Перспективные направления развития аппаратурного обеспечения ао-процессоров

Расширение диапазона рабочих частот

Краткий обзор методов

В практике акустооптических измерителей (АОИ), в части полосы рабочих частот Д1', к широкополосным принято относить устройства с Д1‘ = 1 ГГц и более. При этом полоса частот измерителя, построенного в соответствии с типовой схемой [52J, полностью определяется полосой акустооптического дефлектора (АОД), работающего в режиме брэгговской дифракции [1,2]. Следовательно, для расширения рабочего диапазона частот типового АОИ неизбежно приходится искать пути расширения полос самих АОД, что зачастую сопровождается значительными материальными и технологическими затратами.

Ниже кратко представлены авторские способы, позволяющие расширить (иногда значительно) частотный диапазон измерителя, применяя в составе АОИ самые «обычные» и технологически доступные дефлекторы.

Конструктивно типовой АОИ представляет собой блок, на массивном основании которого (не считая источника вторичного питания) размещены как элементы оптической схемы (лазер, АОД, линейка фотоприемников, Фурье-объектив и вспомогательная оптика), так и электронные компоненты СВЧ-тракта и цифровой обработки. Вспомогательная цилиндрическая оптика служит для согласования исходного пучка лазерного источника с апертурой AO-дефлектора (назовем эту часть оптики коллиматором), а также дифрагированного пучка — с фотоприемником (эту часть назовем согласующим элементом).

В одном из способов расширения рабочей полосы частот АОП используется то обстоятельство, что эффективность дифракции АОдефлекторов гигагерцового диапазона с поверхностным встречноштыревым преобразователем (ВШП) в диапазоне уровней обрабатываемого сигнала не превышает долей процента и, значит, мощность падающего на АОД светового пучка после AO-взаимодействия практически не уменьшается и может использоваться повторно [60].

Схема измерителя, поясняющая данный принцип, приведена на рис. 4.1. В данной схеме пучок лазера 1, пройдя коллиматор 2, падает на серию идентичных дефлекторов 3 под одинаковыми (с точностью, определяемой юстировкой) углами 0бДифрагированные пучки от каждого из АОД взаимодействуют со своими, но идентичными Фурьеобъективами 8 и фотоприемниками 9.

Рис. 4.1.

Селекция поддиапазонов происходит в приемном устройстве, состоящем из делителя 6, смесителей 5, гетеродинов 7 и усилителей 4;

последние, очевидно, работают в одном диапазоне. В случае, когда АОИ является частью некоего комплекса, приемное устройство может быть выведено из состава AO-измерителя, упрощая и облегчая его конструкцию.

Достоинство такой схемы заключается в идентичности и взаимозаменяемости ее составляющих, а также в использовании единственного лазерного источника. К недостаткам можно отнести: ухудшение массо-габаритных характеристик; усложнение приемной части необходимостью введения дополнительных смесителей и гетеродинов; «амплитудное» влияние предыдущих каналов на последующие при значительных уровнях сигналов.

Другой способ расширения полосы частот может быть использован в измерителях на основе АОД с ВШП, формирующим в дальней зоне диаграмму направленности акустического поля в виде двух основных лепестков. Этот способ подробно будет рассмотрен в следующем разделе.

При расширении рабочих частот АО-измсритслсй диапазон полевых углов Фурье-объектива неизбежно возрастает. Данное негативное обстоятельство, наряду с уменьшением фокусного расстояния объектива, проявляется в увеличении поперечных аберраций и, как следствие, в появлении ошибок измерения параметров.

Так, например, при полосе рабочих частот Af =500 МГц и расстоянии R = 45 мм между АОД и объективом с фокусом F= 105 мм требуемое поле зрения объектива составляет 0 = 5,23° при апертуре у = 8,04 мм, а величина поперечных аберраций в плоскости изображения равняется р = 6,4 мкм. При расширении полосы, к примеру до Af = 1200 МГц, фокус объектива уменьшается до F = 60 мм, а поле, апертура и аберрации увеличиваются, соответственно, до значений: 0=13,5°, у =14,43 мм и р= 114,6 мкм, т. е. величина поперечных аберраций увеличивается более чем на порядок.

Рассматриваемые ниже примеры схем АОП направлены не столько на расширение полосы рабочих частот измерителя, сколько на устранение или снижение негативных последствий такого расширения.

Очевидным способом снижения величин поперечных аберраций является уменьшение входной апертуры объектива, что достигается сокращением расстояния R до некоторого минимального (R_mi_n на рис. 4.2), при котором все еще сохраняется пространственное разделение падающего на АОД и дифрагированного пучков, являющегося гарантией отсутствия паразитных засветок за счет рассеянного в объективе света [61].

Рис. 4.2.

Предельным вариантом развития данной идеи является объединение в одном элементе функций AO-дефлектора и Фурье-объсктива (рис. 4.3) [62, 63].

Рис. 4.3.

На рис. 4.2 и 4.3: 1 — лазер, 2 — коллиматор, 3 — АОД, 4 — ФПУ, 5 — объектив.

Достоинством такой схемы является снижение аберрационных искажений оптической системы до минимально возможных. Аберрации в данном случае снижаются благодаря и уменьшению апертуры объектива, и большей оптической плотности кристалла АОД по сравнению с оптическим стеклом.

Еще одним положительным эффектом данного решения является устранение паразитных персотражений в линзе объектива ввиду се отсутствия как отдельного элемента. Единственным «недостатком» является «привязанность» такого АОД-объектива к протяженности активной области ФПУ. Но так как тип ФПУ в измерителях обычно не меняется в течение очень длительного промежутка времени и так как такая замена более сложна и затратна, чем изготовление требуемого АОД, то этот факт рассматривать как «недостаток» можно лишь формально.

Описываемые схемные решения позволяют значительно расширить полосы анализа АОИ, используя доступную элементную базу. По этой причине, а также в связи с тем, что степень усложнения традиционной конфигурации АОИ не выходит за рамки конструкционных доработок, предложенные варианты широкополосных АОИ можно рекомендовать к практическому использованию.