АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя частотных параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиотехнической разведке.

Известен акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием [Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени. // О.Б.Гусев, С.В.Кулаков, Б.П.Разживин, Д.В.Тигин; под ред. Кулакова С.В. - М.: Радио и связь. - 1989. - с.48], в состав которого входят последовательно включенные по свету лазер, конденсор и коллиматор, образующие оптический каскад перехода от лазерного пучка к плоской световой волне заданной апертуры, акустооптический дефлектор (АОД), на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, интегрирующая линза, осуществляющая Фурье преобразование светового сигнала, находящегося в плоскости акустооптического дефлектора, и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.

Причиной, препятствующей достижению аналогом технического результата, является его недостаточная полоса рабочих частот, не превышающая октаву, и незначительная чувствительность, являющаяся в диапазоне СВЧ следствием малой дифракционной эффективности входящего в состав анализатора спектра АОД.

Известен также акустооптический частотомер [а.с. СССР №126636, МКИ 4 G01R 23/16. Акустооптический частотомер. Вернигоров Н.С., Задорин А.С., Шарангович С.Н.; опуб. 23.10.1986 г. в бюл. №39]. Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, АОД, линзу и позиционно-чувствительный фотоприемник, причем между коллиматором и АОД на половине световой апертуры расположено устройство сдвига частоты излучения лазера, а к выходам позиционно-чувствительного фотоприемника подключены фазометры, первые входы которых нагружены на соответствующие выходы фотоприемников, а вторые входы подключены к фотоприемнику, расположенному на оптической оси частотомера.

В рассматриваемом аналоге, имеющем полосу рабочих частот, не превышающую октаву, осуществляется междискретное уточнение частоты измеряемого сигнала путем уточнения местоположения дифрагированного пятна света с помощью ряда фазометров, число которых равно числу элементов (фотодиодов) в позиционно-чувствительном фотоприемнике.

Признаками, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, АОД, линза, выполняющая роль интегрирующей линзы, и линейка фотодиодов, в качестве которой в аналоге используется позиционно-чувствительный фотоприемник.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является его недостаточная полоса рабочих частот, не превышающая октаву.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический измеритель частотных параметров радиосигналов [Роздобудько В.В. Акустооптический измеритель частотных параметров радиосигналов с нелинейными законами ЧМ. // Радиотехника. - 2000. - №3. - с.24-27].

Устройство-прототип изображено на фиг.1.

Прототип в своем составе содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер - 1, коллиматор - 2, АОД - 3, глухое зеркало - 5, две интегрирующие линзы - 4(1) и 4(2) и две линейки фотоприемных устройств - 6(1) и 6(2). Измеряемый радиосигнал подается на пьезопреобразователь акустооптического дефлектора, а на одну из его оптических граней лазерное излучение падает под отрицательным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных первой интегрирующей линзы - 4(1) и первой линейки фотоприемных устройств - 6(1), а на вторую оптическую грань акустооптического дефлектора лазерное излучение, переотражаясь от глухого зеркала - 5, падает под положительным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных второй интегрирующей линзы - 4(2) и второй линейки фотоприемных устройств - 6(2), причем одноименные выходы обеих линеек фотоприемных устройств соединены друг с другом.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым устройством, является то, что прототип содержит в своем составе лазер, коллиматор, АОД, глухое зеркало, две интегрирующие линзы и две линейки фотоприемных устройств, в котором измеряемый радиосигнал подается на пьезопреобразователь акустооптического дефлектора, а на одну из его оптических граней лазерное излучение падает под отрицательным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемных устройств, а на вторую оптическую грань акустооптического дефлектора лазерное излучение, переотражаясь от глухого зеркала, падает под положительным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных второй интегрирующей линзы и второй линейки фотоприемных устройств.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является тот факт, что прототип обладает ограниченной полосой рабочих частот, не превышающей октаву.

Например, если нижняя граничная частота полосы пропускания Δf_Σ прототипа выбрана равной f_н, то его верхняя граничная частота f_в не может превышать 2f_н и, соответственно, Δf_Σ=f_в-f_н=f_н. Данное ограничение обусловлено тем, что в составе акустооптических устройств дефлекторы являются нелинейными элементами, динамический диапазон которых «снизу» ограничивается оптическими шумами, а «сверху» - нелинейностью процесса взаимодействия света и звука; применительно к СВЧ-диапазону длин волн и таким материалам, как ниобат лития, парателлурит, молибдат свинца и др., он не превышает (35-50) дБ.

