Во второй главе рассматриваются вопросы оптимизации параметров акустооптических фильтров для спектрального анализа изображений. Теоретический анализ широкоапертурной геометрии взаимодействия проведён в приближении малого двулучепреломления, Дп -С тг0, где п0 — показатель преломления для обыкновенной волны, а Дп — разница главных показателей преломления кристалла. Данное приближение часто используется для оцен-

ки характеристик акустооптических фильтров, поскольку оно позволяет значительно упростить вычисления и получить аналитические решения в тех случаях, когда точные уравнения на основе векторных диаграмм не позволяют этого сделать. Относительная ошибка вычислений при этом не превышает величины Ап/п0.

Для выявления закономерностей изменения свойств широкоапертурных акустооптических фильтров при варьировании конфигурации ячеек необходимо получить зависимость основных характеристик фильтров от геометрических параметров — угла рабочего среза кристалла а и длины пьезоэлектрического преобразователя I. Поскольку широкоапертурная геометрия акусто-оптического взаимодействия соответствует минимуму зависимости частоты ультразвука ^ от угла Брэгга в, то величину угловой апертуры можно найти, зная ширину полосы взаимодействия ДF. Анализ проводится при фиксированной длине волны света Л. Если ограничиться квадратичным членом степенного ряда в разложении функции Г (в), то угловая апертура в плоскости акустооптического взаимодействия записывается в виде:

лй -АсОз(У? - 0„а) _25И10та_

а V Ап I соб гр 'зт(^а + а)с05(20^ + а)' 1'

где тр — угол сноса энергии упругой волны, а — угол Брэгга при широ-коапертурной дифракции. Величина угла сноса ф определяется только углом среза кристалла а; угол Брэгга вт в общем случае зависит также и от значений п0 и Ап, однако в приближении малого двулучепрсломления его величина также является функцией только угла среза. Аналогичным образом можно найти угловую апертуру фильтра в направлении, ортогональном плоскости акустооптического взаимодействия:

д L gAcos(y>-6>wa) _1 /, ^

Aipvа = 4/1.6-т—:-;-----J--;-г . (1.6)

у AnlCOSy COSaCOS0waCOS(0wa4- а)

Сравнение полученных значений угловых апертур с результатами численного моделирования для парателлурита показало хорошее качественное соответ-

Угол среза, а

Рис. 1. Зависимость угловой апертуры широкоапертурной дифракции и дифракции неполяризованного света на длине волны А = 0.63 мкм от угла среза кристалла парателлурита при длине пъезопреобразователя I = 1 см.

ствие и численное различие, не превышающее 5% в диапазоне углов среза кристалла а ^ 17°. Угловая апертура широкоапертурной геометрии дифракции в парателлурите при длине пьезопреобразователя I ~ 1 см представлена на рис. 1 (кривые 1 и 2). Расчёт проведён по формулам (1) для длины волны света Л = 0.63 мкм.

На основании полученных выражений был проведён анализ зависимости дифракционного предела пространственного разрешения акустооптических фильтров от конфигурации кристаллов парателлурита и КБР. Расчёты показали, что в обоих рассмотренных материалах число разрешимых элементов в изображении возрастает при увеличении угла среза кристалла а и при

уменьшении длины пьезоэлектрического преобразователя I. Вместе с тем оба этих фактора приводят к увеличению мощности ультразвука, необходимой для достижения наибольшей эффективности дифракции: акустооптическое качество М2 как парателлурита, так и KDP достигает максимума при а —► О и постепенно убывает до нуля с ростом угла среза, а длина пьезопреобразова-теля определяет размер области акустооптического взаимодействия. Одним из критериев оптимального выбора длины пьезоэлектрического преобразователя /opt является обеспечение равенства угловой апертуры фильтра A6Wi углу отклонения дифрагированного света ■у. Нужно принять во внимание, что выбранная таким образом величина Zopt монотонно возрастает с увеличением длины волны света, поэтому вычисление величины iopt необходимо проводить для наиболее короткой длины волны света в диапазоне перестройки фильтра. В противном случае на некоторых длинах волн пространственное разрешение фильтра будет снижаться из-за ограничения угловой апертуры селективностью дифракции. Результаты расчёта оптимальной длины пьезопреобразова-теля приведены на рис. 2 для трёх фильтров: 1 — фильтр ультрафиолетового диапазона на кристалле KDP, 2 — фильтр видимого диапазона на парателлу-рите, и 3 — инфракрасный фильтр на парателлурите. На графике видны две закономерности, определяющие оптимальную длину пьсзопреобразователя: с одной стороны, возрастание величины Z0pt при а —* 0 вызвано уменьшением угла отклонения дифрагированного света 7; с другой стороны, увеличение угловой апертуры, определяемой выражением (l.o), по мере приближения к критическому углу среза асг обуславливает соответствующий рост длины преобразователя.

Из полученных в работе результатов следует, что на основе парателлурита можно создавать широкоапертурные фильтры изображений с числом разрешимых элементов J\f > 106 в диапазоне длин волн А = 0.4... 1.0 мкм при угле среза а ^ 12°, однако мощность ультразвука для получения 100%

о.

ю о и а, с о

3 я

и

о

4-1

3-

2-

0°

10

Угол среза, а

15°

20°

Рис. 2. Зависимость оптимальной длины пъезопреобразователя от угла среза кристаллов парателлурита и КОР.

эффективности дифракции может достигать величины Р — 2 Вт в инфракрасной области спектра. При этом плотность акустической мощности не превышает величины 1 Вт/см2, что обеспечивает стабильность режима работы акустооптических ячеек. Для кристаллов КБР проведенные расчёты показали, что максимальная угловая апертура достигается при величине угла среза а = 18.8°, поскольку в этом случае достигается максимум угла отклонения света 7. При этом можно обеспечить фильтрацию световых пучков с расходимостью до 3.0° в воздухе. Длина пьезопреобразователя 10р1 = 2.15 см в фильтре такой конфигурации обеспечивает необходимую угловую апертуру взаимодействия, а соотношение сторон пьезопреобразователя = 6.5

позволяет обеспечить дифракцию с эффективностью до 50 % при мощности

ультразвука Р = 2.0 Вт. Пространственное разрешение акустооптического фильтра такой конфигурации достигает величины Л/* ~ 106 элементов.

Приближение малого двулучелреломления было также применено для анализа неколлинеарной акустооптической дифракции произвольно поляризованного света. Данная рабочая точка акустооптических фильтров соответствует пересечению различных ветвей частотно-угловой характеристики и обеспечивает отклонение обыкновенной и необыкновенной волн в противоположные (—1-ый и +1-ый) дифракционные порядки. В работе показано, что угловая апертура в плоскости взаимодействия может быть найдена по формуле

= <2>

Угловая апертура в ортогональном направлении остаётся такой же, как и при широкоапертурной дифракции, Д<# и Д<Лга- Выражение (2) показывает, что величина Д0, возрастает как при а —> 0 за счёт роста полосы взаимодействия ДР и уменьшения угла отклонения, И1117 = 0, так и при приближении к

а->0

критическому углу среза асг, при котором Р"{вща) = 0. Минимум угловой апертуры наблюдается в парателлурите при а « 10°. Кривая 3 на рис. 1 представляет зависимость угловой апертуры в плоскости взаимодействия при дифракции неполяризованного света; расчёт выполнен для акустооптических ячеек на основе парателлурита с длиной пьезопреобразователя I = 1 см при длине волны света А = 0.63 мкм. Угловая апертура Д</з; в ортогональной плоскости соответствует кривой 2.

Тем не менее, при акустооптической дифракции неполяризованного света, применяемой при спектрально-поляризационном анализе изображений, пространственное разрешение определяется не угловой апертурой взаимодействия, а углом отклонения у. При этом различных для боковых компонент углового спектра пучка условие фазового синхронизма выполняется на разных длинах волн, отличных от центральной длины волны полосы пропус-

кания фильтра. Кроме того, для произвольной угловой компоненты пучка положения спектральных максимумов пропускания фильтра в общем случае отличаются для обыкновенной и необыкновенной волн. При этом спектральное расстояние между максимумами для различных нормальных волн может превышать полосу пропускания фильтра в несколько раз.

3. Компенсация хроматических аберраций спектральных фильтров

Третья глава посвящена проблеме компенсации продольной хроматической аберрации в системах спектрального анализа изображений. Большинство современных акустооптических систем обработки изображений основано на конфокальной оптической схеме, сформированной двумя объективами. Первый объектив формирует промежуточное изображение объекта, которое после акустооптического фильтра проецируется вторым объективом на регистрирующую матрицу. Даже если считать, что оптические элементы сами по себе лишены хроматических аберраций, что справедливо при использовании ахроматических объективов или рефлективной оптики, хроматические аберрации в такой системе будут неизбежно возникать из-за дисперсии показателей преломления акустооптического кристалла. Продольная аберрация приводит к падению пространственного разрешения из-за дефокусировки изображения и особенно сильно проявляется в фильтрах со сверхшироким рабочим диапазоном, а также на длинах волн, близких к коротковолновой границе прозрачности кристалла.

В качестве модели исследована оптическая система, состоящая из двух одинаковых собирающих линз, лишённых хроматических аберраций, и акус-тооптической ячейки, рассматриваемой как плоскопараллельная пластина. Анализ проводится в параксиальном приближении геометрической оптики. Мерой дисперсии пластины, показатель преломления которой зависит от длины волны, выбрана относительная величина V = [п(А) — гс(Ао)]/[п(Ао) — 1],

вычисляемая относительно опорной длины волны Ао- Оптический путь вдоль оси системы увеличивается из-за наличия пластины на величину пропорциональную толщине пластины, то есть размеру акустооптического кристалла вдоль направления светового луча. Эффективная оптическая длина пути между линзами зависит от показателя преломления пластины, поэтому изменение длины волны света приводит как к изменению фокусного расстояния всей системы Г, так и к сдвигу её главных плоскостей. Если положение объекта от передней главной плоскости определяется расстоянием а8, то в первом приближении (то есть, считая Т> 1 и отбрасывая, где возможно, квадратичные члены) продольный сдвиг изображения для заданной величины V есть

6Ъ а^Р^За^еи - 21р + + а*УС] 2 [aв(leí!-2{)-P]2(leS-2f + V£)^ Видно, что если приравнять к нулю выражение в квадратных скобках в числителе дроби, то будет выполнено условие ¡5Ьг = 0, то есть для заданной пары длин волн света Ах и Аг, для которых величина относительной дисперсии равняется V, положения плоскости изображения будут совпадать. Таким образом можно получить уравнение относительно величин а8 и 1ея, решения которого позволяют вычислить расстояния между элементами оптической системы, при которых продольная хроматическая аберрация для заданных длин волн будет скомпенсирована.

