Анизотропные акустооптические дефлекторы и модуляторы света для систем записи и воспроизведения информации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

П

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ

На правах рукописи

ТРУБЕЦКОЙ АНАТОЛИЯ ВАСИЛЬЕВИЧ

уда 535.317.1

АНИЗОТРОПНЫЕ АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ДЕВДЕКГОРЫ И ЮДШТОРЫ СВЕТА ДЛЯ СИСТЕМ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕдаНШ ИНФОРМАЦИИ

01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1990 г.

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения АН СССР.

Научный руководитель: доктор технических наук

Л.Е.Твердохлеб

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

Кулаков C.B.

профессор, доктор технических наук ПугоЕкнн A.B.

Ведущаиг организация - Московский государственный университет им. М.Б.Ломоносова

Защита состоится "_" _ 1990 г, в_часов

на заседании специализированного совета К 003.06.01 в Институте автоматики и электрометрии СО АН СССР (630090, Новосибирск--90, Университетский пр. I).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и электрометрии СО АН СССР.

Автореферат разослан "__" _ 1990 г.

Ученый секретарь

специализированного совета кандидат физико-математических наук

Фолин К.Г.

..... 1

I

т ч 1чОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

"рсзрг^;!^

Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется разработке лазерных систем записи и воспроизведения информации, отличающихся высокой скорость*) и плотностью записи данных. Примерами таких систем являются долговременные голог-рафические запоминающие устройства (ГЗУ) большой емкости, скоростные голографические регистраторы (СГР) цифровых данных и лазерные фотопостроители (ЛФЛ) высокоинформативных изображений.

Для управления параметрами световых пучков в указанных системах необходимы акустооптические дефлекторы (АОД) и акусто-оптические модуляторы (АОМ), которые должны удовлетворять ряду специальных требований.

Так, АОД в составе ГЗУ должен выполнять адресацию светового пучка не менее, чем в 32x32 позиции. При этом необходимо обеспечить высокую дифракционную эффективность АОД ^ 50 %, отношение сигнал/фон > 30:1, малый разброс интенсивности световых пучков по позициям ( 4 20 %), и заданные параметры световых пучков в плоскости матрицы голограмм.

В ДФП требуются АОД, выполняющие скоростную генерацию фрагментов высокоинформативных изображений. В отличие от ГЗУ, в ЛФП необходимо обеспечить разрешаюцую способность АОД в пределах от 300 до 2000 позиций.

В СГР необходимы многочастотнье АОМ, выполняющие параллельную амплитудную или фазовую модуляцию множества световых пучков и являющиеся элементами ввода-вывода информации. Причем, в ряде случаев требуются АОМ со встречными акустическими пучками (АОМ ВАЛ), обеспечивающие компенсацию сдвига частоты дифрагированного света. Требуемые характеристики АОМ: количество одновременно генерируемых световых пучков - 32, скорость ввода информации ^ 32 М5ит/сек. Кроме того, к таким АОМ предъявляются требования по величине взаимного влияния модулируемых световых пучков (эффекты кросс-модуляции и интермодуляции при дифракции све'д на многочастотном акустическом пучке).

Для применения в указанных системах наиболее перспективны анизотропные АОД и АОМ, в частности, на кристаллах парателлури-та (ТеС^), использующие аномальную дифракцию света (дифракцию с преобразованием поляризации света). Их преимущество - широкая

полоса акустических частот дифракции света при высокой эффективности дифракции в режиме Брэгга. Однако, известные анизотропные акустооптические ячейки (АОЯ) несимметричного (неаксиального) типа на ТеО^ рассчитаны только на длину волны Не -Мб лазера (0,63мкм) и, главное,не удовлетворяют комплексу функциональных, системных и других требований сформулированному выше. Это связано с недостаточной изученностью ряда практически важных режимов и уловий дифракции света на звуке в анизотропных сре^ дах. В частности, не изучен режим аномальной дифракции света на множестве акустических волн с различными частотами, не определены оптимальные условия дифракции света на звуке в одноосных оптических активных кристаллах для случая встречных акустических пучков и для случая различных длин волн света, не исследованы условия и способы повышения разрешающей способности АОД.

Поэтояу, теыа диссертации, направленная на решение указанных вопросов яачяется актуальной.

Цель работы - исследование специальных режимов и условий дифракции света на звуке в анизотропных средах и разработка (на основе полученных результатов) анизотропных АОД и АОМ с новыми возможностями и существенно улучшенными характеристиками для систем записи и воспроизведения информации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) теоретически и экспериментально исследовать особенности аномальной дафракции света на множестве акустических волн с разными частотами в анизотропной среде и, исходя из полученных результатов, провести расчет и оптимизацию основных параметров шогочастотнкх АОМ.

2) разработать инженерную методику расчета на ЭВМ характерных углов и частот аномальной дифракции света на звуке в одноосных оптически активных кристаллах с целью разработки анизотропных АОЯ на ТеС^ для различных длин волн света.

3) предложить и исследовать геометрию взаимодействия света с двумя встречными акустическими пучками, пригодную для использования в АОМ ВАЛ.

4) исследовать аберрации анаморфотных призменных оптических систем высокоразрешаюцих АОД и предложить системы с исправленными аберрациям и повышенным коэффициентом анаморфозы.

5) разработать принципы повышения разрешающей способности АОД за счет каскадирования нескольких анизотропных АОЯ.