При подаче на электрический вход акустооптического дефлектора анализируемых сигналов большого уровня на его оптическом выходе помимо, например, сигнала частоты (ν_св+f_с) возникают сигналы (гармоники) с частотами (ν_св±nf_c), которые также попадают на фотоприемник и воспринимаются спектроанализатором как сигналы, присутствующие на его входе. Последнее является препятствием для правильного отсчета искомой частоты входного сигнала f_c; здесь f_c - частота анализируемого радиосигнала; ν_св - частота излучения лазера; n - целое число.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы рабочих частот акустооптического измерителя параметров радиосигналов до значений, превышающих октаву, а также уменьшение светового фона в плоскости расположения линеек фотоприемников и, как следствие, повышение чувствительности акустооптического спектроанализатора.

Для достижения технического результата в акустооптический спектроанализатор, содержащий в своем составе лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, глухое зеркало, две интегрирующие линзы и две линейки фотоприемных устройств, в котором измеряемый радиосигнал подается на пьезопреобразователь акустооптического дефлектора, а на одну из его оптических граней лазерное излучение падает под отрицательным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемных устройств, а на вторую оптическую грань акустооптического дефлектора лазерное излучение, переотражаясь от глухого зеркала, падает под положительным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных второй интегрирующей линзы и второй линейки фотоприемных устройств, дополнительно между первой и второй гранями акустооптического дефлектора и первой и второй интегрирующими линзами включены первый и второй поляроиды, а акустооптический дефлектор выполнен на основе ниобата лития с косым углом среза, равным β, и аномальной дифракцией, характеризуемой наличием двух одинаковых полос пропускания Δf_Σ1 и Δf_Σ2 вблизи отличающихся частот перегиба f₀₁ и f₀₂, задаваемых соответствующей величиной угла β, и между собой взаимосвязанных посредством f₀₁-f₀₂≅Δf_Σ1≅Δf_Σ2, причем протяженность по свету пьезопреобразователя акустооптического дефлектора выбрана из условия совмещения полос Δf_Σ1 и Δf_Σ2 по заданному уровню неравномерности дифракционной эффективности.

Сопоставляя предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя аналогичное сопоставление с аналогами, также видно, что оно соответствует критерию «существенные отличия», поскольку в аналогах не обнаружены заявляемые признаки.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Как известно, при использовании косых срезов в ниобате лития акустооптическое взаимодействие для стоксовой и антистоксовой компонент дифракции имеет место вблизи существенно разнящихся частот [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь. - 1985. - 280 с.].

Векторная диаграмма рассматриваемого АО взаимодействия и частотные зависимости углов падения θ_П1, θ_П2 и дифракции θ_∂1, θ_∂2 приведены на фиг.2.

На фиг.2,а обозначено: f₀₁, f₀₂ - частоты перегиба, на которых имеют место минимумы углов падения θ_П1(f₀₁), θ_П2(f₀₂); f₀ - частота, на которой углы дифракции θ_∂1(f) и θ_∂2(f) обращаются в нуль; Δf_Σ1 и Δf_Σ2 - полосы рабочих частот дефлектора - полосы акустооптического взаимодействия, формируемые при отрицательном - θ_П1(f₀₁) и положительном - θ_П2(f₀₂) углах Брэгга. Заметим, что полосы Δf_Σ1 и Δf_Σ2 в первую очередь определяются расходимостью ультразвука, т.е. протяженностью l пьезопреобразователя дефлектора. На фиг.2,б обозначено: β - угол среза ниобата лития или угол между осью z и плоскостью распространения ультразвука; N₀ и N_e - коэффициенты преломления; k_∂, k_n1, k_n2 - волновые вектора для дифрагированного и падающего света; K₁ и К₂ - волновые вектора ультразвука, относящиеся к полосам рабочих частот Δf_Σ1 и Δf_Σ2.

В данном случае возбуждаемая пьезопреобразователем акустическая волна распространяется в дефлекторе со скоростью ν под углом (π/2-β) к оптической оси кристалла LiNbO₃. Углы дифракции θ_∂1 и θ_∂2 падающего на ультразвуковой столб света обращаются в нуль на частоте

,

где N₀, N_e - показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн (в ниобате лития N₀>N_e и N₀-N_e<<N₀).