Анализ выражения (3) показывает, что на интервале (АьАг) функция <5Ьг(А) непрерывна и имеет единственный экстремум, то есть для каждой длины волны света А € (Ах, А2) внутри этого интервала существует сопряжённая ей длина волны А', на которой расстояние до изображения будет таким же, как и на длине волны А. Тем не менее остаётся вопрос выбора величин Ах и Аг, при которых вторичный спектр продольной аберрации будет минимальным во всём рабочем диапазоне фильтра. Из проведенных расчётов следует, что если длины волн А1 и А2 лежат внутри рабочего диапазона фильтра, то

Рис. 3. Экспериментальные значения вторичного спектра продольной аберрации и теоретическая аппроксимация.

существенно возрастает величина хроматической аберрации в коротковолновой области спектра (Л < А^; если компенсация проводится для длин волн, лежащих вне рабочего диапазона, то, наоборот, аберрация в длинноволновой области оказывается некомпенсированной. Наименьшая величина вторичного спектра достигается, если компенсация проводится для граничных длин волн рабочего диапазона фильтра.

Была исследована система, сформированная двумя объективами с фокусным расстоянием 85 мм на основе акустооптического фильтра из парателлу-рита длиной 27 мм. Вычисления показали, что в диапазоне длин волн от А1 = 0.4 мкм до Аг = 1.0 мкм максимальная величина вторичного спектра продольной аберрации при оптимальном выборе расстояний между элемента-

ми системы может составлять всего 0.02 мм. Эта величина практически равняется глубине резкости изображения в данной системе, поэтому продольная аберрация не будет приводить к заметной дефокусировке и снижению пространственного разрешения.

На рис. 3 представлены результаты измерения величины продольной хроматической аберрации в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Без компенсации продольная хроматическая аберрация в системе приводит к тому, что плоскость изображения смещается на несколько миллиметров. Из-за этого пропадает резкость получаемых изображений и снижается пространственное разрешение. Например, при перестройке фильтра с длины волны света 0.7 мкм до 0.8 мкм, где наблюдается близкая к линейной зависимость ¿Ь2(Л), смещение изображения составляет величину приблизительно 0.8 мм, что приводит к снижению числа разрешимых элементов в изображении в 2 раза. На основании расчётов параметры системы были оптимизированы, что позволило снизить влияние продольной аберрации на разрешение более, чем вдвое в видимом диапазоне спектра.

4. Каскадные фильтры неполяризованного излучения

Четвёртая глава описывает примеры практического применения акустоопти-ческих фильтров для обработки неполяризованного света. Для рассмотрения выбраны каскадные акустооптические системы двух широкоапертурных фильтров и двух модуляторов неполяризованного света.

Широкоапертурная дифракция произвольно поляризованного света может быть обеспечена в системе двух одинаковых фильтров, если каждая из акустооптических ячеек управляет одной из ортогональных поляризаций света. При этом взаимную ориентацию кристаллов можно выбрать таким образом, чтобы дифрагированные пучки распространялись параллельно. Теоретическое и экспериментальное исследование системы было проведено с ис-

!

Рис. 4- Фейнмановская диаграмма образования основных и побочных дифракционных максимумов (а) и структура дифракционной картины (б) при рассеянии неполяризованного света в двух идентичных акустооптическш ячейках.

пользованием рабочего первого дифракционного порядка. Такая система рассматривалась в качестве перестраиваемого широкоапертурного фильтра или модулятора неколлимированных пучков.

В работе показано, что при последовательном прохождении неполяризованного света через два широкоапертурных фильтра помимо основной ши-рокоапертурной дифракции в дифракционной картине могут наблюдаться побочные максимумы небольшой интенсивности. На рис. 4, а приведена диаграмма образования всех максимумов в дифракционной картине. Индекс р обозначает номер дифракционного порядка, а буквенные индексы «а», «о» и «е» соответственно обозначают произвольную, обыкновенную и необыкновенную поляризацию световых пучков. Появление дополнительных максимумов вызвано дифракцией той нормальной волны, для которой не выполняется условие фазового синхронизма в кристалле, на боковых лепестках передаточной функции фильтра. Всего в дифракционной картине наблюдается 6

дифракционных максимумов, изображённых на рис. 4, б\ объединённый нулевой порядок произвольной поляризации, два параллельных луча первого порядка широкоапертурной дифракции, а также три побочных луча. При этом, если система рассчитана на работу с монохроматическим светом (в качестве модулятора или пространственного фильтра), то можно так подобрать длину пьезоэлектрического преобразователя, чтобы два из побочных лучей попали в нули передаточной функции и были подавлены, а интенсивность третьего не превышала бы величины 2%.

В рамках диссертационной работы также была проведена разработка и экспериментальное исследование каскадной системы двух акустооптических модуляторов неполяризованного света для волоконно-оптических линий передачи, в которых используется мультиплексирование с разреженным спектральным разделением. Применение двух одинаковых акустооптических ячеек было обусловлено необходимостью компенсации расщепления луча в нулевом дифракционном порядке, возникающего из-за двулучепреломления кристаллов парателлурита. Система двух акустооптических фильтров и градиентных линз для сопряжения акустооптических фильтров с оптоволокном вносила пассивные потери не более —2 дБ. Кроме того, использование двух кристаллов позволило вдвое снизить мощность ультразвука, рассеиваемую в каждой из ячеек. Созданная система способна обеспечить независимую модуляцию нескольких оптических несущих со спектральным расстоянием между соседними каналами 20 нм.

Экспериментальное исследование проводилось для четырёх каналов в интервале длин волн 1.51... 1.57 мкм, однако характеристики фильтров позволяли работать во всей области инфракрасного диапазона 1.27... 1.61 мкм, используемой в телекоммуникационных системах большой дальности. Максимальный уровень ослабления каждого из каналов достигал —22 дБ, что соответствует, эффективности дифракции более 99%. В то же самое время

из-за наличия боковых лепестков функции пропускания фильтра в системе наблюдались перекрёстные помехи между каналами, однако ослабление сигнала на соседней несущей длине волны не превышало величины —0.5 дБ при оптимальной мощности ультразвука.

Основные результаты

1) В работе показано, что в приближении малого двулучепреломления угловая апертура неколлинеарных акустооптических фильтров может быть вычислена аналитически. Сравнение с результатами численного моделирования показало, что относительная ошибка аналитических вычислений не превышает величины Ап/п0. Применение полученных формул позволяет значительно упростить вычисление пространственного разрешения акустооптических систем обработки изображений.

2) Теоретическое исследование показало, что изменение геометрии акустооптических фильтров с целью увеличения пространственного разрешения сопровождается ростом необходимой акустической мощности. При угле среза кристалла парателлурита а = 10° число разрешимых элементов изображения на выходе фильтра может превышать величину N ~ 106 при управляющей мощности ультразвука Р ^ 2 Вт. Максимальная угловая апертура фильтров на основе KDP наблюдается при угле среза кристалла а = 18.8° и достигает в воздухе снаружи кристалла величины 3°.

3) Доказано, что угловая апертура геометрии одновременной дифракции обеих нормальных волн в одной акустооптической ячейке немонотонно зависит от угла среза кристалла, имея локальный минимум. Увеличение угловой апертуры взаимодействия наблюдается как при уменьшении угла среза до нуля, так и при его увеличении до критического значения аа. В парателлурите минимум апертуры имеет место при угле среза кристалла а и 10°.

4) При особом выборе расстояний между элементами конфокальной оп-

тической системы вторичный спектр продольной хроматической аберрации можно снизить до величины глубины резкости изображения и уменьшить падение пространственного разрешения в широком диапазоне длин волн. Применение разработанного метода компенсации позволяет уменьшить влияние хроматической аберрации на пространственное разрешение.

5) Показано, что при использовании двух широкоапрстурных акустооп-тических фильтров возможно осуществить дифракцию неколлимированных световых пучков произвольной поляризации. При этом в распределении интенсивности света наблюдаются дополнительные дифракционные порядки, возникающие при рассеянии света на боковых лепестках передаточной функции фильтра.

6) Разработан и экспериментально исследован каскадный акустооптичес-кий модулятор для волоконно-оптических линий связи со спектральным разделением каналов. Уровень потерь, вносимых системой, составлял —2 дБ при глубине модуляции каждого канала —22 дБ. Наблюдаемые перекрёстные помехи между соседними каналами не превышали —13 дБ при интервале 20 нм между несущими длинами волн.

Список публикаций по теме работы

1. V. В. Voloshinov, К. В. Yushkov, and В. Linde, "Improvement in performance of а ТеОг acousto-optic imaging spectrometer", Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, vol. 9, № 4, pp. 341-347, 2007.

2. V. B. Voloshinov, B. Linde, and К. B. Yushkov, "Acousto-optic processing of images in visible and ultraviolet light", European Physical Journal: Special Topics, vol. 154, pp. 225-228, 2008.

3. V. B. Voloshinov and К. B. Yushkov, "Acousto-optic filters on potassium dihydrogen phosphate with optimal angle aperture and maximum beam deflection", Optical Engineering, vol. 47, № 7, pp. 073201 (1-7), 2008.