6) создать образцы анизотропных АОД несимметричного типа на ТеОг? для различных длин волн света, анизотропных шюгочас-готных АОЫ и АОМ ВАП на ТеО^, АОД с повышенным разрешением, удовлетворяющие требованиям ГЗУ, ЛФП и СГР,

Научная новизна. В работе впервые определены зависимости основных характеристик многочастотных анизотропных АОМ - дифракционной эффективности, коаффлциента кросс-модуллции, отношений сигнал/интермодуляционный фон 2-го и 3-го порядков от параметров геометрии акустооптического взаимодействия и ремима работы АОМ, а также предложены методики уточненного расчета характерных углов и частот аномальной широкополосной дифракции света на акустической волне, выбора и расчета геометрии широкополосного взаимодействия света со встречными акустическими волнами в одноосных оптически активных кристаллах, исправления аберраций позиционирования световых пучков в призменных оптических системах АОД. Кроме того, предложены и разработаны новые элементы акустооптическях систем: многочастотные анизотропные АОМ и АОМ ВАП на кристаллах ТеО^, анизотропные АОД несимметричного типа на ТеО^, оптимизированные ка различные длины волн света, каскадные анизотропные АОД с пошпенным разрешением, призменные оптические системы АОД с исправленными аберрациями.

Практическая значимость. Результата исследований доведены до уровня инженерных методик: а) оптимизации геометрии взаимодействия волн, характеристик л режимов работы кногочастотньпс АОМ, АОМ ВАП и АОД на одноосных оптически активных кристаллах, ¿/расчета и проектирования анаморфотных призменных оптических систем АОД с исправленными аберрациями и каскадных оптических систем анизотропных АОД с повшенным разреаением.

На основе полученных результатов созданы и апробированы образцы анизотропных АОД несимметричного типа для различных длин волн света, анизотропных АОМ ВАП и многочастотных АОМ на кристаллах ТеО^, которые удовлетворяет комплексу требований систем записи и воспроизведения информации.

Полученные в работе результаты могут быть использованы также при создании анизотропных АОД и АОМ не только на ТеО^, но и

на других одноосных кристаллах.

На защиту вгшосятся:

1) Результаты теоретического и-экспериментального исследования аномальной дифракции света на ыно&естве акустических волн с разными частота!® (позволяют определять для анизотропных АОМ с кногочастотнкы управлением величины дифракционной эффективности, коэффициента кросс-ыодуляции, отновения сигнал/ интермодуляционный фон и выбирать оптимальные характеристики

н режим работы таких АОМ).

2) Методика инженерного расчета на ЭВМ характерных углов и частот аномальной дифракции света на звуке в одноосных оптически активных кристаллах (по сравнению с известной, предла-гаеыая методика обеспечивает более точные результаты, особенно, для коротких длин волн света).

3) Предложенная геометрия внеосевого акустооптического взаимодействия для А(Ж ВАЛ на одноосных оптически активных кристаллах ( позволяет рваяизоьать широкополосную дифракцию света на двух встречных акустических пучках с возможностью перестройки средней акустической частоты дифракции света). Аналитические выражения для расчета характерных углов и частот в АОМ ВАП и угла поляризации света.

4) Методика уменьшения аберраций позиционирования световых пучков в ананорфотннх призменных оптических системах АОД.

5) Способ повышения разрешающей способности АОД за счет каскадирования анизотропных АОЯ и поляризационных призм.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы использованы в ИАиЭ СЮ АН СССР при разработке новых информационных технологий. Они позволили подтвердить возможность создания ГЗУ (емкость Ю^-Ю12 бит), ЛФП (разрешение 105хЮ5 элементов) и СГР (скорость записи дагшых - 64 Мбит/сек). Кроме того, результаты исследований кашли практическое применение на предприятии п/я В-9552 и Куйбышевском филиале ФИ АН СССР.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1-й Всесоюзной конференции по радиооптике (г. Фрунзе, 1981 г.), 5-й Всесоюзной школе по оптической обработке информации ((г. Киев, 1934 г.), 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы развития радиооптики" (г. Тбилиси, 1935 г.) и 3-й Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике "Проб- 6 -

леыы оптической памяти" ( г. Ереван, 1987 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 статей и докладов, получено авторское свидетельство.

Структура и объем диссортации. Диссертация состоит из предисловия, введения, четырех глав, заключения, списка литературы, и приложений I и 2. Основной текст работы изложен на 153 страницах, рисунки и таблицы занимают 26 страниц, список литературы (104 наименований) - 12 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В предисловии обоснована актуальность темы диссертации, сфорцулированы научные задачи и защищаемые положения.

Во введении выполнен обзор литературы по теме работы и обоснован выбор научных задач.

Первая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию аномальной широкополосной дифракции света на совокупности акустических волн с разшки" частотами в оптически одноосных средах /1,2/. Особенность!) таких сред является значительное различие в условиях фазового согласования световых волн разных порядков дифракции, которое оказывает существенное влияние на характеристики АОМ в режиме многочастотного уп« равления. Получены приближенные ^ырааения для амплитуд световых волн, дифрагированных на многочастотном акустической пучке, проведены расчет и оптимизация основных параметров многочаетот-ных анизотропных АОМ. Результаты расчетов подтверждены экспериментами. Создана образцы анизотропных АОМ на TeOg для СГР /2/.

