ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 10, с. 1375-1380
УДК 534:535+621.373.826
АКУСТООПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ © 2015 г. В. Э. Пожар, В. И. Пустовойт
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук, Москва
E-mail: aoslab@ntcup.ru
Проведены результаты анализа современных акустооптических (АО) спектральных технологий. Описаны основные типы созданных и разрабатываемых устройств, приборов и систем на основе АО-фильтров. Обсуждены оригинальные методы измерения и анализа, основанные на особенностях спектральных АО-элементов.
DOI: 10.7868/S0367676515100245
ВВЕДЕНИЕ
Перестраиваемые ультразвуком узкополосные фильтры оптического излучения, получившие название акустооптических (АО) [1], управляемы спектрально селективными оптическими элементами. Они основаны на динамических дифракционных решетках, генерируемых в среде ультразвуковыми волнами, и обладают целым рядом особых свойств [2]: компактностью, отсутствием подвижных элементов, высокой светосилой, управляемостью, быстродействием. В связи с этим они находят применение в задачах спектрометрии, связанных с внелабораторным использованием приборов. Еще одно важное свойство АО-фильтров, способность осуществлять спектральную фильтрацию изображений, обеспечивает их применение для спектральной визуализации структуры объектов (spectral imaging). Однако во всех указанных применениях реализуется только часть особых свойств АО-фильтров, потому что при этом используются, как правило, классические методы, разработанные для других типов спектральных приборов. В докладе показано, что эффективное использование приборов на основе АО-фильтров требует использования специализированных методов измерений и спектрального анализа.
В частности, описаны способы управления спектральной характеристикой АО-фильтров, обеспечивающие принципиально новые свойства, представлены оригинальные методы измерений спектров, ориентированные на решение разных типов задач, и показано, что АО спектрометры позволяют решать любой тип классических спектрометрических задач, а также задачи корреляционной, модуляционной, дифференциальной спектроскопия. Кроме того, проанализированы уникальные особенности АО-фильтров, которые могут быть эффективно использованы в таких областях, как определение двух- и трехмерных пространственных распределений, регистра-
ция динамики изменения спектральных свойств, использование сложных методов анализа.
АКУСТООПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
Функция пропускания классического акусто-оптического фильтра (1 на рис. 1) представляет собой одно окно вида Т(V) = бшс^у), где 8тс(г) = = 8т(яг)/(яг), z(v) = (V — у)/Ау, V = X-1 — оптическая пространственная частота, обратная длине волны X, V/ — оптическая частота настройки АО фильтра, определяемая частотой / возбуждаемого ультразвука, Av — ширина окна пропускания, определяемая рабочей длиной Ь акустической решетки Av ~ Ь1.
Эта функция может быть изменена разными способами. Например, путем использования двойного монохроматора [3], содержащего два идентичных АО-фильтра (2, рис. 1). В этом случае основное окно сужается (в 1.4 раза), а первые боковые максимумы и интегральная доля пропускания вне полосы уменьшаются на порядок (с 12 до 1% и с 21 до 2% соответственно).
Второй способ — создание многооконных функций (3, рис. 1) путем возбуждения в АО-кристалле нескольких акустических волн одновременно [4, 5] с частотами/ и интенсивностями Р; (; = 1, 2, ...), что позволяет управлять не только положением VI = = v(f¡), но и коэффициентом пропускания окна Т ~ Р. Такая многооконная функция необходима при использовании в корреляционной спектроскопии, когда форма функции пропускания фильтра должна повторять форму спектра объекта.
Третий способ — изменение формы окна пропускания путем модуляции ультразвукового сигнала Р(0, т.е. создания неоднородной решетки (4—6, рис. 1). При этом следует различать мгновенную Т(у, 0 и усредненную (Т(у)) спектраль-
1375
2*
Рис. 1. Возможные формы функции пропускания АО фильтров Т(V) и функции передачи Л(у) АО спектрометров (а) и соответствующие им "профили" дифракционной решетки (б): 1 — классический АО-фильтр; 2 — двойной АО-моно-хроматор; 3 — двухоконный фильтр; 4 — АО-фильтр с варьируемой шириной окна; 5 — АО-дисперсионный элемент с синтезируемой мгновенной функцией передачи; 6 — модуляционный АО-спектрометр.
а
б
6
3
4
5
ную характеристику. Для фильтрации или сжатия световых импульсов [6, 7] важна форма аппаратной функции в момент прохождения импульса, и на этот момент можно создать пространственное частотно-амплитудно-фазовое распределение акустического поля и(х) произвольного требуемого вида (5, рис. 1) [8]. Задача синтеза спектральной характеристики является, однако, некорректной, так как отображение и(х) ^ Ду) обладает сглаживающими свойствами [9, 10], т.е. синтезировать возможно лишь достаточно гладкую функцию Т(у).