4■ Магдич Л. Н., Юшков К. В., Волошинов В. В., "Широкоапертурная дифракция неполяризованного излучения в системе двух акустооптичес-ких фильтров", Квантовая электроника, т. 39, Xs 4, стр. 347-352, 2009.

5. J.-C. Kastelik, К. В. Yushkov, S. Dupont, and V. В. Voloshinov, "Cascaded acousto-optic system for modulation of unpolarized light", Optics Express, vol. 17, № 15, pp. 12767-12776, 2009.

6. Анчуткин В. С., Вельский А. В., Волошинов В. Б., Юшков К. В., "Акус-тооптический метод спектрально-поляризационного анализа изображений", Оптический журнал, т. 76, № 8, стр. 29-35, 2009.

7. К. В. Yushkov, "Aberration-free design of a hyperspectral acousto-optic image spectroscope", in IX International Conference for Young Researchers: Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, Non-Destructive Testing, Security and Medicine. Proceedings, http://home.ru/weconf/proc06/, pp. 6 (1-8), St. Petersburg: State University for Aerospace Instrumentation, 2006.

8. К. B. Yushkov, D.V. Bogomolov, and V.B. Voloshinov, "Acousto-optic imaging by means of wide angle tunable acousto-optic filter", Journal de Physique IV France, vol. 137, pp. 185-188, 2006.

9. V.B. Voloshinov and К.B. Yushkov, "Processing of convergent and divergent optical beams and images by means of tunable acousto-optic filters on base of paratellurite and KDP", in Proceedings of International Congress on Ultrasonics, http://www.ICUltrasonics.org/, pp. 1302 (1-4), 2007.

10. V. S. Anchyutkin, A. B. Belsky, V. B. Voloshinov, and К. B. Yushkov, "Hyperspectral optical system with spatial separation of images possessing different polarization", vol. 7100 in ser. Proc. of SPIE, pp. 71001D (1-7), SPIE, 2008.

11. K.B. Yushkov and D.V. Bogomolov, "Acousto-optic imaging by means of wide angle tunable acousto-optic filter", in Winter School on Wave

and Quantum Acoustics. Conference Abstracts and Program, p. 70, Gliwice, Poland: Upper Silesian Division of the Polish Acoustical Society, Silesian University of Technology, 2006.

12. K. B. Yushkov, "Aberration-free design of a hyperspectral acousto-optic image spectroscope", in IX International Conference for Young Researchers: Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, Non-Destructive Testing, Security and Medicine. Preliminary Program and Abstracts, p. 16, St. Petersburg: State University for Aerospace Instrumentation, 2006.

IS. K. B. Yushkov, "Compensation of chromatic aberrations in a paratellurite-based acousto-optic imager", in VIII International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science SPO 2006. Scientific works, p. 115, Kyiv, Ukraine: Taras Shcvchenko Kyiv National University, 2006.

H- V. B. Voloshinov, B. Linde, and K. B. Yushkov, "Acousto-optic processing of images in visible and ultraviolet light", in 3&h Winter School on Wave and Quantum Acoustics, http://ogpta.polsl.pl/wswqa/abstracts/ 36/wwoaao/, Gliwice, Poland: Upper Silesian Division of the Polish Acoustical Society, Silesian University of Technology, 2007.

15. V. B. Voloshinov and K. B. Yushkov, "Processing of convergent and divergent optical beams and images by means of tunable acousto-optic filters on base of paratellurite and KDP", in International Congress on Ultrasonics. Programm and Book of Abstracts, pp. 49-50, Vienna, Austria: Vienna University of Technology, 2007.

16. K. B. Yushkov, "Image processing in the ultraviolet with KDP-based acousto-optic tunable filters", in X International Conference for Young Researchers: Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems. Preliminary Program and Abstracts, p. 23,

St. Petersburg: State University for Aerospace Instrumentation, 2007.

17. K. B. Yushkov, "Maximization of optical aperture in KDP-based acousto-optic imagers", in ltfh School on Acousto-optics and Applications, p. 32, Gdansk, Poland: Institute of Experimental Physics, University of Gdansk, 2008.

18. K. B. Yushkov, "Optimization of KDP-based acousto-optic imaging filters", Journal of Acoustical Society of America, vol. 123, № 5, Pt. 2, pp. 3144-3145, 2008.

19. V. S. Anchyutkin, A. B. Belsky, V. B. Voloshinov, and K. B. Yushkov, "Hy-perspectral optical system with spatial separation of images possessing different polarization", in Optical Systems Design, p. 28, Glasgow, UK: SPIE Europe, 2008.

20. K. B. Yushkov, "Acousto-optical filtering and modulation of arbitrary polarized light", in 3$h Winter School on Wave and Quantum Acoustics, http://ogpta.polsl.pl/wswqa/abstracts/38/wwoaao/, Gliwice, Poland: Upper Silesian Division of the Polish Acoustical Society, Silesian University of Technology, 2009.

21. K. B. Yushkov, J.-C. Kastelik, S. Dupont, and V.B. Voloshinov, "Acousto-optical equalizer for WDM systems of optical communications", in XII International Conference for Young Researchers: Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems. Preliminary Program and Abstracts, p. 21, St. Petersburg: State University for Aerospace Instrumentation, 2009.

22. K. B. Yushkov, "Cascaded acousto-optic filtering of unpolarized light", in 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium. Abstract Book, p. 758, Rome, Italy: IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Society, 2009.

Подписано к печати iA.0i.if> Тираж ■/ЯЛ Заказ 5

Отпечатано в отделе оперативном печа-ш физического факультета МГУ

Введение

Глава 1. Акустооптическая дифракция Брэгга в кристаллах

1.1. Общее решение задачи акустооптического взаимодействия в приближении дифракции Брэгга.

1.1.1. Постановка задачи дифракции Брэгга в анизотропной среде.

1.1.2. Уравнения связанных мод для амплитуд дифракционных максимумов

1.1.3. Интенсивность света в первом дифракционном порядке при дифракции Брэгга.

1.1.4. Обоснование метода векторных диаграмм.

1.2. Дифракция света в ячейках с ограниченной линейной апертурой.

1.2.1. Акустооптическая фильтрация пространственных частот светового поля.

1.2.2. Влияние апертуры фильтра на пространственное разрешение.

1.3. Широкоапертурная геометрия акустооптического взаимодействия.

1.3.1. Частотно-угловые характеристики анизотропной дифракции в главной плоскости одноосных кристаллов.

1.3.2. Акустооптическая дифракция с широкой угловой апертурой.

1.3.3. Неколлинеарная дифракция произвольно поляризованного света . 38 Выводы к главе 1.

Глава 2. Оптимизация неколлинеарных акустооптических фильтров

2.1. Дифракция света в режиме с максимальной эффективностью.

2.1.1. Акустооптическое качество при анизотропной дифракции.

2.1.2. Оптимальная мощность ультразвука.

2.2. Основные характеристики широкоапертурных акустооптических фильтров

2.2.1. Расчёт угловой апертуры широкоапертурных фильтров.

2.2.2. Оптимизация акустооптических ячеек на основе кристаллов парател-лурита.

2.2.3. Оптимизация ячеек на основе кристаллов KDP.

2.3. Спектрально-поляризационная фильтрация изображений.

2.3.1. Угловая апертура при обработке неполяризованного света.

2.3.2. Особенности дифракции немонохроматического света естественной поляризации.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Компенсация хроматических аберраций спектральных фильтров

3.1. Хроматические аберрации в акустооптических системах обработки изображений

3.1.1. Различные типы аберраций в акустооптических системах.

3.1.2. Влияние аберраций на пространственное разрешение.

3.2. Продольная хроматическая аберрация в конфокальной системе.

3.2.1. Описание оптической схемы.

3.2.2. Расчёт продольных хроматических аберраций.

3.2.3. Вторичный спектр продольных хроматических аберраций.

3.3. Измерение вторичного спектра продольной хроматической аберрации

3.3.1. Экспериментальные результаты.

3.3.2. Оценка глубины резкости.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Каскадные фильтры неполяризованного излучения

4.1. Акустооптические каскадные и многопроходные системы.

4.1.1. Полосовые и заграждающие фильтры с использованием многократной дифракции.

4.1.2. Каскадные модуляторы неполяризованного света.

4.2. Двухкристальный широкоапертурный фильтр неполяризованного света

4.2.1. Особенности дифракции и боковые лепестки.

4.2.2. Фильтрация изображений при неполяризованном освещении.

4.3. Акустооптический эквалайзер для волоконно-оптических линий связи со спектральным уплотнением каналов

4.3.1. Применение акустооптических фильтров в оптических телекоммуникационных системах.

4.3.2. Модуляция неполяризованного света с последовательным применением двух фильтров.

4.3.3. Описание экспериментальной установки.

4.3.4. Перекрёстные помехи между соседними каналами.

Выводы к главе 4.

Данная диссертационная работа относится к области прикладной оптики. Световое излучение является одним из основных переносчиков информации в окружающем мире. При прохождении света через материальные среды или при отражении от их поверхностей происходит изменение свойств света, в том числе характеризующее среду, с которой произошло взаимодействие. Информация об объекте может содержаться в интенсивности и поляризации света, а также в его спектральном составе. Временная модуляция источников света является одним из основных средств направленной передачи информации. Кроме того, спектроскопия является важнейшим источником сведений об источниках излучения, особенно если получение другой информации затруднено.

В настоящей работе анализируются вопросы распространения света, поэтому рассмотрение ограничено рамками классической волновой теории. Представление о свете как о векторной волне сложилось на основании теории Максвелла, доказавшей возможность распространения электромагнитных колебаний в свободном пространстве. Для управления различными параметрами света, как правило, используются косвенные методы, заключающиеся в изменении оптических свойств прозрачных сред под действием различных силовых полей. Среди них находят применение эффект Фарадея, термооптический, эффекты Поккельса и Керра, а также фотоупругий эффект, заключающийся в изменении показателей преломления среды под действием механических напряжений.