Частоты f₀₁ и f₀₂ (частоты «перегиба»), в окрестности которых реализуется экстремальные - d(θ_П1,θ_П2)/df=0 - значения углов падения, определяются как

.

При этом в окрестности частот f₀₁ и f₀₂ нормированные амплитудно-частотные характеристики дифракции - АЧХ могут быть представлены в виде

где - нормированные углы падения; - нормированные частоты; n=0,5·(N₀+N_e) - среднее значение показателя преломления; - волновой параметр АО взаимодействия; P=ql/π; ; l - длина пьезопреобразователя; P_a - звуковая мощность в среде АО взаимодействия; М₂ - коэффициент АО качества.

Из анализа (1) следует, что при углах падения света, равных углу Брэгга для каждой из частот f₀₁ и f₀₂, а именно

и

дефлектор имеет плоские АЧХ. При этом полосы пропускания дефлектора на частотах f₀₁ и f₀₂ по уровню 3 дБ неравномерности выражаются

и не зависят от частот f₀₁ и f₀₂. При углах падения, равных

и допущении наличия 3 дБ провала на частотах f₀₁ и f₀₂ полосы пропускания Δf_Σ1 и Δf_Σ2 могут быть увеличены в раз: .

Из рассмотрения фиг.2. ясен принцип выбора как центральной частоты дефлектора f₀ (и акустооптического измерителя в целом), так и его суммарной полосы рабочих частот Δf_Σ=Δf_Σ1+Δf_Σ2.

Поскольку Δf_Σ1≃Δf_Σ2, то при заданной Δf_Σ акустооптического измерителя необходимый угол косого среза в LiNbO₃ может быть найден из условия

Δf_Σ1+Δf_Σ2=2(f₀₂-f₀₁),

при котором в дефлекторе обеспечивается требуемый разнос частот f₀₁ и f₀₂:

В свою очередь, поскольку Δf_Σ1 и Δf_Σ2 не зависит от f_01, f ₀₂, то протяженность пьезопреобразователя акустооптического дефлектора - l, при которой обеспечивается непрерывность суммарной полосы пропускания, может быть найдена из соотношения

Таким образом, проведенное рассмотрение показывает, что при выполнении акустооптического дефлектора - 3 на основе аномальной дифракции он может иметь две полосы рабочих частот Δf_Σ1 и Δf_Σ2, одна из которых может обеспечивать двойное перекрытие по частоте, т.е. быть равной октаве, например, Δf_Σ1=f₀-f_1н=(2-1)=1 ГГц, а вторая полоса Δf_Σ2 будет простираться от Δf_2в, равной 3 ГГц до f₀=2 ГГц, и также составит величину 1 ГГц. Суммарная полоса Δf_Σ акустооптического спектроанализатора, в составе которого используется данный дефлектор, будет превышать октаву. При этом, поскольку данные полосы «приходятся» в схеме фиг.3 на две пространственно разнесенные линейки фотоприемных устройств 7(1) и 7(2), то возникающие в каждой из них продукты нелинейного акустооптического взаимодействия не будут попадать на соседнюю линейку и, таким образом, будет обеспечена суммарная Δf_Σ акустооптического спектроанализатора, превышающая октаву, в которой будет исключено присутствие на линейках фотоприемных устройств продуктов дифракции высших порядков.

Что касается наличия в предложенном устройстве поляроидов, то их размещение между гранями кристалла и интегрирующими линзами является естественным по той причине, что при анизотропной дифракции поляризация дифрагированного света ортогональна поляризации падающего света, что автоматически уменьшает присутствие на линейках фотоприемниках рассеянного излучения и, соответственно, обеспечивает повышение чувствительности акустооптического спектроанализатора в целом.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведена структурная схема устройства-прототипа. На фиг.2,а представлены зависимости углов падения θ_П и дифракции θ_∂ света от частоты медленной сдвиговой волны, распространяющейся в плоскости Y0Z кристалла ниобата лития, на основе которого предполагается выполнить акустооптический дефлектор, входящий в состав заявляемого устройства. На фиг.2,б представлена геометрия аномального широкополосного взаимодействия в плоскости Y0Z кристалла ниобата лития, поясняющая факт наличия двух областей АО взаимодействия и их взаимосвязь с косым углом среза - β.

Структурная схема заявляемого устройства акустооптического спектроанализатора представлена на фиг.3.