Решена задача дифракции света на звуке в режиме Брэгга в предположении, что в среде распространяется сумма N акустических волн с одинаковыми амплитудами, случайными взаимными фазахм и круговыми частотами (/1=1,2,3,N), образукцюи сетку с постоянным частотным шагом А . Выбрана геометрия взаимо-» действия, исключающая возможность зффективной дифракции света во 2-й порядок с двукратным повышением или понижением частоты. Решение уравнения Максвелла для поля световых волн в области взаимодействия ищется в виде суммы полей плоских волн с амплитудами а о ,CLfi, Oinrrf 0-птк> зависящими от координаты Z вдоль влины взаимодействия, где индексы 1Ъ , ГИ , К =1,2,3, N . Причем, ашлитуда CLq соответствует падающей свето-

еой волне, ¿¿/г- сигнальным световым волнам однократной дифракции в 1-м порядке, О-пгп - парциальным волнам двухкратной дифракции, образовавшимся в результате обратного рассеяния (Ъ -й сигнальной волны на ГП. - й акустической волне (П. 7 (71) в окрестность 0-го порядка; О-пгпк ~ парциальным волнам трехкратной дифракции, возникшим из-за повторного рассеяния ПГП. - й волны двукратной дифракции на К -й акустической волне (1714 К) в окрестность 1-го порядка. Указанным волкам соответствуют круговые частоты Шп = Шо +• £>п, (^пт = ^о + ^лш* = + + £1п-£?т+ £2к , где Ю0 - частота падающей световой волны. Парциальные волны двукратной дифракции образуют интермодуляционные (ИМ) световые пучки 2-го порядка, которые располагаются в окрестности пучка 0-го порядка. Парциальные волны трехкратной дифракции создают ИМ пучки 3-го порядка, которые накладываются на пучки 1-го порядка. Получена следующая система уравнений для амплитуд:

/ Д

= - ¡-¿г, х ап а)

П—1

•W

Iff и 'П ^Чь - -J .. ~ ~ N

N

+ if-, £ О-пт (Z)

dnm+ WnmO-twi^-Wdn-iZLX. &птк (3}

^-Ш^^'^лткО-пте - -¿J£ (4)

где "штрих" означает производную нормированных амплитуд по координате Z , - коэффициент связи волн, пропорциональный амплитуде отдельной акустической волны, Уд , Угт. > Уптк - рассогласования волновых векторов для волн в 1-м, 2-м и 3-й порядках дифракции. В случае широкополосной геометрии взаимодействия в одноосном кристалле можно положить Ул = Уппък =0, а значение ^гип |,!ОЖ:НО аппроксимировать выражением (ft. -m)JZA/V,

где V - скорость звука, a jS -3ltl VfCOS ( + Я'), причем V - угол между волновыми векторами акустических волн и касательной прямой к поверхности волнового вектора падающей световой волны, а &£ - угол между волновым и лучевым векторами акустических волн.

- В -

Получено приближенное решение системы С1-4) для практически важного случая малой интенсивности ИМ пучков 3-го порядка в сравнении с интенсивностью сигнальных световых пучков. В этом случае можно опустить 2-й член в правой части (3). Затем, учитывая выражение для Vom » можем воспользоваться известным решением системы уравнений (1-3) для амплитуды ö-д > которое справедливо при большом числе частот N . Это внраженнг цтл О.а подставляем в правуп часть уравнения (3) (где не учитываем 2-й член) к, после интегрирования, получаем выражение для амплитуды О-пт- Полученное выражение для Q^jподставляем в (4), интегрируем и находим приближенное выражение для dnmjc

Из-за случайного распределения баз акустических волн парциальные волны многократной дифракции при образовании ИМ световых пучков складываются по интенсивности. Средняя интенсивность 0£> ИЫ световогогогчяа 2-го порядка с индексом £ равна суше интенсивностей (Liwi по индексам П. , ГП , удовлетворяс-щим равенству П = £. , Средняя интенсивность ИМ световых пучков 3-го порядка Ср с индексом р равна сумме интенсивнос-тей &птк по индекса» И , П7 , К , удовлетворяющим равенству И-П2+ К = р . Результаты расчетов и экспериментов показывают, что распределение интенсавностей световых пучков в частотной плоскости имеет вид, показаний на рис. I. ИИ пучки

2-го порядка с индексам» £ = ± I, ближайшие к пучку 0-го порядка, имев? наибольшую интенсивность. С увеличением £ интенсивность Bf быстро уменьшается, особенно для больиих значений длины взаимодействия d. и параметра ß . Так как в анизотропных АОМ значения daß относительно велики, то в таких АОМ,

в отличие от изотропных АОМ, наблюдается ограниченное число ИМ пучков 2-го порядка и снижается интенсивность ИМ пучков

3-го порядка.

Полученные выражения для амплитуд световых волн позволяют рассчитать основные параметры кногочастотных анизотропных АОМ.

а) Дифракционная эффективность ~ П , находится из выражения ч - = .

б) Коэффициент кросс-модуляции - К . Эффект кросс-модуляции проявляется в том, что интенсивность отдельного сигнального светового пучка возрастает при. уменьшении числа, частот N . За коэффициент кросс-модуляции принимаем степень возрас-

aï

i i i 1 f

tí

LÍ_l

\SJF3

1 Щ ' л/г i Puc.3 *

я/4 ж/г ç Pac A *

Рис. 5

m

тания 0-п в процентах при уменьшении числа частот от /V до I, т.е. К = 100 % & - Q-i )/ Oln •

в) Отношение сигнал/интермодуляционный фон 2-го порядка -

- S/Fz . Этот параметр определим как отношение интенсивности одного из сигнальных световых пучков к средней интенсивности ИМ пучка 2-го порядка с индексом -6 =1, т.е. .