Как любому волновому процессу, свету присуще явление дифракции, то есть отклонение от геометрической модели распространения. В оптике широко применяется дифракция на периодических структурах — дифракционных решётках. Поскольку распределение максимумов в дифракционной картине, наблюдаемой при падении плоской волны на решётку, определяется углом падения и соотношением периода структуры с длиной волны света, дифракционные решётки используются в качестве дисперсионных элементов.

Явления фотоупругости и дифракции лежат в основе акустооптического эффекта, исследованию особых случаев которого посвящена данная работа. Основные параметры создаваемой дифракционной решётки определяются частотой и амплитудой упругой волны в среде взаимодействия света и звука, благодаря чему акустооптические устройства являются электронно перестраиваемыми. С другой стороны, для поддержания дифракции требуется непрерывное возбуждение ультразвуковых волн, поэтому неизбежно возникает потребление энергии высокочастотного сигнала.

Исторический обзор

Акустооптическое взаимодействие представляет собой дифракцию света на фазовых решётках, создаваемых упругими волнами в различных средах благодаря модуляции показателя преломления материала за счёт фотоупругого эффекта. Впервые возможность рассеяния света на акустических волнах в конденсированных средах была предсказана JI. Бриллюэном Экспериментально акустооптическая дифракция на ультразвуковых волнах в изотропных средах впервые наблюдалась в 30-ые годы XX века П. Дебаем и Ф. Сирсом ^ и независимо Р. Люка и П. Бикаром (3К Классическая теория акустооптического взаимодействия для изотропных сред была разработана JI. Бриллюэном Ч. Рама-ном и Н. Натом а также С.М. Рытовьш (6К На низких частотах ультразвука или при малой длине взаимодействия дифракционная картина состоит из множества дифракционных максимумов и носит название раман-натовской. При высоких частотах ультразвука или больших длинах взаимодействия наблюдалась дифракция, при которой существовало только два дифракционных максимума. По аналогии с рассеянием рентгеновского излучения в кристаллах такой режим дифракции получил название брэгговского.

Впоследствии в качестве среды акустооптического взаимодействия стали использовать оптически анизотропные кристаллы. В таких средах дифракция света может происходить либо аналогично дифракции в изотропных материалах, либо с преобразованием поляризации света между модами кристалла. Возбуждение в кристаллах упругих волн гигагерцового диапазона стало возможным благодаря применению пьезоэлектрического эффекта в этих материалах и развитию технологии пьезоэлектрических преобразователей (д11К Таким образом были обнаружены новые эффекты, нашедшие применение в задачах обработки световых полей и управления излучением. В анизотропных средах стало возможным создание перестраиваемых фильтров с большой длиной взаимодействия широкополосных дефлекторов света а также фильтров с широкой угловой апертурой и модуляторов света (18К Создание устройств, способных обрабатывать световые пучки с расходимостью в несколько градусов, сделало возможным их применение в задачах спектрального анализа изображений (19-21).

В теории акустооптического взаимодействия в анизотропных средах широко используется метод векторных диаграмм основанный на законе сохранения импульса при квантовом подходе к рассеянию света упругими волнами (23~26). Этот метод может быть также обоснован при строгом рассмотрении задачи рассеяния света периодическими структурами на основании классической теории дифракции света (27>28). Теоретическая основа современной акустооитики была сформирована в 70-ые годы XX века.

Актуальность работы

Известно, что брэгтовская дифракция света в анизотропных средах используется для осуществления управляемой пространственной и спектральной фильтрации световых пучков (29~31К Перестраиваемые спектральные фильтры являются одним из основных классов акустооптических устройств, находящих применение при создании уникальных научно-исследовательских приборов и систем (32>33). В настоящее время существуют различные конфигурации акустооптических фильтров, различающиеся взаимной ориентацией световых и ультразвукового пучков. В коллинеарных фильтрах волновые векторы падающего и дифрагированного света, а также волновой вектор ультразвука параллельны между собой и направлены вдоль одной из осей симметрии кристалла, ортогональной его оптической оси Характерной особенностью коллинеарных фильтров является высокое спектральное разрешение 1Z ~ 103. 104, достижимое благодаря большой длине взаимодействия света и ультразвука. При этом маскимальная эффективность дифракции наблюдается в широком диапазоне углов падения света, однако единственным способом разделения нулевого и первого дифракционных порядков является селекция света по поляризации. Спектральная фильтрация изображений акустооптическим методом была впервые осуществлена при помощи коллинеарного фильтра из молибдата кальция (19К Использование оптической и акустической анизотропии кристаллов позволяет обеспечить сонаправлен-ное распространение электромагнитных и упругих волн также и для внеосевых направлений в кристалле, если направления групповой скорости ультразвука и падающего света совпадают Построенные на этом принципе квазиколлинеарные фильтры также обеспечивают высокое спектральное разрешение, однако угловая апертура у них значительно уже, чем в коллинеарных фильтрах, что требует хорошей коллимации световых пучков. Кроме того, акустооптическую фильтрацию света можно осуществить и при близкой к ортогональной взаимной ориентации волновых векторов падающего света и ультразвука ^К В этом случае длина области взаимодействия определяется размером пьезоэлектрического преобразователя, а не длиной кристалла, поэтому спектральное разрешение оказывается на порядок ниже, чем при коллинеарном или квазиколлинеарном взаимодействии. Тем не менее, в неколлинеарных фильтрах возможно обеспечить широкую угловую апертуру дифракции. Кроме того, ненулевая величина угла отклонения света позволяет пространственно разделять свет нулевого и первого порядков, что невозможно в коллинеарных фильтрах.

Настоящая работа посвящена применению акустооптического взаимодействия в задачах обработки изображений. Широкоапертурные акустооптические фильтры позволяют обеспечить фильтрацию изображений со спектральным разрешением 1Z ~ 102. 103 и пространственным разрешением Л/* > Ю4. Уникальными особенностями акустооптических фильтров являются электронная перестройка с возможностью синтеза многополосной функции пропускания, рабочий диапазон, превышающий октаву, и характерное быстродействие Ю-4 с. При разработке систем перестраиваемой фильтрации изображений возникает ряд проблем, имеющих как прикладной, так и фундаментальный характер. Несмотря на большой интерес к акустооптическим фильтрам во всём мире, лишь малое число работ посвящено изучению предельных возможностей этих устройств и оптимизации их характеристик. В данной диссертации рассмотрены вопросы влияния конфигурации акустооптических ячеек на спектральное и пространственное разрешение фильтров, а также на потребляемую ими мощность. Также в работе изучены особенности формирования изображений в оптической системе, содержащей акустооптические ячейки.

В качестве среды взаимодействия в современной акустооптике наиболее широко используются монокристаллы диоксида теллура (ТеОг), называемого парателлуритпом. Этот искусственный одноосный кристалл обладает уникальными акустическими свойствами, что позволяет наблюдать в нём чрезвычайно сильный акустооптический эффект (35~37) Парателлурит используется при создании большинства акустооптических приборов для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра, за исключением коллинеарных фильтров (S0<32> SSK Основные результаты данной работы получены для неколлинеарных акустооптических фильтров на основе парателлурита. Вместе с тем, некоторые задачи в акустооптике не могут быть решены с использованием этого материала: поскольку коротковолновая граница прозрачности парателлурита лежит на длине волны 0.35 мкм, его применение в ультрафиолетовом диапазоне практически невозможно. Среди одноосных кристаллов, прозрачных в ближнем ультрафиолетовом диапазоне, одними из лучших акустооптических свойств обладает широко известный в нелинейной оптике дигидрофос-фат калия (КН2РО4), или KDP (38>39). Дополнительным преимуществом данного материала является хорошо разработанная технология его производства, позволяющая получать большие монокристаллы высокого оптического качества. Несмотря на это, в научной литературе описано всего случаев реализации несколько акустооптических фильтров на основе кристаллов KDP поэтому теоретическое исследование и оптимизация параметров акустооптических ячеек на основе этого материала представляют несомненный интерес.

Среди физических факторов, снижающих качество обрабатываемых акустооптически-ми методами изображений, значительную роль играют различные виды аберраций Для спектральных фильтров существенны хроматические аберрации, возникновение и влияние которых на структуру дифрагировавшего светового поля было отмечено уже в первых работах, посвящённых акустооптической фильтрации изображений (17К Влияние хроматических аберраций на характеристики акустооптических систем обработки изображений становится особенно сильным для фильтров со свехпшрокой полосой перестройки, превышающей октаву (+7~50). Тем не менее, большинство авторов, исследовавших аберрации акустооптических фильтров, ограничивалось рассмотрением только поперечных аберраций и методов их снижения (51~5^). Проблема продольных хроматических аберраций в таких устройствах оставалась нерешённой. В данной работе было проведено экспериментальное и теоретическое рассмотрение продольных аберраций акустооптических спектральных фильтров и предложен метод их компенсации в широком диапазоне длин волн света.

Одной из особенностей анизотропной акустооптической дифракции является чувствительность эффекта к поляризации падающего света. Это явление в большинстве задач рассматривается как недостаток, поскольку при работе с естественно или частично поляризованным электромагнитным излучением оно приводит к частичной потере полезной световой мощности на выходе фильтра. В работе изучены системы спектральной фильтрации и модуляции произвольно поляризованного света на основе двух одинаковых последовательно расположенных акустооптических ячеек. Благодаря каскадному использованию фильтров, удалось осуществить обработку расходящихся световых пучков, причём эффективность рассеяния не зависела от направления поляризации падающего света.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является изучение методов увеличения пространственного разрешения систем обработки изображений на основе акустооптических фильтров. При этом были решены следующие задачи:

1. Изучение влияния параметров акустооптических ячеек на спектральное и пространственное разрешение акустооптических фильтров и потребляемую ими мощность.

2. Установление предельных характеристик широкоапертурных фильтров на основе кристаллов парателлурита и KDP.

3. Разработка метода компенсации хроматических аберраций в акустооптических системах спектрального анализа изображений.

4. Исследование каскадной системы широкоапертурных фильтров для спектрального анализа произвольно поляризованного света.

