15.3. АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР

15.3.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА

В акустооптическом фильтре возможность выделения света с требуемой длиной волны реализуется при анизотропной дифракции света. Для этого создаются такие условия дифракции, чтобы сохранение импульса (условие синхронизма) выполнялось для начальной и дифрагированной волн, имеющих заданную длину и различные поляризации. Если на рабочий АО элемент падает свет с поляризацией то в результате АО взаимодействия возникает дифрагированный свет с

поляризацией Так как то, поставив после АО элемента поляроид (анализатор) с плоскостью поляризации, параллельной можно получить на выходе свет с дайной волны, соответствующей условию АО дифракции (14.68). Выбор направления волновых векторов света к и звука К относительно кристаллофизических осей для данного кристалла определяется законом сохранения импульса и угловой зависимостью необыкновенного показателя преломления. Эта зависимость ограничивает угловой диапазон для падающего света. Кроме того, выбранные направления к и К должны обеспечивать коллинеарность фазовых и групповых скоростей света и звука, в противном случае эффективность фильтра будет снижена из-за «сноса» лучей.

Эффект «сноса» лучей уменьшает длину АО взаимодействия и, следовательно, разрешающую способность АО фильтра. Эти требования сильно ограничивают выбор направлений волновых векторов света и звука при проектировании АО элемента оптического фильтра. Требования к коллинеарности фазовых и групповых скоростей могут смягчаться при использовании сред с высоким АО качеством, так как размер кристаллических элементов для таких сред можно уменьшить, сохраняя достаточной эффективность АО дифракции света. Снижение размеров АО элемента, т.е. уменьшение длины АО взаимодействия, снижает и требования к коллинеарности фазовых и групповых скоростей. При значительных углах между волновыми векторами света и звука длина АО взаимодействия ограничивается не столько размерами кристалла, сколько апертурой акустического луча (размером пьезопреобразователя). Таким образом, для создания АО фильтров наиболее эффективным является коллинеарное АО взаимодействие, которое позволяет обеспечить большие (ограниченные только размером и однородностью кристалла) длины взаимодействия, повышая эффективность взаимодействия и разрешающую способность фильтра при относительно малых апертурах и света и звука.

Важнейшей характеристикой фильтра является его разрешающая способность, определяемая выражением (14.70), из которого следует, что для получения высокой разрешающей способности (малые требуются кристаллы с большой длиной АО взаимодействия. Если для оценки принять , то разрешающая способность АО фильтра оказывается на уровне см. В действительности разрешающая способность несколько хуже из-за того, что возникает и из-за неоднородности среды. Для достижения разрешающей способности, близкой к теоретической, однородность среды должна быть такой, чтобы изменения показателя преломления были на уровне

Эффективность АО фильтра оценивается в процентах на единицу акустической мощности Эффективность обычно определяется для уровня акустической мощности, при котором сохраняется

линейная зависимость между Переходя в (14.65) от интенсивности звука к мощности звука получим

Для АО фильтра, в котором длина рабочего элемента может быть достаточно большой, важным обстоятельством, лимитирующим могут оказаться потери акустической мощности в результате поглощения звука в кристалле у.

Третьей важнейшей характеристикой АО фильтра является быстродействие. Возможность перестройки длины волны света, пропускаемого фильтром, с помощью изменения акустической длины волны позволяет использовать АО фильтр как быстодействующий спектрометр. Для регистрации спектра обычно используется последовательность акустических импульсов с изменяющейся от импульса к импульсу длиной волны звука . Каждый акустический импульс позволяет из спектра начального излучения выделить дифрагированный луч света Если область регистрируемого спектра обозначить как (видимой области спектра соответствует нм), а разрешающую способность спектрометра то для регистрации всего спектра нужно получить число точек, равное Для повышения надежности регистрации каждая точка измеряется несколько раз с целью статистической обработки данных. Тогда время измерения каждой точки где - длительность импульса, - скважность, а время измерения всего спектра

Очевидно, что стремление увеличить разрешающую способность фильтра не повышает его быстродействие. Величиной, влияющей на быстродействие, является время прохождения импульса через АО элемент которое тем больше, чем больше длина АО взаимодействия и чем меньше скорость звука в кристалле. Для повышения быстродействия (уменьшения следует (если это возможно) выбирать материал с большими скоростями звука.