Акустооптические датчики волнового фронта световой волны тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ6 ОД

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

~ д ВД'!

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени С.И. ВАВИЛОВА»

На правах рукописи УДК 535.241.13:534

РУМЯНЦЕВ Андрей Алексеевич

АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ВОЛНОВОГО ФРОНТА СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию акустооптических (АО) датчиков волнового фронта световой волны в схемах с прямым фотодетектированием и оптическим гетеродшщрованием.

Актуальность темы. В последнее время в оптике значительно расширился . круг задач, где работоспособность системы зависит главным образом от фазовых искажений светового пучка. К таким системам можно отнести:

— большие наземные телескопы, угловое разрешение которых ограничено атмосферной турбулентностью;

— большие космические орбитальные телескопы, подверженные переменным тепловым и гравитационным воздействиям; — оптические системы мощных лазеров, в которых волновые фронты деформируются из-за тепловых эффектов, атмосферной турбулентности и т. д.;

— информационные и измерительные лазерные системы, работающие в атмосфере и тд.

Качество и надежность работы таких систем можно существенно улучшить введением обратной связи. Системы, включающие в себя анализатор (датчик) волнового фронта, корректор, устроства обработки информации и управления корректором и действующие как единое целое, получили название адаптивных оптических систем.

Важнейшей частью адаптивной оптической системы является анализатор волнового фронта — устройство, измеряющее пространственно-временное распределение фазы исследуемого светового поля.

Существующие в настоящее время методы построения анализаторов волнового фронта лишь в той или иной степени удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям.

Новым направлением в решении задачи анализа фазовой структуры светового поля является применение АО взаимодействия. Отличительной особенностью АО метода является возможность преобразования фазового изображения в интенсивность уже в самом процессе дифракции света на ультразвуке, в сочетании с одновременным сканированием этого изображения.

Достоинствами АО метода также являются:

— высокое быстродействие, определяемое скоростью распространения звука в среде АО взаимодействия;

метрия АО взаимодействия сильнее влияет на пространственное разрешение при использовании АО развертывающих устройств (АРУС) в схемах с узкоапер-турными фотоприемниками.

3. Экспериментально показано, что фазовый АРУС на основе ячейки из кристалла парателлурита с широкоапертурным фотоприемником позволяет регистрировать световые поля с вариациями направлений волновой нормали в угловом диапазоне 2 мрад за время 12 мкс с пространственным разрешением 27 лин/мм и угловым разрешением 6-10" мрад. Исследованы реальные фазовые объекты со сложной пространственно-временной структурой.

4. Предложены и исследованы датчики волнового фронта с оптическим гетеродини-рованием, в которых АО устройства выполняют двойную функцию: сдвига временной частоты света и пространственного сканирования исследуемого светового поля. Рассчитаны и измерены их основные характеристики.

5. Предложен АО метод коррекции, восстановления и обращения волнового фронта световой волны при непосредственном использовании выходного сигнала АО датчика волнового фронта с АРУС в информационном плече интерферометра. Таким образом открывается возможность создания нового типа замкнутых адаптивных АО систем для обработки оптических полей.

Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты могут быть использованы для создания АО анализаторов волнового фронта и усройств контроля формы оптических поверхностей как на стадии изготовления, так и в процессе испытаний. Особый интерес вызывает возможность построения замкнутых АО информационных и адаптивных систем. На защиту выносятся следующие положения:

1. Экспериментально и теоретически показано, что при АО взаимодействии ограниченных волновых пучков сдвиг временной частоты дифрагированного света зависит от угла наблюдения и отношения размеров взаимодействующих пучков.

2. При АО взаимодействии ограниченных волновых пучков в промежуточном и брэгговском режимах угловая селективность взаимодействия приводит к увеличению сдвига частоты дифрагированного света по сравнению с раман-натовским режимом и зависимости этого сдвига от угла Брэгга.

3. Включение АО устройств в схемы с оптическим гетеродинированием сочетает сдвиг частоты оптического излучения с пространственным сканированием и позволяет измерять непосредственно фазовое распределение исследуемого светового поля с телевизионным быстродействием и разрешением.

тового пучков. Показано, что в случае длинных акустических цугов (й > ></) сдвиг временной частоты одинаков для всех составляющих углового спектра дифрагированного света и не зависит от отношения их размеров, типа и режима дифракции. Дифракционная эффективность в этом случае максимальна.

В случае коротких акустических цугов (Л < <с1) спектр акустического поля переносится в спектр дифрагированного света. Временная частота дифрагированного света зависит от угла наблюдения. Временная зависимость интегральной дифракционной эффективности повторяет пространственное распределение интенсивности светового пучка.

Промежуточный случай, когда размеры взаимодействующих пучков соизмеримы (А = (1),описывает переходный процесс, возникающий при заполнении ячейки акустическим цугом. В каждом направлении дифракции распространяется набор плоских волн с различными временными частотами. Результирующее колебание можно рассматривать как квазигармоническую волну, временная частота которой зависит от отношения размеров взаимодействующих волновых пучков, а также от режима дифракции. В раман-натовском режиме сдвиг частоты света зависит от угла наблюдения и отношения размеров пучков. Он линейно возрастает при отходе от оси дифрагированного пучка. Для осевой составляющей такая зависимость отсутствует.

В промежуточном и брэгговском режимах селективность АО взаимодействия приводит к увеличению сдвига частоты для всех внеосевых составляющих углового спектра дифрагированного света. Появляется зависимость от размеров и формы области АО взаимодействия, а также типа дифракции (изотропной или анизотропной). Показано,что в анизотропной среде возможна такая геометрия АО взаимодействия, что селективность практически не сказывается на частотном сдвиге.