5. Создание многоканального модулятора неполяризованного излучения ближнего инфракрасного (0.9. 1.7 мкм) диапазона спектра на основе каскада перестрагиваемых акустооптических фильтров.

Научная новизна и практическая значимость

1) В работе получены приближённые выражения для угловой апертуры фильтров пш-рокоапертурной конфигурации, позволяющие использовать аналитические формулы вместо численных расчётов для нахождения числа разрешимых элементов изображения. В результате анализа было обнаружено, что физические закономерности дифракции Брэгга не позволяют одновременно увеличивать число разрешимых элементов в изображении на выходе фильтров и снижать потребляемую устройствами мощность ультразвука.

2) Впервые показано, что угловая апертура фильтров неполяризованного света немонотонно зависит от угла среза кристалла при постоянной длине пьезопреобразователя. При спектральном анализе изображений, сформированных некогерентным неполяризо-ванным светом, пространственное разрешение ограничено углом отклонения света, однако при этом возникают спектральные искажения.

3) В работе предложен новый метод компенсации продольной хроматической аберрации в акустооптических системах спектрального анализа изображений. Усовершенствование оптической схемы не требует использования дополнительных элементов, в то время как пространственное разрешение может быть ограничено дифракционным пределом в диапазоне длин волн, превышающем октаву.

4) Исследованы характеристики каскадных систем обработки неполяризованного излучения, предназначенных для модуляции излучения в волоконно-оптических линиях связи со спектральным разделением каналов и для управления мощными световыми потоками технологических лазеров. Такие системы позволяют без использования дополнительных оптических элементов обеспечивать модуляцию световых пучков произвольной поляризации с малым коэффициентом оптических потерь.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Объём диссертации составляет 137 страниц, включая 40 иллюстраций и 4 таблицы. Список литературы содержит 160 наименований, а также 22 работы автора.

Выводы к главе 4

В четвёртой главе представлены результаты экспериментального применения двухкри-стальных акустооптических систем в задачах модуляции и фильтрации неполяризованного электромагнитного излучения.

1) Обнаружено, что дифракция света на боковых лепестках функции пропускания фильтра в системе двух широкоапертурных акустооптических ячеек может приводить к образованию 3 дополнительных брэгговских дифракционных максимумов малой интенсивности. При обработке монохроматического излучения размер пьезопреобразователя может быть выбран таким образом, чтобы интенсивности двух из побочных максимумов были равны нулю, а интенсивность третьего не превышала величины 2 %.

2) Разработана двухкристальная акустооптическая система для модуляции инфракрасного излучения в волоконно-оптических линиях передачи со спектральным разделением каналов. Уровень перекрёстных помех между соседними каналами в эксперименте не превышал величины —13 дБ при эффективности дифракции для основного канала Т/1"1 > 99 %. Данная система может быть использована для выравнивания интенсивности различных оптических несущих спектрально-мультиплексированного сигнала.

Заключение

В диссертации теоретически и экспериментально исследованы особенности широкоапертурной акустооптической дифракции в системах фильтрации изображений и обработки произвольно поляризованных неколлимированных световых пучков, а также изучены особенности каскадных акустооптических фильтров и модуляторов неполяризованного света. Основные результаты можно сформулировать следующим образом:

1) В работе показано, что в приближении малого двулучепреломления угловая апертура неколлинеарных акустооптических фильтров может быть вычислена аналитически. Сравнение с результатами численного моделирования показало, что относительная ошибка аналитических вычислений не превышает величины Ап/п0. Применение полученных формул позволяет значительно упростить вычисление пространственного разрешения акустооптических систем обработки изображений.

2) Теоретическое исследование показало, что изменение геометрии акустооптических фильтров с целью увеличения пространственного разрешения сопровождается ростом необходимой акустической мощности. При угле среза кристалла парателлурита а. — 10° число разрешимых элементов изображения на выходе фильтра может превышать величину N — 106 при управляющей мощности ультразвука Р ^ 2 Вт. Максимальная угловая апертура фильтров на основе KDP наблюдается при угле среза кристалла а = 18.8° и достигает в воздухе снаружи кристалла величины 3°.

3) Доказано, что угловая апертура геометрии одновременной дифракции обеих нормальных волн в одной акустооптической ячейке немонотонно зависит от угла среза кристалла, имея локальный минимум. Увеличение угловой апертуры взаимодействия наблюдается как при уменьшении угла среза до нуля, так и при его увеличении до критического значения о;сг. В парателлурите минимум апертуры имеет место при угле среза кристалла а га 10°.

4) При особом выборе расстояний между элементами конфокальной оптической системы вторичный спектр продольной хроматической аберрации можно снизить до величины глубины резкости изображения и уменьшить падение пространственного разрешения в широком диапазоне длин волн. Применение разработанного метода компенсации позволяет уменьшить влияние хроматической аберрации на пространственное разрешение.

5) Показано, что при использовании двух широкоапретурных акустооптических фильтров возможно осуществить дифракцию неколлимированных световых пучков произвольной поляризации. При этом в распределении интенсивности света наблюдаются дополнительные дифракционные порядки, возникающие при рассеянии света на боковых лепестках передаточной функции фильтра.

6) Разработан и экспериментально исследован каскадный акустооптический модулятор для волоконно-оптических линий связи со спектральным разделением каналов. Уровень потерь, вносимых системой, составлял —2 дБ при глубине модуляции каждого канала —22 дБ. Наблюдаемые перекрёстные помехи между соседними каналами не превышали —13 дБ при интервале 20 нм между несущими длинами волн.

Полученные в работе результаты теоретического анализа широкоапертурной акустооптической дифракции могут быть использованы разработчиками и производителями для улучшения характеристик неколлинеарных акустооптических фильтров. Усовершенствование конфокальной оптической схемы позволяет получать изображения с разрешением, соответвтвущим дифракционному пределу, в широком диапазоне длин волн света. Применение каскадной широкоапертурной дифракции позволяет улучшить характеристики акустооптических систем спектрального анализа изображений, поскольку возможность обработки неполяризованного света повышает эффективность устройств за счёт минимизации оптических потерь. На основе разработанных систем модуляции неполяризованного света возможно создание промышленных образцов приборов управления световыми пучками для волоконно-оптических линий передачи со спектральным разделением каналов.

1. L. Brillouin, "Diffusion de la lumiere et des rayons X per un corps transparent homo-gene", Annales de Physique, vol. IT, pp. 88-122, 1922.

2. P. Debye, F. W. Sears, "On the scattering of light by supersonic waves", Proc. Nat. Acad. Sci. USA, vol. 18, № 6, pp. 409-414, 1932.

3. R. Lucas, P. Biquard, "Proprietes optiques des milieux solides et liquides soumis aux vibrations elastiques ultra sonores", J. Phys. Rad., sen 7, vol. 3, № 10, pp. 464-477, 1932.

4. L. Brillouin, "La diffraction de la lumiere par des ultra-sons", Act. Sci. Ind., vol. 59, pp. 1-31, 1933.

5. С. V. Raman and N. S. Nagendra Nath, "The diffraction of light by high frequency sound waves", Proc. Indian Acad. Sci. vol. A2, № 4, pp. 406-420, 1935; vol. A3, № 1, pp. 75-84, № 2, pp. 119-125, № 5, pp. 459-465, 1936.

6. Рытов C.M., "Дифракция света на ультразвуковых волнах", Изв. АН СССР, сер. физич., № 2, стр. 223-259, 1937.

7. Баранский К. Н., "Возбуждение в кварце колебаний гиперзвуковых частот", ДАН СССР, т. 114, № 3, стр. 517-519, 1957.

8. Н. Е. Bommel and К. Dransfeld, "Excitation and attenuation of hypersonic waves in quartz", Phys. Rev., vol. 117, pp. 1245-1252, 1960.

9. W. P. Mason, Electromechanical Transducers and Wave Filters, 2nd ed. New York: Van Nostrand, 1958.

10. E. K. Sitting, "Transmission parameters of thickness-driven piezoelectric transducers arranged in multilayer configurations", IEEE Trans. Sonics and Ultrason., vol. 14, № 4, pp. 167-174, 1967.

11. R. W. Wienert, "Very high-frequency piezoelectric transducers", IEEE TYans. Sonics and Ultrasonvol. 24, № 1, pp. 48-54, 1977.

12. S. E. Harris and R. W. Wallace, "Acoustooptic tunable filter", J. Opt. Soc. Amer., vol. 59, № 6, pp. 744-747, 1969.

13. Балакший В. И., Волошинов В. Б., Парыгин В.Н., "Акустическое сканирование света в анизотропной среде", Радиотехника и электроника, т. 16, № 11, стр. 22262229, 1971.

14. J. Kusters, D. Wilson, and D. Hammond, "Optimum crystal orientation for acoustically tuned optic filters", J. Opt. Soc. Amervol. 64, № 4, pp. 434-440, 1974.

15. I. C. Chang, "Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture", Appl. Phys. Lett., vol. 25, № 7, pp. 370-372, 1974.

16. I. C. Chang, "Analysis of the noncollinear acousto-optic filters", Electron. Lett., vol. 11, № 25, pp. 617-618, 1975.

17. T. Yano and A. Watanabe, "Acoustooptic Te02 tunable filter using far-off-axis anisotropic Bragg diffraction", Appl. Opt., vol. 15, № 9, pp. 2250-2258, 1976.

18. Волошинов В. В., Балактпий В. И., Беликов И. Б., Парыгин В. Н., "Способ модуляции света". Авторское свидетельство № 1345863 от 15.06.87 г. с приоритетом от 30.01.85, СССР, 1987.

19. R. В. Wattson, S. A. Rappaport, and Е. Е. Frederick, "Imaging spectrometer study of Jupiter and Venus", Icarus, vol. 27, pp. 417-423, 1976.

20. I. C. Chang, "Tunable acousto-optic filters: an overview", Opt. Eng., vol. 16, pp. 455460, 1977.

21. Беликов И. Б., Буймистрюк Г. Я., Волошинов В. Б. и др., "Акустооптическая фильтрация изображений", Письма в ЖТФ, т. 10, № 10, стр. 1225-1229, 1984.

