Способ адаптивной обработки оптического сигнала

Способ адаптивной обработки оптического сигнала

Реферат

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в конструкциях оптических фильтров, предназначенных для обработки изменяющихся по времени оптического излучения на выходе волоконно-оптического интерферометра или спеклового излучения, полученного после взаимодействия когерентного лазерного излучения с исследуемым объектом, в условиях медленных или однократных изменений обрабатываемого сигнала, вызванных неконтролируемым воздействием внешних факторов.

Известен способ адаптивной обработки оптического сигнала, включающий его подачу на входную грань фоторефрактивного кристалла, в котором предварительно формируют фазовую дифракционную решетку с использованием фоторефрактивного эффекта, при этом предусмотрена подача двух оптических сигналов, один из которых является носителем обрабатываемого сигнала, а другой - опорным. Сигналы распространяются в кристалле под малым углом, в результате чего в кристалле формируется дифракционная решетка пропускающего типа (см. работы Hall T.J., Fiddy M.A., Ner M.S. Detector for an optical-fiber acoustic sensor using dynamic holographic interferometer // Optics Letters. - 1980. - Vol.5. - No.11. - P.485-487 или Delaye Ph., Blouin A., Drolet D., de Montmorillon L.A., Roosen G., Monchalin J.-P. Detection of ultrasonic motion of a scattering surface by photorefractive InP:Fe under an applied dc field // J. Opt, Soc. Am. B. - 1997. - Vol.14. - No.7. - P.1723-1734 или Honda T, Yamashita Т., Matsumoto H. Optical measurement of ultrasonic nanometer motion of rough surface by two-wave mixing in Bi₁₂SiO₂₀ // Japan J. Appl. Phys. - 1995. - Vol.34. - P.3737-3740 или Kamshilin A.A., Prokofiev V.V. Fast adaptive interferometer with a photorefractive GaP crystal // Optics Letters. - 2002. - Vol.27. - No.l9. - P.1711-1713).

Недостаток этого технического решения - обязательное наличие внешней опорной волны, кроме того, формируемая в кристалле дифракционная решетка пропускающего типа обладает меньшей дифракционной эффективностью по сравнению с отражательной решеткой, поэтому для повышения эффективности используется внешнее постоянное или знакопеременное электрическое поле напряженностью до 20 кВ/см.

Известен также способ адаптивной обработки оптического сигнала, включающий его подачу на входную грань фоторефрактивного кристалла, в котором предварительно формируют фазовую дифракционную решетку с использованием фоторефрактивного эффекта (см. работу Кульчин Ю.Н., Ромашко Р.В., Пискунов Е.Н., Камшилин. А.А. Многоканальный корреляционный фильтр на основе фоторефрактивного кристалла для обработки изменяющихся спекловых полей // Письма в ЖТФ. - 2000. - Том. 26. - С.23-27).

Этот способ основан на эффекте фаннинга, известном как процесс самодифракции световой волны, вводимой в фоторефрактивный кристалл, заключается в перекачке энергии этой волны в волны, рассеянные на самосогласованной дифракционной решетке, записанной в кристалле, при этом в отличие от аналогов дифракционная решетка формируется без внешней опорной волны.

Недостаток этого технического решения - из-за недостаточной дифракционной эффективности формируемой решетки (пропускающего типа) также требуется использование внешнего электрического поля.

Решаемая техническая задача - обеспечение энергонезависимости процесса обработки оптического сигнала (исключение необходимости приложения внешнего электрического поля к фоторефрактивному кристаллу, используемому при реализации способа).

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении автономности системы, обеспечивающей реализацию способа, поскольку высокая эффективность взаимодействия встречных световых волн (и, следовательно, высокая дифракционная эффективность, формируемой в фоторефрактивном кристалле дифракционной решетки отражающего типа) обеспечивается вследствие ее малого пространственного периода.

Для решения поставленной задачи способ адаптивной обработки оптического сигнала, включающий его подачу на входную грань фоторефрактивного кристалла, в котором предварительно формируют фазовую дифракционную решетку с использованием фоторефрактивного эффекта, отличается тем, что формируют фазовую дифракционную решетку отражательного типа, для чего оптический сигнал, длительность которого превышает характерное время формирования фазовой дифракционной решетки, подают близко к нормали через входную грань фоторефрактивного кристалла среза (100) или (111), на его выходную грань, сформированную под углом до 10° ко входной, при этом в качестве выходного сигнала используют часть входного сигнала, отраженную фазовой дифракционной решеткой. Кроме того, до подачи оптического сигнала на входную грань фоторефрактивного кристалла его преобразуют в квазиплоскую волну, которую затем линейно поляризуют.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:

Признак "...формируют фазовую дифракционную решетку отражательного типа..." обеспечивает высокую дифракционная эффективность формируемой в фоторефрактивном кристалле дифракционной решетки, что позволяет обеспечить энергонезависимость процесса обработки оптического сигнала.

Признаки "...оптический сигнал, длительность которого превышает характерное время формирования фазовой дифракционной решетки, подают близко к нормали через входную грань фоторефрактивного кристалла среза (100) или (111) на его выходную грань, сформированную под углом до 10° ко входной, ..." определяют необходимые пространственно-временные параметры подачи оптического сигнала на фоторефрактивный кристалл, при соблюдении которых обеспечивается возникновение фазовой дифракционной решетки "автоподдерживаемой" и "авторегулируемой" (самим подаваемым оптическим сигналом).