г) Отношение сигнал/интермодуляционный фон 3-го порядка -

- SjFз . Данный параметр равен отношению интенсивности одного из сигнальных световых пучков к средней интенсивности центрального ИМ пучка 3-го порядка, т.е.

Расчет указанных характеристик АОМ проведен на ЭВ!Д в зависимости от параметра ^ = ¿t(LN1^z , который равен среднеквадратичной фазовой модуляции среды акустическими волнами, и параметра

который совпадает с максимальным фазовым рассогласованием для волн двукратной дифракции в окрестности 0-го порядка. Результаты расчета представлены на графиках рис. 2-5. Можно видеть, что с ростом фазовой модуляции значения ^ и К возрастают, а значения SfFz и падают.

Причем, для меньших значений фазового рассогласования t получается меньшие значения ^ > S/F3 и большие значения К . При постоянных значениях f. и t параметры AQM не зависят от числа частот /V . На практике для увеличения отношения 5/Гз целесообразно выбирать большие значения t . Для этого необхо,-димо применять геометрию- взаимодействия с максимальным углом V и выбирать максимально возможные длину взаикодействия (L и частотный шаг Д . Снижение коэффициента кросс-модуляции К достигается путем уменьшения значения ^ , т.е. путем ограничения дифракционной эффективности АОИ.

Для проверки правильности результатов расчета проведено экспериментальное измерение параметров АОМ на TeOg, который управлялся сигналом, содержащим суиму 16-ти частот, и в котором параметр ~t = 30. Измеренные значешш, показанные на рис. 2-5 кружками, удовлетворительно согласуются с данными расчета.

На основе проведенных исследований разработаны многочастотные анизотропные АОМ на TeOg для дайн волн полупроводниковых (ПП) лазеров 0,67 и 0,68 мкм, удовлетворяющие требованиям работы в составе СГР. АОМ иизят полосу частот 64 Мгц, фазовое рассогласование t =60 (при числе частот N =32). АОМ обеспе-

чивают параллельную модуляцию 32-х световых пучков с высоким отноиениеи сигнал-интермодуляциошьй фон 3-го порядка > 100:1 при дифракционной эффективности ^ 55 % и малый коэффициентом кросс-модуляции ^ 10 % при дифракционной эффективности 4 20%.

Во второй главе разработана методика инженерного расчета на ЭВИ характерных углов и частот аномальной дифракции света на звуке в одноосных оптически активных кристаллах /3/. В отличие от известной, данная методика позволяет получать более точные результаты, особенно, дня коротких длин волн света, что подтверждено в процессе разработки и создания образцов .анизотропных АОД и АОМ несимметричного типа на кристаллах TeOg для различных длин волн света /3,4/. Предложена геометрия ннеосе-вого взаимодействия воля для АОМ ВАП на' одноосном оптически активном.кристалле и получены выражения для расчета характерных углов и частот дифракции света на звуке, позволившие создать образцы анизотропных АОМ ВАП на кристаллах TeOg /5,6/.

При проектировании анизотропных АОД и АОМ несимметричного типа для различных длин волн света необходимо определить два возможных угла 0< , вг распространения падающего света по отношению к оптической оси кристалла, соответствующие средние частоты дифракции -fj , -f2 а также частоту вырождения -рз. Предложена следующая методика расчета данных параметров. Угол

распространения акустической волны по отношению к плоскости, перпендикулярной оптической оси кристалла считаем заданным. При этом, углы Qi ,62. находим из численного решения на ЭВМ уравнения

П,(в) = П2{Ва)/С0^(в-да) (ь)

относительно угла Q , где iii,П2 - показатели преломления кристалла. Причем, применяем уточненные зависимости показателей преломления от угла В , полученные в классической теории пространственной дисперсии кристаллов. В машинной программе для решения (t>) задается ряд последовательных значений В , изменяющихся на величину шага Н , и.для каждого в вычисляется разность Ю между левой и правой частями уравнения (о). В момент, когда Ю меняет знак, шаг Н делятся пополам, его-знак меняется на противоположный и процесс вычислений продолжается

до тех пор, пока не выполнится условие Ю ^ 10"^. При этом текущее значение угла В принимается за решение (5). Средние частоты и частота вырождения находятся по формулам:

Аг^ПгСвоЩфа-в^/л ;

Выполнен расчет значений &1 , &г , ~fi , fz , /з n TeOg для различных длин волн -Л и углов 9ц . Эксперименты по измерению частот -f* в TeOg показали совпадение расчетных и экспериментальных значений с точностью не -хуже I %. Для длин волн 0,63-0,36 ты значения частот оказываются на 10-20 % меньше, чем полученные по известной методике расчета. Применение предложенной методики расчета позволяет увеличить процент выхода годных изделий,при изготовлении АОД и LQM.