22. R. W. Dixon, "Acoustic diffraction of light in anisotropic media", IEEE J. Quant. Electron., vol. 3, № 2, p. 85, 1967.

23. A. Korpel, R. Adler, and B. Alpiner, "Direct observation of optically induced generation and amplication of sound", Appl Phys. Lett., vol. 5, № 4, pp. 86-88, 1964.

24. A. Yariv, "Quantum theory for parametric interactions of light and hypersound", IEEE J. Quant. Electronvol. 1, № 1, pp, 28-36, 1965,

25. N. M. Kroll, "Exitation of hypersonic vibrations by means of photoelastic coupling of high-intensity light waves to elastic waves", J. Appl. Phys., vol. 36, № 1, pp. 34-43, 1965,

26. D. Bobroff, "Couple-modes analysis of the phonon-photon parametric backward-wave oscillator", J. Appl Phys., vol. 36, № 5, pp. 1760-1769, 1965.

27. Парыгин B.H., Чирков JI.E., "Взаимодействие света с распределённой фазовой решёткой. Анизотропные среды", Радиотехника и электроника, т. 19, № 6, стр. 1178-1186, 1975.

28. Парыгин В. Н., Чирков JI. Е., "Дифракция света на ультразвуке в анизотропной среде", Квантовая электроника, т. 2, № 2, стр. 318-326, 1975.

29. Парыгин В.Н., Балакший В. И., Оптическая обработка информации. М.: МГУ, 1987.

30. Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков JI. Е., Физические основы акустоопти-ки. М.: Радио и связь, 1985.

31. Магдич JI. Н., Молчанов В. Я, Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978.

32. J. Xu and R. Stroud, Acousto-Optic Devices: Principles, Design, and Applications. New York: Wiley, 1992.

33. A. Goutzoulis and D. Pape, ed., Design and Fabrication of Acousto-Optic Devices. New York: Marcel Dekker, 1994.

34. V.B. Voloshinov, "Close to collinear acousto-optic interaction in paratellurite", Opt. Eng., vol. 31, № 10, pp. 2089-2094, 1992.

35. N. Uchida and Y. Ohmachi, "Elastic and photoelastic properties of Te02 single crystal", J. Appl. Phys., vol. 40, № 12, pp. 4692-4695, 1969.

36. Y. Ohmachi, N. Uchida, and N. Niizeki, "Acoustic wave propagation in ТеОг single crystal", J. Acoust. Soc. Amer., vol. 51, № lb, pp. 164-168, 1972.

37. T. Yano and A. Watanabe, "Acoustooptic figure of merit of ТеОг for circularly polarized light", J. Appl Phys., vol. 45, № 3, pp. 1243-1245, 1974.

38. F. Zeraike Jr., "Refractive indices of ammonium dihydrogen phosphate and potassium dihydrogen phosphate between 2000 A and 1.5 //", J. Opt. Soc. Amer., vol. 54, № 10, p, 1215, 1964.

39. Александров К. С., Анистратов А. Т., Замков А. В., Рез И. С., "Акустооптические и фотоупругие свойства кристаллов типа КН2РО.)", Физика твёрдого тела, т. 19, № 6, стр. 1863-1866, 1977.

40. I. С. Chang and J. Xu, "High performance AOTFs for the ultraviolet", in Proc. IEEE Ultrasonics Symposium 1998, vol. 2, pp. 1289-1292, New York: IEEE, 1998.

41. N. Gupta and V. B. Voloshinov, "Hyperspectral imager, from ultraviolet to visible, with a KDP acousto-optic tunable filter", Appl Opt., vol. 43, № 13, pp. 2752-2759, 2004.

42. V. В. Voloshinov and N. Gupta, "Ultraviolet-visible imaging acousto-optic tunable filters in KDP", Appl. Opt., vol. 43, № 19, pp. 3901-3909, 2004.

43. Волошинов В. Б., Богомолов Д. В., Трохимовский А. Ю., "Оптимизация перестраиваемого акустооптического фильтра на кристалле KDP", ЖТФ, т. 76, № 1, стр. 66-71, 2006.

44. Борн М., Вольф Э., Основы оптики (Пер. с англ. под ред. Г. П. Мотулевич). М.: Наука, 1970.

45. W. J. Smith, Modern Optical Engineering, 4th ed. New York: McGraw Hill, 2007.

46. W. T. Welford, Aberrations of optical systems. Bristol: Hilger, 1986.

47. F. M. Ryan, M. Gottlieb, and D. W. Feldman, "Acousto-optic tunable filter with two acoustic channels". U.S. patent № 4705362, November 1987.

48. Беликов И. Б., Волошинов В. Б., Касьянов А. Б., Парыгин В. Н., "Широкополосное согласование преобразователя акустооптической ячейки на основе теории комплексной нормализации Юлы", Изв. ВУЗов СССР, сер. радиоэлектроника, т. 31, № 7, стр. 30-35, 1988.

49. V.Ya. Molchanov and O.Yu. Makarov, "Phenomenological method for broadband electrical matching of acousto-optical device piezotransducers", Opt. Eng., vol. 38, № 7, pp. 1127-1135, 1999.

50. N. Gupta and V. B. Voloshinov, "Development and characterization of two-transducer imaging acousto-optic tunable filters with extended tuning range", Appl. Opt., vol. 46, № 7, pp. 1081-1088, 2007.

51. Волошинов В. Б., Миронов О. В., Кулаков JI. А., "Сканирование оптического изображения при акустооптической фильтрации света", Радиотехника и электроника, т. 33, № 10, стр. 2177-2182, 1989.

52. D. R. Suhre, М. Gottlieb, L. Н. Taylor, and N. Т. Melamed, "Spatial resolution of imaging noncollinear acousto-optic tunable filters", Opt. Eng., vol. 31, № 10, pp. 21182121, 1992.

53. D. R. Suhre and J. G. Theodore, "White-light imaging by use of a multiple passband acousto-optic tunable filter", Appl. Opt., vol. 35, № 22, pp. 4494-4501, 1996.

54. Волошинов В. Б., Богомолов Д. В., "Влияние параметров широкоаппертурного акустооптического фильтра на качество обработки изображений", Квантовая электроника, т. 36, № 5, стр. 457-463, 2006.

55. Ярив А., Юх П., Оптические волны в кристаллах (Пер. с англ. под ред. И. Н. Сисакяна). М.: Мир, 1987.

56. Най Дж., Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц (Пер. с англ. под ред. Л. А. Шувалова). М.: Мир, 1967.

57. Дьелесан Э., Руайе Д., Упругие волны в твердых телах. Применение при обработке сигналов (Пер. с франц. под ред. В. В. Леманова). М.: Наука, 1982.

58. Баранский К. Н., Физическая акустика кристаллов. М.: МГУ, 1991.

59. Волошинов В. Б., Парыгин В. Н., Чирков JL Е., "Некоторые особенности анизотропной дифракции Брэгга", Вестник Московского университета, сер. 3. Физ. Астр., т. 17, № 3, стр. 305-312, 1976.

60. Волошинов В. Б., Бломме Э., Леруа О. и др., "Эффективность акустооптического взаимодействия во втором порядке дифракции", Оптика и спектроскопия, т. 81, JVs 5, стр. 835-841, 1996.

61. A. Yu. Tchernyatin, Е. Blomme, and V. В. Voloshinov, "Mixed isotropic-anisotropic Bragg diffraction in crystals", J. Opt. A: Pure and Appl. Opt, vol. 4, JY® 1, pp. 16-22, 2002.

62. Волошинов В. Б., Юшков К. Б., "Акустооптическое взаимодействие двух пучков света в кристалле парателлурита", Радиотехника и электроника, т. 52, № 6, стр. 727-733, 2007.

63. Yu. S. Dobrolenskiy, V. В. Voloshinov, Yu. A. Zyuryukin, and E. A. Djakonov, "Nonre-ciprocity of acousto-optic interaction in collinear tunable acousto-optic filters", Appl. Opt., vol. 48, № 7, pp. C67-C73, 2009.

64. Балакший В. И., Никанорова Е. А., Парыгин В.Н., "Фазовые соотношения при дифракции Брэгга", Вестник Московского университета, сер. 3. Физ. Астр., т. 24, № 6, стр. 70-75, 1983.

65. Бабкина Т. В., Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б., Прокофьев В. А., "Автоколебательные режимы лазерного генерирующего интерферометра Маха-Цендера", Квантовая электроника, т. 18, № 2, стр. 259-261, 1991.

66. Балакший В. И., Манцевич С.Н., "Влияние поляризации света на характеристики коллинеарной акустооптической дифракции", Оптика и спектроскопия, т. 106, № 3, стр. 493-498, 2009.

67. Волошинов В. Б., Балакший В. И., Беликов И. Б., Никанорова Е. А., Парыгин В.Н., "Акустооптический фильтр пространственных частот". Авторское свидетельство № 1378620 от 01.11.87 г. с приоритетом от 19.02.86 г., СССР, 1987.

68. Корпел А., Акустооптика (Пер. с англ.). М.: Мир, 1993.

69. J. С. Kastelik, М. G. Gazalet, С. Bruneel, and Е. Bridoux, "Acoustic shear wave propagation in Paratellurite with reduced spreading", J. Appl. Phys., vol. 74, № 4, pp. 2813-2817, 1993.

70. Балакший В. И., Костюк Д.Е., "Пространственная структура акустооптическо-го фазового синхронизма в одноосных кристаллах", Оптика и спектроскопия, т. 101, № 2, стр. 298-304, 2006.

71. V. I. Balakshy and D. Е. Kostyuk, "Acousto-optic image processing", Appl. Opt., vol. 48, № 7, p. C24-C32, 2009.

72. Гудмен Дж., Введение в фурье-оптику (Пер. с англ. под ред. Г. И. Косоурова). М.: Мир, 1970.