Признаки "...в качестве выходного сигнала используют часть входного сигнала, отраженную фазовой дифракционной решеткой..." обеспечивают возможность выявления изменений интенсивности входной волны, т.е. формирование информационного (измерительного) сигнала, свидетельствующего об изменениях измеряемого параметра физического поля, воздействующего на измерительный участок.

Признаки второго пункта формулы обеспечивают повышение эффективности процесса обработки оптического сигнала, поскольку обеспечивают его "упорядочение".

На чертеже показана схема установки, обеспечивающей реализацию способа.

На чертеже показана установка для адаптивной обработки оптического сигнала, включающая систему линз 1, поляризатор 2, диафрагма 3, фоторефрактивный кристалл 4, например, выполненный из Bi₁₂TiO₂₀, содержащий входную грань 5 (ориентированную как срез (100) или (111) фоторефрактивного кристалла и его выходную грань 6 (которая близка к параллельности с входной гранью - наклонена к ней под углом до 10°). Кроме того, показаны фазовая дифракционная решетка 7 отражательного типа, фотодетектор 8, например фотодиод, выход которого связан с селективным вольтметром 9 (для визуализации результатов измерений могут использоваться и средства, выполненные на иной элементной базе, сопрягаемые с другими узлами установки для адаптивной обработки оптического сигнала). Кроме того, показаны на чертеже спекловое излучение 10, полученное после взаимодействия когерентного лазерного излучения с исследуемым объектом (или расходящееся оптическое излучение на выходе волоконно-оптического интерферометра), входящая (квазиплоская) оптическая волна (сигнал) 11, отраженная оптическая волна (сигнал) 12. Названные элементы не отличаются от известных используемых по аналогичному назначению, за исключением фоторефрактивного кристалла 4, при использовании которого должно обеспечиваться распространение входящей (квазиплоской) оптической волны 11 вдоль кристаллографической оси [100] или [111], что обеспечивается, соответственно, ее нормальной подачей на срез (100) или срез (111), т.е. один из этих срезов должен быть перпендикулярен направлению входящей оптической волны 11.

Заявленный способ реализуется следующим образом

Расходящееся оптическое излучение на выходе волоконно-оптического интерферометра или спекловое излучение, полученное после взаимодействия когерентного лазерного излучения с исследуемым объектом, с помощью системы линз 1 преобразовывается в квазиплоскую волну, имеющую в общем случае сложное распределение интенсивности, которая после прохождения поляризатора 2 и диафрагмы 3 попадает на входную грань 5 фоторефрактивного кристалла 4 и распространяется в его толще вдоль кристаллографической оси [100] или [111]. После отражения части входной волны от выходной грани 6 кристалла 4 в последнем распространяется две встречные взаимно-когерентные оптические волны (входящая 11 и отраженная 12), интерференция которых, вследствие фоторефрактивного эффекта, формирует в кристалле 4 фазовую дифракционную решетку 7 отражательного типа. Решетка 7 формируется в кристалле в течение определенного времени (времени записи), которое зависит от типа кристалла, наличия в нем примесей и от общей интенсивности входного излучения. Возникновение в кристалле дифракционной решетки приводит к дифракции на ней входной волны в направлении обратном ее распространению (отражение на решетке). В качестве выходного сигнала используют часть входного сигнала (входящей (квазиплоской) оптической волны 11), отраженную фазовой дифракционной решеткой, которую и принимает фотодетектор 8 и измеряют селективным вольтметром 9 по показаниям которого и судят об изменениях интенсивности отраженной (дифрагированной) оптической волны 12.

Интенсивность отраженной (дифрагированной) волны растет до насыщения в течение времени записи решетки. Если распределение интенсивности входной волны изменяется за время меньшее времени записи, то в отраженной волне происходит изменение общей интенсивности или ее состояния поляризации (в зависимости от состояния поляризации входной волны). Изменение состояния поляризации определяется с помощью анализатора (показан на чертеже пунктиром). Все изменения в отраженной волне происходят на частоте второй гармоники, если изменения интенсивности входной волны происходит по синусоидальному закону. Если изменения входной волны происходят за времена, превышающие время записи решетки, то старая решетка сотрется в кристалле и запишется новая, соответствующая новому распределению интенсивности. В этом случае интенсивность (или поляризационное состояние) отраженной волны изменяться не будут. В этом заключается адаптивность предлагаемого фильтра, который будет способен подстраиваться под медленные или однократные изменения обрабатываемого сигнала, вызванные неконтролируемыми воздействиями внешних факторов.

1. Способ адаптивной обработки оптического сигнала, включающий его подачу на входную грань фоторефрактивного кристалла, в котором предварительно формируют фазовую дифракционную решетку с использованием фоторефрактивного эффекта, отличающийся тем, что формируют фазовую дифракционную решетку отражательного типа, для чего оптический сигнал, длительность которого превышает характерное время формирования фазовой дифракционной решетки, подают близко к нормали через входную грань фоторефрактивного кристалла среза (100) или (111) на его выходную грань, сформированную под углом до 10° ко входной, при этом в качестве выходного сигнала используют часть входного сигнала, отраженную фазовой дифракционной решеткой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что до подачи оптического сигнала на входную грань фоторефрактивного кристалла его преобразуют в квазиплоскую волну, которую затем линейно поляризуют.