Из анализа полученных значений характерных частот, а также данные по затуханию звука в TeOg показано, что для излучения с длинами волн Л 0,8 мки целесообразно применять "низкочастотную" геометрию.взаимодействия с углом 81 и частотой -pi , а для излучения с длинами волн Л > 0,8 мкм может применяться "высокочастотная" геометрия взаимодействия с углом 6Ь и частотой -fz -

На основа расчета характерных углов и частот дифракции созданы образцы ячеек анизотропных АОД и AQU несимметричного типа на TeOg для различных длин волн лазеров, использующие дифракцию света на сдвиговой акустической волне. Для аргонового лазера в образцах АОД о углом &а = 6° выбрано Qi --1,35°, f1 =89 Мгц (для Я =0,488 мкм) и 6i =4,37°, fi = 82,8 Мгц (для Л =0,5145 мкм). Полоса частот ячеек при дифракционной эффективности ^ -75 %, управляющей мощности Р =1 Вт и неравномерности эффективности дифракции в полосе частот Ai|=20 % составляет Af =45-50 Мгц. Разрешающая способность по критения Рэлея при алертурном времени f =10 мкеек равно N =300 позиций. Для ПП лазера (Л =0,8У мкм) в образцах АОД выбрана' "высокочастотная" конструкция с углеш ва =6°, 02=9,16° и частотой j-^=91,2 Мгц. При этом были обеспечены: Л^р =35 Мгц, Ч =55 %, р =1 BT, Aq=Z0 %, N =360 (при Г =10 икс). АОД удовлетворяют требованиям работы в составе ГЗУ и JIM. В многочастотных АОМ на Те02 были получены 6ß =11,4°, в 1 =8,4°, f,=96 Мгц для Я =C,td7 мкм и &а =¿>,25°, 0, =6,84°, р =96 Кгц для -Я =0,со мкм. В режиме одночастотного управления создан- Ь -

ные АОМ обеспечивали Af=64 Ыгц, 1 =70 % при Р =1 Вт, Щ = =30 %. Характеристики этих АОМ в многочастотноы режиме приведены в главе I.

Для АОМ ВАЛ на одноосноы кристалле предложена геометрия взаимодействия, особенностью которой является то, что оптическая ось кристалла не совпадает с плоскостью дифракции света. При этом, волновой вектор Ко падающего света направлен под углом в к оптической оси кристалла, а волновые вектора С), ,

двух встречных акустических волн направлены углом 9а. к плоскости, перпендикулярной оптической оси, и касаются поверхности волновых векторов дифрагированного света в двух точках, симметричных относительно Ко . В такой геометрии реализуется широкополосная дифракция света на обеих акустических пучках. Причем, выбирая соответствующее значение угла 9 , можно получать заданное значение средней частоты дифракции. Из анализа геометрии взаимодействия получены аналитические выражения для расчета угла 9а , средней частоты дифракции -fc и частоты вырождения в зависимости от угла в и параметров кристалла. Кроме того, найдено выражение для расчета угла между плоскостью поляризации падающего и дифрагированного света.

На основе предложенной геометрии взаимодействия и результатов расчета характерных углов и частот созданы образцы ячеек анизотропных А.0Ы ВАЛ на TeOg, применяющие дифракцию света на двух встречных сдвиговых акустических волнах. Ячейки рассчитаны на излучение ПП лазера (Л =0,89 мкм). Выбраны значения углов в =10°, 6а =3,7°, обеспечивающие среднюю частоту -рс =100 Мгц и частоту вырождения fa =110 Мгц. В АОМ ВАЛ получена полоса акустических частот 60 Мгц (для каждого акустического пучка) с дифракционной эффективностью до 50 % (на каждом пучке в отдельности) и управляющей мощностью 0,3 Вт на один канал» При управлении обеих каналов АОМ ВАП сигналами с близкими частотами наблюдаются два дифрагированных световых пучка'с близкими значениями сдвига частоты света.

Третья глава посвящена анализу аберраций позиционирования световых пучков в анаморфотных приэменных оптических системах высокоразрешающих АОД и разработке таких систем с компенсированными аберрациями /7/, а также разработке принципов построения каскадных оптических систем анизотропных АОД с повышенным

разрешением /8/.

В АОД с повышенной разрешающей способностью необходимо применять ячейки со световой апертурой, увеличенной в направлении распространения звука (прямоугольной апертурой). Поэтому, создание таких АОД требует разработки анаморфотных оптических систем, в частности, призменных, которые отличаются простотой и малыми габаритагди. В таких системах обычно используются звенья из двух призм, которые преобразуют световой пучок с круглым сечением в пучок с эллиптическим сечением и обратно.

Аберрации первого рода в призмекной системе возникают при отклонении светового пучка по углу в главной плоскости звена из двух призм. Показано, что зависимость угла отклонения пучка на выходе двух призм от угла на входе мокет быть представлена степенным рядом. При этом установлено, что коэффициент лри квадратичном члене становится равным нулю, если выполняется условие 0-2/А | = О. г А а , где А< ;Аг - коэффициенты анаморфозы призм 1,2 в звене из двух призм (коэффициенты расширения пучка) , а 0.1 , ¿2-2 - производные коэффициентов анаморфозы призм по углу падения светового пучка на преломляющую поверхность. Для выполнения этого условия необходимо выбрать соответствующие, не равные друг другу, углы р,0 и Ргя при вершках призм I и 2, При этом, углы преломления Хю я Х29 на наклонных поверхностях призм 1,2 (в воздухе) также не равны друг другу. Расчет для призм из стекла К8 с показателем преломления Я = 1,52 показывает, что при таком выборе углов призм допустимый диапазон углов отклонения пучка в АОЯ расширяется примерно в 4 раза и достигает величины 30 мрад при А< Аг -4, числе позиций N~ =32 и ошибке позиционирования по отношению к шагу между позициями 6 = 10 %. С увеличением числа позиций N пропорционально возрастает ошибка б . В связи с этим, призмениая система с компенсацией аберраций первого рода может применяться только в АОД, не требующих высокой точности позиционирования, например, при воспроизведении визуальной информации.