73. V. В. Voloshinov, "Application of acousto-optic interactions in anisotropic media for control of light radiation", in Actes du 6-eme Congres Francais d'Acoustique, pp. 283288, 2002.

74. Балакший В. И., "Акустооптическая ячейка как фильтр пространственных частот", Радиотехника и электроника, т. 29, JY« 8, стр. 1610-1616, 1984.

75. Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П., Теория волн, 2-е изд. М.: Наука, 1990.

76. V. I. Balakshy, V. В. Voloshinov, Т. М. Babkina, and D. Е. Kostyuk, "Optical image processing by means of acousto-optic spatial filtration", J. Modem Opt., vol. 52, № 1, pp. 1-20, 2005.

77. Т. М. Babkina and V. В. Voloshinov, "A new method of acousto-optic image processing and edge enhancing", J. Opt A: Pure and Appl. Opt., vol. 3, pp. S54-S61, 2001.

78. V. B. Voloshinov, V.Ya. Molchanov, and Т. M. Babkina, "Two-dimensional selection of optical spatial frequencies by acousto-optic methods", Opt Eng., vol. 41, № 6, pp. 1273-1280, 2002.

79. Балакший В. И., Волошинов В. В., "Акустооптическая обработка изображений в когерентном свете", Квантовая электроника, т. 35, № 1, стр. 85-90, 2005.

80. Волошинов В. В., Москера X. С., "Широкоапертурное акустооптическое взаимодействие в двулучепреломляющих кристаллах", Оптика и спектроскопия, т. 101, № 4, стр. 675-682, 2006.

81. D.V. Bogomolov and V. B. Voloshinov, "Analysis of quality of images obtained by acousto-optic filtering", vol. 5828 in ser. Proc. of SPIE, pp. 105-116, SPIE, 2005.

82. P. A. Gass and J. R. Sambles, "Accurate design of a noncollinear acousto-optic tunable filter", Opt. Lett, vol. 16, № 6, pp. 429-431, 1991.

83. M. Gottlieb, Acousto-optic tunable filters, ch. 4, pp. 197-284. In A. Goutzoulis and D. Pape (33).

84. Беликов И. Б., Волошинов В. Б., Никанорова Е. А., Парыгин В.Н., "Угловая апертура перестраиваемого акустооптического фильтра", Автометрия, № 2, стр. 52-57, 1987.

85. V. В. Voloshinov, V. Ya. Molchanov, and J. С. Mosquera, "Spectral and polarization analysis of optical images by means of acousto-optics", Optics and Laser Technology, vol. 28, № 2, pp. 119-127, 1996.

86. Сильвестрова И. M., Барта Ч., Добржанский Г. Ф. и др., "Акустооптические свойства кристаллов каломели, Hg2Cl2", Кристаллография, т. 20, № 5, стр. 1062—1064, 1975.

87. М. Gottlieb, А. P. Goutzoulis, and N. В. Singh, "Fabrication and characterization of mercurous chloride acoustooptic devices", Appl. Opt., vol. 26, № 21, pp. 4681-4687, 1987.

88. Волошинов В. Б., Миронов О. В., Молчанов В. Я. и др., "Широкоапертур-ная акустооптическая спектральная фильтрация электромагнитного излучения", Письма в ЖТФ, т. 15, № 4, стр. 69-72, 1989.

89. Волошинов В. Б., Мишин Д. Д., Москера X. С., "Акустооптическая спектрально-поляризационная фильтрация оптических изображений", в сборнике Тезисы докл. 2 Всес. конф. <гОптическое изобраэюение и регистрирующие среды», 2, стр. 218-219, 1990.

90. L. J. Denes, М. Gottlieb, and В. Kaminsky, "Acousto-optic tunable filters in imaging applications", Opt. Eng., vol. 37, № 4, pp. 1262-1267, 1998.

91. J. Romier, J. Selves, and J. Gastellu-Etchegorry, "Imaging spectrometer based on an acousto-optic tunable filter", Review of Scientific Instruments, vol. 69, № 8, pp. 28592867, 1998.

92. V. B. Voloshinov and N. Gupta, "Acousto-optic imaging in the middle infrared region of spectrum", in 3rd International Conference on Optical Information Processing, vol. 3900 in ser. Proc. of SPIE, pp. 68-73, SPIE, 1999.

93. Азаматов 3. Т., Беликов И. Б., Волошинов В. Б. и др., "Сканирование световых пучков в кристалле парателлурита", Вестник Московского университета, сер. 3. Физ. Астр., т. 25, № 1, стр. 59-64, 1984.

94. V. В. Voloshinov and A.Yu. Tchernyatin, "Simultaneous up-shifted and down-shifted bragg diffraction in birefringent media ", J. Opt. A: Pure and Appl. Opt., vol. 2, № 5, pp. 389-394, 2000.

95. Епихин В. M., Визен Ф. Л., Пальцев Л. Л., "Акустооптическая фильтрация излучения с произвольной поляризацией", ЖТФ, т. 57, № 10, стр. 1910-1917, 1987.

96. Н. Lee, "Polarization-independent acoustooptic light modulation with large angular aperture", Appl. Opt., vol. 27, № 5, pp. 815-817, 1988.

97. Антонов С. H., Котов В. М., Сотников В. Н., "Брэгговские поляризационные расщепители света на основе кристалла Те02", ЖТФ, т. 61, № 1, стр. 168-173, 1991.

98. V. В. Voloshinov and V.Ya. Molchanov, "Acousto-optical modulation of radiation with arbitrary polarization direction", Optics and Laser Technology, vol. 27, № 5, pp. 307-313, 1995.

99. V. B. Voloshinov, "Appication of acousto-optic interaction for filtration of arbitrary polarized radiation", in Proc. the First Army Research Laboratory Acousto-Optic Tunable Filter Workshop, pp. 55-63, Adelphi, MD, USA: ARL, 1997.

100. Антонов C.H., "Акустооптические устройства управления неполяризованным светом и модуляторы поляризации на основе кристалла парателлурита", ЖТФ, т. 74, № 10, стр. 84-89, 2004.

101. D. A. Glenar, J.J. Hillman, В. Saif, and J. Bergstralh, "Acousto-optic imaging spec-tropolarimetry for remote sensing", Appl. Opt., vol. 33, № 31, pp. 7412-7424, 1994.

102. Волошинов В. Б., Молчанов В. Я., Бабкина Т. М., "Акустооитический фильтр неполяризованного электромагнитного излучения", ЖТФ, т. 70, № 9, стр. 93-98, 2000.

103. Чернятин А. Ю., Особенности брэгговского акустооптического взаимодействия в двулучепреломляющих средах. Дисс. канд. физ.-мат. наук, МГУ, Москва, 2002.

104. V. В. Voloshinov, "Anisotropic light diffracion on ultrasound in a tellurium dioxide single crystal", Ultrasonics, vol. 31, № 5, pp. 333-338, 1993.

105. V. B. Voloshinov and O.Yu. Makarov, "Bragg diffraction of light on ultrasound in acoustically anisotropic materials", Photonics and Optoelectronics, vol. 5, JY2 2, pp. 5361, 1998.

106. Волошинов В. Б., Миронов О. В., Троц Е. В., "Световые потоки на выходе перестраиваемых акустооптических фильтров", Оптика и спектроскопия, т. 71, N9 3, стр. 526-531, 1991.

107. R. Е. Fischer, В. Tadic-Galeb, and P. R. Yoder, Optical System Design, 2nd ed. New York: McGraw Hill, 2008.

108. V. B. Voloshinov and D.V. Bogomolov, "Acousto-optic processing of images in ultraviolet, visible and infrared regions of spectrum", vol. 5953 in ser. Proc. of SPIE, pp. 59530G (1-12), SPIE, 2005.

109. V. В. Voloshinov and N. Gupta, "Investigation of magnesium fluoride crystals for imaging acousto-optic tunable filter applications", Appl. Opt., vol. 45, № 13, pp. 31273135, 2006.

110. N. Gupta and V. B. Voloshinov, "Hyperspectral imaging performance of a Te02 acousto-optic tunable filter in the ultraviolet region", Opt. Lett., vol. 30, № 9, pp. 985987, 2004.

111. A. P. Goutzoulis and W. R. Beaudet, Transducer design, ch. 5, pp. 285-338. In A. Goutzoulis and D. Pape (33).

112. Wm. Hayden Smith and К. M. Smith, "A polarimetric spectral imager using acousto-optic tunable filters", Experimental Astronomy, vol. 1, № 5, pp. 329-343, 1990.

113. J.-L. Bertaux, D. Nevejans, O. Korablev et al., "SPICAV on Venus Express: three spectrometers to study the global structure and composition of the Venus atmosphere", Planetary and Space Science, vol. 55, № 12, pp. 1673-1700, 2007.

114. G. Georgiev, D.A. Glenar, and J.J. Hillman, "Spectral characterization of acousto-optic filters used in imaging spectroscopy", Appl. Opt., vol. 41, № 1, pp. 209-217, 2002.

115. K. W. Kirby and L. G. DeShazer, "Refractive indices of 14 nonlinear crystals isomorphic to KH2P04", J. Opt. Soc. Amer. В, vol. 4, № 7, pp. 1072-1078, 1987.

116. Пожар В. Э., Пустовойт В. И., "Последовательная коллинеарная дифракция света в нескольких акустооптических ячейках", Квантовая электроника, т. 15, № 10, стр. 2180-2182, 1985.

117. V.I. Pustovoit, V.E. Pozhar, М.М. Mazur et al., "Double-AOTF spectral imaging system", vol. 5953 in ser. Proc. of SPIE, pp. 59530P (1-4), SPIE, 2005.

118. Пустовойт В. И., Пожар В.Э., Отливанчик Е. А. и др., "Современные средства и методы акустооптической спектрометрии", Успехи современной радиоэлектроники, № 8, стр. 48-56, 2007.

119. С. Zhang, Zh. Zhang, Н. Wang, and Yu Yang, "Spectral resolution enhancement of acousto-optic tunable filter by double filtering", Opt. Express, vol. 16, № 4, pp. 1023410239, 2008.