На фиг.4 представлены теоретические зависимости частот перегиба f₀₁ и f₀₂ от угла φ, равного (π-β), в ниобате лития для длин волн света 0,63 мкм и 0,44 мкм; в данном случае угол φ-=π-β (см. фиг.2,б) определяет направление звуковой волны относительно оси Y. Представленные на фиг.4 графики заимствованы из работы, в которой они были впервые получены [Демидов А.Я., Задорин А.С. Исследование широкополосного акустооптического взаимодействия в кристалле ниобата лития // Известия вузов. Физика. - 1981. - №7. - с.42-47].

На фиг.1 представлена структурная схема устройства-прототипа. На фиг.2 представлены зависимости углов падения θ_П и дифракции света θ_∂ от частоты медленной сдвиговой волны. На фиг.3 приведена структурная схема заявляемого устройства акустооптического спектроанализатора. На фиг.4 приведены теоретические зависимости частот перегиба f₀₁ и f₀₂ от угла φ.

Заявляемое устройство (фиг.3) содержит лазер - 1 с длиной волны λ световых колебаний, коллиматор - 2, выполненный как минимум из двух линз, акустооптический дефлектор - 3, выполненный на основе ниобата лития с косым углом среза - β и аномальной дифракцией; глухое зеркало - 5, назначением которого является формирование лазерного пучка с положительным углом падения света на вторую грань дефлектора - 3; два поляроида 4(1) и 4(2), препятствующих попаданию рассеянного излучения на фоточувствительные площадки фотоприемных устройств 7(1) и 7(2); две интегрирующие линзы 5(1) и 5(2), которые фокусируют дифрагированное лазерное излучение на две линейки фотоприемных устройств 7(1) и 7(2), выходы которых являются выходами спектроанализатора. Последнее является следствием использования в прототипе линеек с параллельным выходом. В заявляемом устройстве могут применяться линейки фотоприемных устройств как с параллельным, так и с последовательным выходами (ПЗС-линейки).

Заявляемый спектроанализатор фактически включает в себя два оптических канала, функционирующих в двух поддиапазонах рабочих частот - Δf_Σ1 и Δf_Σ2, один из которых состоит из лазера - 1, коллиматора - 2, дефлектора - 3, поляроида - 4(1), линзы - 6(1) и линейки фотоприемников - 7(1), а второй канал состоит из лазера - 1, коллиматора - 2, дефлектора - 3, глухого зеркала - 5, поляроида - 4(2), линзы - 6(2) и линейки фотоприемников - 7(2), причем такие элементы, как лазер - 1, коллиматор - 2 и акустооптический дефлектор - 3, для обоих каналов являются общими.

Принцип работы заявляемого спектроанализатора и обеспечиваемый им технический результат заключается в следующем.

На электрический вход акустооптического дефлектора - 3 через пьезопреобразователь с протяженностью - l подается измеряемый сигнал с несущей частотой f_c. В акустооптическом дефлекторе - 3 он преобразуется в ультразвуковой пучок, распространяющийся в теле дефлектора со скоростью ν. На одну из граней (первую) дефлектора - 3 лазерное излучение, сформированное коллиматором - 2, падает под отрицательным углом Брэгга и, дифрагируя на акустическом аналоге входного радиосигнала по направлению расположения первого поляроида 4(1), первой интегрирующей линзы 6(1), фокусируется ею на первую линейку фотоприемных устройств - 7(1).

Местоположение центра дифрагированного пятна света на линейке - 7(1) пропорционально частоте входного сигнала. Таким образом, данным каналом обеспечивается работа спектроанализатора в полосе рабочих частот Δf_Σ1 (см. фиг.2,а).

Вторую часть - Δf_Σ2 суммарной полосы рабочих частот Δf_Σ спектроанализатора «формируют» элементы 5, 3, 4(2), 6(2) и 7(2) структурной схемы фиг.3. Осуществляется это с помощью глухого зеркала - 5 путем организации падения лазерного излучения на вторую грань дефлектора - 3 под положительным углом Брэгга, которое, дифрагируя на входном радиосигнале, проходя через поляроид - 4(2), фокусируется линзой - 6(2) на вторую линейку фотоприемников - 7(2). При этом полоса частот Δf_Σ2, формируемая этим каналом путем соответствующего выбора угла среза в кристалле ниобата лития дефлектора - 3 и протяженности - l его пьезопреобразователя, совмещается с полосой Δf_Σ1, по заданному уровню неравномерности дифракционной эффективности.