Аберрации второго рода возникают при отклонении светового пучка по углу в плоскости, перпендикулярной главной плоскости звена из двух призм. Установлено, что в этом случае оаибка при преломлении косых световых пучков на наклонных поверхностях призм устраняется практически полностью, если обес-

печигь условие tg(flгe)/A1~tg(pw) • Для этого необходимо выбрать соответствующие углы рхо Рю и углы > Ьо . Численные расчеты на ЭВМ показывают, что при таком выборе углов ошибки позиционирования пучков оказываются пренебрежимо нальши в пшроком диапазоне углов отклонения пучка, достигающем 15°-20°, и коэффициенте анаморфозы А1 Аг = 4. Поэтому, данный метод компенсации аберраций пригоден для прецизионных систем отклонения.

Экспериментально исследованы призменные системы двухкоор-динатных АОД с компенсацией аберраций первого рода. Наклонная поверхность одной из призм в звене просветлялась покрытием А /4 из 7л5 , благодаря чему потери света на этой поверхности не превклали 2,5 %. В системах получено значение коэффициента анаморфозы А,А2= 6.

Анаморфотные призменные системы с компенсированными аберрациями рекомендовано применять в АОД, обеспечивающих > 1000 позиций отклонения (по Рэлею). Ячейки на ТеО£ с таким разрешением долины иметь длину апертуры ^ 13 мм (апертурное вреш Г »20 мксек) и высоту апертуры Н 4 5-6 мм (управляющая мощность Р 4 I Вт). Поэтому для таких АОД коэффициент анаморфозы призменной системы ^ 2,5.

Максимальная разрешающая способность АОД при заданном апертурном времени V ограничена затуханием звука в среде на высоких частотах. Для повышения разрешающей способности АОД в !Л раз сверх предела, установленного затуханием звука, предложена каскадная оптическая система-, содержащая М последовательно установленных анизотропных АОЯ и Л1 -I поляризационных призм, расположенных между АОЯ. Один из вариантов такой системы при М = 3 показан-на рис. 6, где 1,3,5 - анизотропные АОЯ, 2,4 - поляризационные призмы Ротона или Волластона, 0- обьек-тив, фокусирующий световые пучки в плоскость сканирования. В анизотропных АОЯ 1,3,5 прошедший и дифрагированный световые пучки имеют ортогональные поляризации, поэтому они отклоняются призмами на разные углы. В результате этого изменяется позиция дифрагированного пучка в выходной плоскости. АОЯ 1,3,5, подключаются поочередно к общему источнику управляющего сигнала, в результате чего происходит поочередное сканирование различных областей в выходной плоскости. При применении в каскадном АОД анизотропных АОЯ несимметричного типа на ТеОг, необходи-

Рис.6

мо учитывать остаточную эллиптичность поляризации световых пучков в АОЯ из-за оптической активности кристалла, которая особенно заметна для света с Л 4 0,8 мям. Эллиптичность поляризации приводит к возникновению в выходной плоскости АОД шумовых световых пучков. Полное подавление пумовых световых пучков в этом случае возможно только в двухкаскадном АОД на Те0£ с поляризационным фильтром на выходе. Возможность существенного повышения разрешающей способности АОД подтверждена экспериментально путем создания макета каскадного АОД, содержащего две АОЯ на Те02» призму Волластона и поляризационный фильтр.

В четвертой главе приведены результаты исследования работы АОД на Те02 в составе ГЗУ /3,9-11/ и ЛФ11 /12-14/, а также рассмотрены особенности применения многсчастотных анизотропных АОМ и АОМ ВАП в СГР.

Ка основе анизотропных АОЯ на Те02 разработан двухкоорди-натный АОД для действующего макета ГЗУ. АОД, в отличие от дефлекторов > на кристаллах: НРС-5 и молибдата свинца, имеет достаточно простую оптическую систему, малую неравномерность интенсивности световых пучков по позициям в растре, высокое отношение сигнал/фон. Кроме того, здесь также отсутствуют искажения волнового фронта и профиля сечения выходных пучков.

Приведена оптическая система АОД и дана методика расчета ее параметров. Характеристики применяемых анизотропных АОЯ на ТеО^ приведены в главе 2. Ячейки имели квадратную световую апертуру размером 4x4 мм ( V =6,2о мксек) и обеспечивали получение 32х.32 пространственно разрешимых световых пучков с неравномерностью интенсивности по позициям 4 Ю % и отношением сигнал/фон ^ Ь0:1 (полоса управляющих частот АОД - 12,4 Мгц).

Выходные световые пучки АОД имели близкий к гауссовому про -фияь интенсивности с радиусом кривизны волнового фронта > 1м. Опыт эксплуатации АОД показал, что он удовлетворяет всем требованиям работы в составе ГЗУ.