120. Волошинов В. В., Магдич JI. Н., Князев Г. А., "Перестраиваемые акустооптичес-кие фильтры с многократным взаимодействием света и звука", Квантовая электроника, т. 35, № 11, стр. 1057-1063, 2005.

121. J.-W. You, J. Ahn, S. Kim, and D. Kim, "Efficient double-filtering with a single acoustooptic tunable filter", Opt. Express, vol. 16, № 26, pp. 21505-21511, 2008.

122. P. P. Banerjee, D. Cao, and T.-C. Poon, "Basic image-processing operations by use of acousto-optics", Appl. Opt., vol. 36, № 14, pp. 3086-3089, 1997.

123. D. Cao, P.P. Banerjee, and T.-C. Poon, "Image edge enhancement with two cascaded acousto-optic cells with contrapropagating sound", Appl. Opt., vol. 37, № 14, pp. 30073014, 1998.

124. Котов B.M., "Поляризационно-независимая модуляция лазерного излучения с помощью акустооптического взаимодействия", Квантовая электроника, т. 21, № 10, стр. 937-940, 1994.

125. A. Korpel, "Two-dimensional plane wave theory of strong acousto-optic interaction in isotropic media", J. Opt. Soc. Amer., vol. 69, № 5, pp. 678-683, 1979.

126. A. Korpel and Т. C. Poon, "Explicit formalism for acousto-optic multiple plane-wave scattering", J. Opt. Soc. Amer., vol. 70, № 7, pp. 817-820, 1980.

127. Т. C. Poon and A. Korpel, "Feynman diagram approach to acousto-optic scattering in the near-Bragg region", J. Opt. Soc. Amer., vol. 71, № 10, pp. 1202-1208, 1981.

128. G. P. Agrawal, Fiber-optic communication systems, 3rd ed. New York: Wiley, 2002.

129. A. D. Ellis, D. M. Patrick, D. Flannery et al., "Ultrarhigh-speed OTDM networks using semiconductor amplifier-based processing nodes", J. Lightwave Technol., vol. 13, № 5, pp. 761-770, 1995.

130. Ц0. B.H. Verbeek, С. H. Henry, N. A. Olsson et al., "Integrated four-channel Mach-Zehnder multi/demultiplexer fabricated with phosphorous doped Si02 waveguides on Si", J. Lightwave Technol, vol. 6, № 6, pp. 1011-1015, 1988.

131. Ц1. С. H. Henry, R. F. Kazarinov, Y. Shani et al., "Four-channel wavelength division multiplexers and bandpass filters based on elliptical Bragg reflectors", J. Lightwave Technol, vol. 8, № 5, pp. 748-755, 1990.

132. Ц2. M. K. Smit and C. van Dam, "PHASAR-based WDM-devices: Principles, design and applications", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 2, № 2, pp. 236-250, 1996.

133. D. C. Johnson, К. O. Hill, F. Bilodeau, and S. Faucher, "New design concept for a narrowband wavelength-selective optical tap and combiner", Electron. Lett., vol. 23, № 13, pp. 668-669, 1987.

134. F. Bilodeau, D. C. Johnson, S. Theriault et al., "An all-fiber dense wavelength-division multiplexer/demultiplexer using photoimprinted Bragg gratings", Photon. Technol Lett, vol. 7, № 4, pp. 388-390, 1995.

135. Y.K. Chen, C.J. Ни, С. C. Lee et al., "Low-crosstalk and compact optical add-drop multiplexer using a multiport circulator and fiber Bragg gratings", Photon. Technol. Lett, vol. 12, № 10, pp. 1394-1396, 2000.

136. Ц6. A. V. Tran, W. D. Zhong, R. C. Tucker, and R. Lauder, "Optical add-drop multiplexers with low crosstalk", Photon. Technol Lett., vol. 13, № 6, pp. 582-584, 2001.

137. D.A. Smith, J.E. Baran, J.J. Johnson, and K.W. Cheung, "Integrated-optic acoustically tunable filters for WDM networks", Selected Areas in Communications, vol. 8, № 6, pp. 1151-1159, 1990.

138. Ц8. J. Sapriel, D. Charissoux, V. B. Voloshinov, and V. Ya. Molchanov, "Tunable acousto-optic filters and equalizers for WDM applications", J. Lightwave Technol., vol. 20, № 5, pp. 892-899, 2002.

139. Ц9. J. Sapriel, V.Ya. Molchanov, G. Aubin, and S. Gosselin, "Acousto-optic switch for telecommunication networks", vol. 5828 in ser. Proc. of SPIE, pp. 68-75, SPIE, 2005.

140. Молчанов В. Я., Волошинов В. В., Макаров О.Ю., "Квазиколлинеарные перестраиваемые акустооптические фильтры для систем спектральнго уплотнения иселекции оптических каналов", Квантовая электроника, т. 39, № 4, стр. 353-360, 2009.

141. S. Antonov, A. Vainer, V. Proklov, and Yu. Rezvov, "Switch multiplexer of fiberoptic channels based on multibeam acousto-optic diffraction", Appl. Opt., vol. 48, № 7, pp. C171-C181, 2009.

142. D. L. Hecht, "Multifrequency acoustooptic diffraction", IEEE Trans. Sonics and JJl-trason., vol. 24, № 1, pp. 7-18, 1977.

143. R. V. Schmidt, "Acoustooptic interactions between guided optical waves and acoustic surface waves", IEEE Trans. Sonics and Ultrason., vol. 23, № 1, pp. 22-33, 1976.

144. H. Herrmann, K. Schafer, and C. Schmidt, "Low-loss tunable integrated acoustoopti-cal wavelength filter in LiNb03 with strong sidelobe suppression", Photon. Technol. Lett., vol. 10, № 1, pp. 120-122, 1998.

145. J. N. Blake, B. Y. Kim, H. E. Engan, and H. J. Shaw, "Analysis of intermodal coupling in a two-mode fiber with periodic microbends", Opt. Lett., vol. 12, № 4, pp. 281-283, 1987.

146. M. Berwick and D. A. Jackson, "Coaxial optical-fiber frequency shifter", Opt. Lett., vol. 17, № 4, pp. 270-272, 1992.

147. T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. O. Culverhouse, "The acousto-optic effect in single-mode fiber tapers and couplers", J. Lightwave Technol., vol. 14, № 11, pp. 25192529, 1996.

148. Рекомендация МСЭ-Т G.694.2 (12/2003), "Спектральные сетки для применения технологий WDM: сетка длин волн технологии CWDM". http://www.itu.int/ rec/T-REC-G.694.2-200312-1/, Международный союз электросвязи, Женева, 2004.

149. Публикации автора по теме работы

150. Al. V. В. Voloshinov, К. В. Yushkov, and В. Linde, "Improvement in performance of a ТеОэ acousto-optic imaging spectrometer", Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, vol. 9, № 4, pp. 341-347, 2007.

151. A2. V. B. Voloshinov, B. Linde, and К. B. Yushkov, "Acousto-optic processing of images in visible and ultraviolet light", European Physical Journal: Special Topics, vol. 154, pp. 225-228, 2008.

152. A3. V. B. Voloshinov and К. B. Yushkov, "Acousto-optic filters on potassium dihydrogen phosphate with optimal angle aperture and maximum beam deflection", Optical Engineering, vol. 47, № 7, pp. 073201 (1-7), 2008.

153. A4- Магдич JI. H., Юшков К. В., Волошинов В. В., "Широкоапертурная дифракция неполяризованного излучения в системе двух акустооптических фильтров", Квантовая электроника, т. 39, Nfl 4, стр. 347-352, 2009.

154. А5. J.-C. Kastelik, К. В. Yushkov, S. Dupont, and V.B. Voloshinov, "Cascaded acousto-optic system for modulation of unpolarized light", Optics Express, vol. 17, № 15, pp. 12767-12776, 2009.

155. A6. Анчуткин В. С., Вельский А. В., Волошинов В. В., Юшков К. В., "Акустооптичес-кий метод спектрально-поляризационного анализа изображений", Оптический журнал, т. 76, № 8, стр. 29-35, 2009.

156. AS. К.B. Yushkov, D.V. Bogomolov, and V.B. Voloshinov, "Acousto-optic imaging by means of wide angle tunable acousto-optic filter", Journal de Physique IV Prance, vol. 137, pp. 185-188, 2006.

157. А10. V. S. Anchyutlrin, A. B. Belsky, V. B. Voloshinov, and К. B. Yushkov, "Hyperspectral optical system with spatial separation of images possessing different polarization", vol. 7100 in ser. Proc. of SPIE, pp. 71001D (1-7), SPIE, 2008.

158. A16. K.B. Yushkov, "Image processing in the ultraviolet with KDP-based acousto-optic tunable filters", in X International Conference for Young Researchers: Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems. Preliminary

159. Program and Abstracts, p. 23, St. Petersburg: State University for Aerospace Instrumentation, 2007.

160. All. К. B. Yushkov, "Maximization of optical aperture in KDP-based acousto-optic imagers", in 10th School on Acousto-optics and Applications, p. 32, Gdansk, Poland: Institute of Experimental Physics, University of Gdansk, 2008.

161. A18. К. B. Yushkov, "Optimization of KDP-based acousto-optic imaging filters", Journal of Acoustical Society of America, vol. 123, JV® 5, Pt. 2, pp. 3144-3145, 2008.

162. A19. V. S. Anchyutkin, A. B. Belsky, V. B. Voloshinov, and К. B. Yushkov, "Hyperspectral optical system with spatial separation of images possessing different polarization", in Optical Systems Design, p. 28, Glasgow, UK: SPIE Europe, 2008.

163. A22. К. B. Yushkov, "Cascaded acousto-optic filtering of unpolarized light", in 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium. Abstract Book, p. 758, Rome, Italy: IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Society, 2009.1. Благодарности

164. Работа была выполнена при поддержке персональной стипендии Президента Российской Федерации.