Таким образом, суммарная полоса Δf_Σ=Δf_Σ1+Δf_Σ2 в заявляемом анализаторе может превышать октаву. И при этом, поскольку каждая из полос Δf_Σ1 и Δf_Σ2 формируются отдельными каналами, разнесенными в пространстве, то возникающие в кристалле ниобата лития акустооптического дефлектора - 3 нелинейные продукты (гармоники) входного радиосигнала не будут препятствовать его правильной обработке; гармоники будут находиться вне расположения линеек фотоприемных устройств, причем как линейки 7(1), так и линейки 7(2), вне зависимости от частоты входного сигнала из заданного рабочего диапазона Δf_Σ. Степень увеличения Δf_Σ в заявляемом спектроанализаторе достаточно очевидна; ее максимальная величина не превышает двух раз.

Что касается увеличения Δf_Σ в абсолютном отношении, то оно может быть оценено из рассмотрения теоретических зависимостей f_01,02=ψ(π-β), полученных для различных длин волн света. Из анализа фиг.4 следует, что для λ=0,63 мкм суммарная полоса акустооптического спектроанализатора может составить порядка 2 ГГц (для (π-β)=50°) и она может превысить 3,4 ГГц, если в составе спектроанализатора будет использоваться лазер с λ=0,44 мкм.

Увеличение чувствительности заявляемого устройства за счет уменьшения светового фона в плоскости расположения линеек фотоприемных устройств 7(1) и 7(2) может быть оценено только качественно; по-видимому, оно не будет превышать ~ (3-10) дБ, если ориентироваться на использование в составе анализатора оптических элементов с светорассеиванием на уровне ~ 10^-5.

Практическая реализация заявляемого акустооптического спектроанализатора сомнений не вызывает: практически все элементы и узлы, в него входящие, являются общими для прототипа и аналогов. Заявляемое устройство может быть выполнено на основе следующих элементов.

Лазер - 1 целесообразно использовать полупроводниковый, например типа KLM-650/20 и другие подобные лазеры фирмы «Оптроник», г.Санкт-Петербург; информация о подобных зарубежных полупроводниковых лазерах содержится в источниках [www.nmlaser.com, www.microlaser.com].

Не исключена возможность использования в составе спектроанализатора газовых Ne-He источников: ЛГН-219, ЛГН-224, ЛГН-208 и др.

Акустооптический дефлектор 5 для диапазона частот (0,5-3,0) ГГц может быть выполнен на основе ниобата лития.

Известно описание такого дефлектора диапазона (1,5-2,5) на основе анизотропной дифракции [Демидов А.Я., Задорин А.С.. Исследование аномального акустооптического взаимодействия в кристалле ниобата лития. // Известия вузов. Физика. - 1981. - №7. - с.42-47].

Оптические требования к качеству ниобата лития дефлекторов описаны в статье [Роздобудько В.В., Бакарюк Т.В. Акустооптический СВЧ дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука. // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - №1. - с.74-76].

В качестве линейки фотоприемных устройств в спектроанализаторе целесообразно использовать отечественные фотодиодные матрицы типов ФПУ-14 или МФ-14 с параллельным съемом информации. Из зарубежных фотоприемных устройств может быть использована параллельная линейка типа S3954 фирмы «Hamamatsu».

Наряду с перечисленными фотоприемными устройствами в предлагаемом акустооптическом спектроанализаторе могут применяться ПЗС-приборы с последовательным съемом информации, такие как ТН7813А фирмы «e2v» и др. [www.imagemccd.com].

К оптическим элементам, входящим в состав спектроанализатора, особых требований не предъявляется: и коллиматор 2, и интегрирующие линзы 6(1) и 6(2) могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8. Эти же оптические детали могут быть заменены стандартными объективами или заказаны по каталогу [www.edmundoptics.de.]. Поляроиды 4(1) и 4(2) на длины волн (0,4-1,0) мкм также являются стандартными оптическими элементами; они свободно поставляются отечественными и зарубежными фирмами.

Заявляемый технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в увеличении полосы рабочих частот, по крайней мере, в два раза в сопоставлении с аналогами и прототипом. Например, если в прототипе полоса рабочих частот простирается от 1 до 2 ГГц, то в предлагаемом устройстве она может простираться от 1 до 3 ГГц.