Исследован ЛФП на основе двухкоординатного прецизионного стола, перемещающего носитель изображения, и акустооптического генератора фрагментов изображений. Благодаря быстрой генерации фрагментов изображений с помощью АОД в таком ЛФП существенно сокращается время формирования полного изображения. В экспериментальном макете ЛФП использован прецизионный стол с интерфе-роыетрическим контролем координат, имеющий поле 400x400 мм при точности позиционирования 0,3 мкм, аргоновый лазер с Л = =0,408 мкм для записи изображений и анизотропные А0Я на ТеО^. АОД на ТеОг, в составе ЛФП способен генерировать по команде от ЭВМ фрагменты изображений размерностью до 500x500 элементов (по критерию Рэлея) при времени произвольной адресации ~ Юыкс. Дяя создания АОд с разрешением 2000 элементов и выше (по одной координате), необходимых для записи документальной информации в ЛФП, рекомендовано использовать анаморфотные призменные оптические системы и каскадные оптические системы АОД (см. главу 3).

Рассмотрены различные режимы работы АОД в составе ЛФП. Показано, что предпочтителен режим работы, при котором АОД выполняет сканирование светового пучка по одной координате (за счет управления Л4М - сигналом), а носитель изображения непрерывно перемещается по другой координате. В этом случае время форгдировсшия полного изображения Ю^хЮ"3 элементов сокращается на два порядка.и не превышает 20 мин.

Проведены записи тестовых изображений на фотохромных пленках, пленках хрома и фотоэмульсиях, подтверждена возможность получения высококачественных изображений с микронной точностью и разрешением.

В СГР многочастотные анизотропные АОМ и АОМ ВАЛ осуществляют ввод-вывод информации путем амплитудной или фазовой модуляции каждой из N частот в управляющем сигнале АОМ. На этапе записи данных изображение акустических решеток в АОМ переносится с уменьшением в плоскость регистрирующей среды и записывается импульсом излучения ПП лазера. Для снижения требо-

ваний к длительности и мощности светового импульса записи может применяться АОМ ВАЛ (см. главу 2), в котором световые пучки при записи голограммы имеют близкие значения допплеровского сдвига частоты. На этапе вывода информации в АОМ формируется полный набор N акустических частот и ведется спектральный анализ сигнала фотоприемника после голограммы. Причем, частоты в управляющем сигнале имеют равные амплитуды и случайные взаимные фазы, как на этапе ввода данных, так и на этапе вывода. Таким образом, режим работы АОМ в СГР совпадает с рассмотренным в главе I, где показано, что шюгочастотшй АОМ на TeOg обеспечивает приемлемое для СГР отношение сягнад/интермодуляцион -ный фон 3-го порядка, прззылагхцее значение 100:1, при эффективности дифракции до 55 %. Для.исклю"&нкл влияния эффекта кросс-модуляции в СГР целесообразно применять фазовое кодирование информации, при котором число частот в АОМ постоянно, либо работать при эффективности дифракции, не прзЕ-маавщей 20 %.

AOL! на TeOg с полосой частот 64 Мгц и адертурным временем V =1 мкеек обеспечивает параллельную геиерецню 32-х световых пучков, разрешеиш.-х по двойному критерия Рэлея. В случае двухуровневой (0 и I) амплитудной модуляции такой АОМ обеспечивает скорость записи 32 М5ит/сек, а а случае четырехуровневой фазовой модуляции - 64 Мбит/сек. АОМ ВАП на TeOg с полосой частот 60 Мгц при фазовой четырехуровневой модуляции обеспечивает скорость записи 60 Мбит/сек по одном],' каналу, а по двум каналам (при независимом вводе данных) - 120 Шит/сек.

Разработанный иногочастотнъй анизотропный АОМ на Те0£ применен в действующем макете СГР, обеспечивающем запись данных со скоростью 64 Мбит/сек (ссздзз в ИАиЭ СО АН СССР).

В приложении I приведена программа на язьгкз Фортран для расчета характерных углов и частот широкополосной дифракции света на звуке в TeOg и результаты расчета для рлда длин волн света и углов распространения сдвиговой акустической волнч.

В приложении 2 приведены документы о внедрении результатов.

Основные научные результаты работы:

I) Теоретически и экспериментально определены значения основных параметров многочастотных: анизотропных А01Л: дифракционной эффективности, коэффициента кросс-модуляции, отношения

сигнал/интермодуляционный фон 2-го и 3-го порядков. Показано, что для снижения интермодуляционных помех в АОЫ необходимо выбирать геометрию взаимодействия с большим значением фазового рассогласования для световых волн в окрестности 0-го порядка, применять максимально возможные длину взаимодействия и частотный шаг между соседними гармониками в управляющем сигнале, а также ограничивать уровень дифракционной эффективности.

Найденные закономерности позволили создать многочастотные анизотропные А.ОМ на ТеО£ с полосой частот 64 Мгц для скоростных голографических регистраторов, обеспечивающие параллельную модуляцию 32-х световых пучков с отношением сигнал/интермодуляционный фон ^ 100:1 (при дифракционной эффективности до 55 %) и коэффициентом кросс-модуляции 4 10 % (при дифракционной эффективности до 20 %).

2) Предложена методика расчета на ЭВМ характерных углов к акустических частот аномальной дифракции света в одноосных оптически активных кристаллах, позволяющая, в сравнении с известной, получать более точные результаты расчета, в особенности, для коротких длин волн света (для кристаллов Те0£ значения характерных частот уточняются на 10-20 % при длинах волн света 0,63-0,36 мкм). Применение данной методики позволяет увеличить процент выхода годных изделий АОД. На основе данной методики расчета создан ряд анизотропных АОД несимметричного типа на ТеО^ на различные длины волн лазеров (0,488, 0,5145, 0,89 ыкм) с разрешением 350-500 позиций при быстродействии

~ 10 мксек, удовлетворяющие требованиям работы в составе го-лаГраниных запоминающих устройств и лазерных фотопостроителей.