Ввиду перемещения созданного распределения и(х — VI) со скоростью звука V функция пропускания АО-фильтра меняет форму, так что повторно требуемое распределение может быть создано не ранее, чем акустическая волна полностью пройдет через область АО-взаимодействия тг = L/V. Такой режим синхронной работы АО-спектрометра в импульсном режиме [8] недостаточно эффективен в случае фильтрации непрерывного потока светового излучения.
В этом случае определяющую роль играет усредненная по периоду 1т011 функция (Т(у)> =
= |Т(у, 0 dt, что существенно усложняет задачу
поиска подходящего распределения акустического поля. Однако периодическая модуляция акустического поля Т^, 1) = Т(у, 1 — 1тоа) открывает принципиально новые возможности анализа спектров [11]. Поскольку при стационарном падающем световом потоке сигнал фотоприемника оказывается периодическим S(Vf, 1) = S(Vf, I — (тоа), можно ввести передаточные функции И„(у), связывающие амплитуду и фазу выходного периодического сигнала на частоте модуляции (V;) и на ее гармониках $т(т = 2, ...) со спектром /(V) падающего излучения §т= \кт (V — vf) /(V) dv.
Для "нулевой" гармоники такая передаточная функция совпадает с усредненной по периоду функцией (T(v)> = h0(v + vf). Таким образом, в режиме модуляции аппаратная функция АО-спектрометра обладает следующими особенностями.
I. Любому акустическому распределению U(x) соответствует ряд передаточных функций hm(v) (m = 0, 1, 2, ...), соответствующих регистрации фотосигнала на разных гармониках частоты модуляции (6, рис. 1).
II. Использование этих комплекснозначных функций, кроме h0, требует фазочувствительных методов регистрации, т.е. определения сдвига фаз между частотой модуляции и детектируемой гармоникой фототока.
III. Эти функции позволяют определять дифференциальные характеристики спектра [11], например 6\(v) ~ dI(v)/dv, что позволяет эффективно использовать их для задач дифференциальной спектроскопии.
Следует отметить, что синтез или вариация аппаратной функции может осуществляться при помощи как амплитудной модуляции, так и частотной, и даже путем фазовой манипуляции [11] высокочастотного управляющего сигнала, возбуждающего акустическую волну. При этом амплитудная модуляция осуществляет аподизацию профиля решетки [9], а частотная может использоваться для контролируемого расширения основного максимума (окна) аппаратной функции [12, 13] (4, рис. 1).
Таким образом, возможность управления частотным составом и амплитудно-фазовыми характеристиками акустической волны позволяет в реальном времени управлять параметрами брэгговской дифракционной решетки, а соответственно и характеристиками спектрального элемента (АО-фильтра). С учетом того что со-
временные электронные технологии обеспечивают чрезвычайно широкие возможности управления сигналами, акустооптические фильтры дают возможность реализовать подходы к обработке оптических сигналов, не доступные другим современным методам.
АКУСТООПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ
Модуляционный способ управления параметрами брэгговской дифракционной решеткой в сочетании с синхронным детектированием представляет собой фактически метод измерения спектральных характеристик объекта и основан на уникальной возможности синтеза аппаратной функции АО-спектрометров. Однако и для классического АО-фильтра методы измерений могут принципиально отличаться от классических.
Например, в связи с возможностью быстрой произвольной спектральной адресации АО-фильтра возникает проблема выбора множества спектральных точек, в которых проводят измерения. В отличие от классических спектрометров, где задаются диапазон, разрешение, число точек и скорость развертки, с помощью АО-спектрометра можно реализовать алгоритм спектрального контроля самого общего вида [14], а потому необходимо выбрать оптимальную совокупность и последовательность адресуемых спектральных точек.
Для сплошных спектров задача сводится к выбору оптимального шага перестройки. Существование оптимума определяется тем фактом, что фурье-образ функции пропускания АО-фильтра финитен Бирр Т*(х) с [—Ь, Ь] [10], а с учетом того, что уравнение измерений спектра имеет вид свертки
S(V/) = |Т (у — У/)1(у)^у, финитен и фурье-образ
S*(x) спектрограммы S(v/). Соответственно эта функция может быть однозначно восстановлена [9] по множеству эквидистантных отсчетов ут = = тАу , где Ау г = (2Ье/)—1, Ье/ — эффективная
I
115
г
1111
- х
- х
длина дифракционной решетки (для коллинеар-ной дифракции Ь/ = АпЬ), т — целое
5(у) = X Б(\т)$тс(\/А\ор1 — т).
Этот метод, названный единообразной спектральной реконструкцией [15], детерминирует оптимальный шаг перестройки по спектру при измерении сплошных спектров и позволяет однозначно определить форму спектрограммы (рис. 2а). Следует отметить, что точное восстановление спектра 1(у) невозможно ввиду необратимого сглаживания при измерении его мелкой структуры, хотя частичная коррекция спектрограммы возможна с использованием итерационного алго-
Рис. 2. Оптимальный алгоритм измерения спектров, сплошных (а) и линейчатых (б). 1 — спектр I; 2 — спектрограмма 5; 3 — скорректированная спе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.