В главе П теоретически и экспериментально исследуются АО методы регистрации амплитудной и фазовой структуры световых полей, основанные на использовании АРУС в схемах с прямым фотодетектированием. Рассматриваются два АО метода регистрации фазовой структуры световых полей: с узкоапертурным (1) и широкоапертурным (2) фотоприемником. Проводятся расчеты зависимости пространственного разрешения АРУС от геометрии и режима АО взаимодействия. Показано, что для методов (1) и (2) зависимость пространственного разрешения от параметра Гордона носит различный характер (рис.1). Выводятся формулы для коэффициентов преобразования фазового градиента в выходной сигнал фотоприемника для фазового АРУС. Проводится оценка предельной чув-

ваются измерения и алгоритм восстановления профиля реального фазового объекта при помощи АО датчика, собранного по схеме 3. Приводятся результаты экспериментальных исследований пространственно-временного спектра дифрагированного света при АО взаимодействии ограниченных волновых пучков. Проводится теоретическое исследование замкнутой АО системы анализа коррекции, восстановления и обращения волнового фронта световой волны при непосредственном использовании выходного элктрического сигнала АО датчика, собранного по схеме 2. Рассчитываются пространственно-частотные характеристики этой системы.

В заключении сформулированы основные достигнутые результаты.

Наиболее значительные результаты полученные в работе состоят в следующем:

1) Рассмотрено АО взаимодействие ограниченных волновых пучков. Показано,что для внеосевых составляющих пространственного спектра дифрагированного света существует зависимость временной частоты от соотношения размеров взаимодействующих пучков, а также от угла падения световой волны и угла наблюдения.

2) Показано, что при АО взаимодействии ограниченных пучков в промежуточном и брэгговском режимах селективность взаимодействия приводит к увеличению частотного сдвига дифрагированного света по сравнению с раман-натовским режимом. Появляется зависимость этого сдвига от размеров и формы области взаимодействия, а также от типа дифракции (изотропной или анизотропной). Теоретические результаты подтверждены экспериментально в схеме с оптическим гете-родинированием.

3) Проанализированы особенности регистрации фазовой структуры светового поля акустооптическим методом при прямом фотодетектировании в схемах с уз-коапертурным и широкоапертурным фотоприемниками. Показано, что в обоих случаях непосредственно измеряется распределение фазового градиента, но в первом варианте диапазон регистрации локальных направлений волновой нормали обратно пропорционален длине считывающего акустического цуга, а во втором — длине АО взаимодействия. Проведена оценка предельной чувствительности для обоих вариантов. Показано, что максимальное число измеряемых направлений волновой нормали обратно пропорционально скорости съема информации в степени 3/2. Установлено различие в характере зависимости пространственного разрешения фазовых АРУС от параметра Гордона при использовании узкоапертурного и широкоапертурного фотоприемников.

1 - лазер; 2 - телескопическая система; 3 - исследуемый объект; 4 - фотоприемник

Рис.4

1 - лазер; 2 - телескопическая система; 3 - исследуемый объект; 4 - фотоприемник

8) Показано,что выходной сигнал АО системы анализа волнового фронта в схеме 2 может быть непосредственно использован для осуществления операций коррекции, восстановления и обращения волнового фронта световой волны. Таким образом, открывается возможность создания замкнутых адаптивных АО систем для обработки оптических полей.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Балакший В.И., Евтеев Г.В., Леонов О.Г., Парыгин В.Н., Румянцев А А. Акустические датчики для анализа, коррекции и фазового сопряжения волнового фронта световой волны. Сб. докладов III Всесоюзного семинара «Твердотельные волновые датчики для прецезионного машиностроения». Каунас: 1990 г., стр. 102-104.

2. Балакший В.И., Куляшов К.Ю., Парыгин В.Н., Румянцев АА. Акустооптические системы анализа, коррекции и обращения волнового фронта световой волны. Оптика и спектроскопия, 1991 г., т. 70, вып. 5 стр. 1131-1136.

3. Балакший В.И., Балакин Л.В., Румянцев АА., Федоровский СЛ. Датчик волнового фронта с акустооптической развёрткой светового поля. Оптика и спектроскопия, 1991 г., т. 71, вып. 6, стр. 197-201.

4. Балакший В.И., Евтеев Г.В., Парыгин В.Н., Румянцев А А. Анализ волнового фронта световой волны при АО взаимодействии в схеме с оптическим гетеродини-рованием. Оптика и спектроскопия, 1994 г., т. 76, N4, стр. 51-54.

5. Прохоров AM., Румянцев АА. Анализатор волнового фронта на основе АО взаимодействия. Тезисы докладов V Всесоюзного симпозиума «Методы теории инденти-фикации в задачах измерительной техники и метрологии» Новосибирск, 1989 г., стр. 253-254.

6. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Прохоров А.М., Румянцев АА. Анализатор волнового фронта. Тезисы докладов Всесоюзной конференции оптика лазеров, Л.: 1990 г., стр. 335.

7. Балакший В.И., Евтеев Г.В., Парыгин В.Н., Румянцев АА. Акустооптическая адаптивная система анализа, формирования и коррекции оптического изображения. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции «Оптическое изображение и регистрирующие среды». Л.: 1990 г., т. 1., стр. 55-56.

8. Балакший В.И., Румянцев АА., Федоровский СЛ. Применение АРУС для исследования амплитудно-фазовой структуры светового поля. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». М.: 1990 г., стр. 257.

Подписано к печати

Печать офсетная. Усл. печ. л.

Тираж 60 экз.Заказ К0 854 от 13.04.94

Формат 60X84/16. Уч. -изд. л.

Тип. ВНЦ. ГОИ .Бесплатно.