3) Предложена геометрия внеосевого взаимодействия света

с двумя встречными акустическими пучками в одноосных оптически активных кристаллах, обеспечивающая широкополосную дифракцию света на обеих акустических пучках с возможностью перестройки средней акустической частоты дифракции. Для данной геометрии взаимодействия получены аналитические выражения для расчета характерных углов и частот дифракции света и угла поляризации света. На основе данной геометрии взаимодр1' гтвия и расчетных выражений созданы оригинальные анизотропные АОМ на ТеО^ со встречными акустическими пучками с полосой частот 60 Мгц на каждом акустическом пучке, пригодные для применения в скорост-

ных голографических регистраторах.

4) Предложена методика компенсации аберраций позиционирования световых пучков в анаморфотных призменных оптических системах, используемых в АОД с повышенны?-! разрешением. Созданы анаморфотные призменные оптические системы АОД, отличающиеся малыми аберрациями, повышенным коэффициентом анаморфозы и низкими световыми потерями, которые могут применяться при разработке анизотропных АОД на TeOg с разрешением более 1000 позиций .

5) Для повышения разрешающей способности АОД сверх предела, установленного затуханием звука в среде, предложена каскадная оптическая система на основе последовательно установленных поляризационных призм и анизотропных акустооптичвсхих ячеек, в которой разрешение увеличивается в число раз равное числу ячеек.

Основные научные результаты опубликованы в схедупцих работах:

1) Трубецкой A.B. Многочастотное акустооптичесхое взаимодействие в анизотропной среде. //Автометрия. - I9B7. - № 2. -с. 43-52.

2) Трубецкой A.B., Шипов П.М. Исследований акустооптичес-ких дефлекторов - модуляторов на кристаллах пзрателлурита в режиме многочастотного управления. - В кн.: 3 Всесоюзная конференция по вычислительной оптоэлентроннке "Проблемы оптической памяти", Ереван, 1-3 ноября 1987.: Тезисы докладов. ~ Издательство АН Арм. ССР, Ереван - IÜ87. - с. 147-148.

3) Тигценко Ю.Н., Трубецкой A.B. Некоторые вопросы создания и исследования якустоолтического дефлектора на монокристаллах Те02. //Автометрия. - 1979. - » I. - с. 87-95.

4) Тищенко Ю.Н., Трубецкой A.B. Акустооптические ячейки для. отклонения излучения полупроводникового лазера. //Автометрия. - 1984. - № 3,- с. 103-105.

5) Тарков В.А., Ткпценко Ю.Н., Трубецкой A.B., Шипов П.М. ^кустооптическкР модулятор со встречными акустическими пучками на одноосном оптически активном кристалле. //Автометрия. -1984. - » 3. - с.43-49.

6) Тарков В.А., Тищенко Ю.Н., Трубецкой A.B., Шипев П.М. 1кустооптический модулятор со встречными акустическими пучками для скоростной записи голограмм. - В кн.: Вторая Всесоюзная

научно-техническая конференция "Проблемы развития радиооптики", Тбилиси, 4-6 июня 1985 г.: Тезисы докладов - НТО РЭиС, Москва.

- 1985. - ч.2. - с.211-212.

7) Гибин И.С., Каменев H.H., Тищенко Ю.Н., Трубецкой A.B. Призменные оптические системы двухкоординатных акустооптичес-ких дефлекторов света. //Автометрия. - 1976. - № 6. - с.77-87.

8) A.C. 987565 (СССР) Акустооптическая система отклонения. Тищенко D.H., Трубецкой A.B. - Опубл. в Б.И. - 1983. - № I.

9) Ввдрин JI.B., Вьюхина H.H., Трубецкой A.B. и др. Экспериментальная оптико-электронная (голографическая) система памяти. //Автометрия. - 1980. - № 2. - с. 60-67.

10) Твердохлеб П.Е., Тищенко D.H., Трубецкой A.B. Акусто-оптический дефлектор голограммного запоминающего устройства.

- В кн.: 1-я Всесоюзная конференция по радиооптике, Фрунзе, ФПИ, 1981.: Тезисы докладов. - Фрунзе. - с. 191—192.

11) Лен Е.Ф., Твердохлеб П.Е., Тищенко Ю.Н., Трубецкой A.B. Акустооптический дефлектор голограммного запоминающего устройства. //Оптика и спектроскопия. - 1983. - т. 55, в.1. -с. 148-155.

12) Спектор Б.И., Твердохлеб П.Е., Трубецкой A.B., Щер-баченко A.M. Прецизионное лазерное устройство для синтеза высокоинформативных изображений. - В кн.: 5-я Всесоюзная школа по оптической обработке информации. - Тезисы докладов. - Украинский НИИ НТИ, Киев. - 1984. - с. 345.

13) Спектор Б.И., Твердохлеб П.Е., Трубецкой A.B., ¡Дер— баченко A.M. Лазерная запись высокоинформативных изображений. //Автометрия. - 1985 - № 6. - с. 43-51.

14) Спектор Б.И., Твердохлеб П.Е., Трубецкой A.B., Щер-баченко A.M. Лазерное микрофильмирование на пленках хрома. //Автометрия. - 1988. - № 2. - с. 3-8.

J / '