Разработка оптического измерителя малых перемещений

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Институт экономики и сервиса
Кафедра «Управление и сервис в технических системах»


УДК 681.5:622.279.8

   


К ЗАЩИТЕ ДОПУЩЕНА

Зав. каф. УСТС, проф., д-р хим. наук 

_______________ Ф.Ф. Хизбуллин

_______________




Разработка оптического измерителя малых перемещений


Выпускная квалификационная работа
(бакалаврская работа)
по направлению подготовки 15.03.02 Технологические машины и оборудование,
профиль «Бытовые машины и приборы»








Студент гр. БОБз-14-01

Е.Н. Милушкин



Руководитель доц., 
канд. техн. наук 


С.В. Чертовских 



Нормоконтролер

С.Ф. Хизбуллина



Уфа 2018

                                                                    Форма № 7-ГЭК
                                                                                             
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
"Уфимский государственный нефтяной технический университет"
Кафедра  Управление и сервис в технических системах
(наименование кафедры)

ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы (ВКР)
(бакалаврской работы)

Студент _                    Милушкин Евгений Николаевич                   __  группа   __БОБз-14-01___
                      (фамилия, имя, отчество полностью) 				                                 (шифр)

Тема бакалаврской работы (БР)  Разработка оптического измерителя малых перемещений
Дата утверждения темы БР на заседании кафедры _____________ «____» _________ 20___ г., протокол № _______
Срок представления БР к защите  «___»____________20___ г.
Исходные данные к выполнению БР:
      1) материалы, собранные студентом при прохождении преддипломной практики;
      2) дополнительные данные: ______________________________________________________
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
Объем текстовой части БР: ________________ листов (страниц) формата А4.
Перечень основных структурных элементов текстовой части БР:
1. Содержание (2 с.). 2. Реферат (1 с.) 3. Введение (2 с.). 
4. __________________________________________________________________________________
                     Раздел, содержание которого определяется спецификой БР (литературный обзор, патентный анализ,
________________________________________________________________________________________
                                            обзор законодательных и нормативных актов, характеристика объекта исследования и т.п.)
_____________________________________________________________________________ (_______ с.).
5. Основная часть: _______________________________________________________________________
                                                                        Структура основной части определяется спецификой и тематикой БР
________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________ (_______ с.).
6. Другие разделы ________________________________________________________________________
                                                  Разделы, содержание которых определяются спецификой БР (экономический, автоматизации,
____________________________________________________________________________ (_______ с.).
                                                           безопасности и экологичности, технологический, архитектуры и др.)
____________________________________________________________________________ (_______ с.).
7. Список использованных источников (________ наимен.). 8. Приложения: ___________________
                                                                                                                                                                                 Перечень приложений
____________________________________________________________________________________.
Объем и перечень иллюстрационно-графического материала ____________________________
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Консультанты по разделам БР (с указанием относящихся к ним разделов)
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Задание выдал:						Задание получил:

Руководитель ВКР 						Студент 

____________    С.В. Чертовских	   		                            ____________  Е.Н. Милушкин
      (подпись)               (И.О. Фамилия)			 		           (подпись)                   (И.О. Фамилия)
__________________						   ___________________
        (дата)									(дата)
     РЕФЕРАТ
     Дипломный проект , 66  л., 19  рис., 11 табл. , 16 источников, 2 приложения 
     РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ. Целью данного дипломного проекта является разработка оптического измерителя малых перемещений. В процессе выполнения выпускной квалификационной работы было дано описание акустооптического эффекта Рамана-Ната, на основе которого реализуется работа измерителя, дан сравнительный анализ принципов работы существующих аналогов и патентов, произведен расчет оптического измерителя.  Работа актуальна, т.к. ее результаты могут найти применение на производственных предприятиях, перерабатывающих предприятиях, машиностроении, и др. отраслях.
     Данный оптический измеритель разработан для существующей потребности в средствах бесконтактных измерений малых перемещений, и видимая возможность обеспечить ее развитым набором решений простыми средствами оптотехники.
     В аналитической части рассмотрены акустооптические эффекты, рассмотрены российские и зарубежные патенты.
     В расчётно-конструкторской части дано описание оптического измерителя, приведены его структурная и принципиальная схемы. 
     Внедрение отсутствует.
     В экономической части проведен функционально - стоимостной анализ.



СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...…………………………………...………………..….…………..………...7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ……...……......…………….…...………..….………..…9
1.1 Акустооптика…………………………..………...……………………….…..…....9
1.2 Акустооптический эффект……………….………...…….…...……...………..…..9
1.3 Фотоупругость……….………………………………...……………………....…11
1.4 Дифракция Рамана-Ната и Брэгга……...…………...………….………...…..….12
1.5 Пьезоэлектрический эффект……………...………...………….………….…..…17
1.6 Акустооптические материалы…………………………………...…………..…..18
1.7 Акустооптический фильтр……………………………………...…………..……22
2  РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ……………...……………….………..……25
2.1 Разработка структурной схемы.………………………………...……...……..…25
2.2 Выбор источника и приемника излучения…………………………………..….26
2.3 Выбор материала оптической ячейки, пьезоэлемента и поглотителя…...........28
2.4 Выбор высокочастотного генератора напряжения….……………………..…..30
2.5 Расчет статистической характеристики преобразователя…………………..…31
2.6 Проектирование генератора синусоидального напряжения………………..…34
2.7 Проектирование усилительного каскада……………………………………..…35
2.8 Проектирование амплитудного детектора………………………………….…..37
2.9 Выбор микросхемы управления источником питания системы 
фильтрации воздуха……………………………………………………………….…39
2.10 Выбор питающих элементов………..……………………..………………..….42
3 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ…….….…………...……..….43
3.1 Актуальность разработки оптического измерителя малых перемещений..…..43
3.2 Функционально-стоимостной анализ……..………………………..………..….43
3.3 Функциональная схема разработки………….…..………………..…………….45
3.4 Экономическое обоснование целесообразности разработки и внедрение оптического измерителя малых перемещений………………………………..…....47
4  ВРЕДНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ…………..………….…......….....52
4.1 Влияние вредных веществ на организм человека……………………….....…..52
4.2 Мероприятия по снижению вредного воздействия опасных и вредных факторов…………….…………………………………………………………….......55
4.3 Защита от запыленности и загазованности воздуха рабочей зоны……..….....58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………...…….......…60
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ….……………………………...…..….61
СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИОННОГО-ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА……..….....63
ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Карта технического уровня………………………...65
ПРЕЗЕНТАЦИЯ
     
     ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
     В настоящей пояснительной записке применяют следующие термины с соответствующими определениями:
     АО –акустооптика;
     ПАВ – поверхностная акустическая волна;
     АОЯ - акустооптическая ячейка;
     УЗ – ультразвук;
     M2 - коэффициент акустооптического качества;
     l — длина области взаимодействия света и звука;
     ОУ – операционный усилитель;
     ФСА – функционально-стоимостной анализ;
     ИП – источник питания;
     АПДФ - Аэрозоли преимущественно фиброгенного действия;
     ПДК – предельно допустимая концентрация;
     КПН – контрольный уровень пылевой нагрузки.



     
     ВВЕДЕНИЕ
     Появление лазеров и создание лазерной техники привело к резкому увеличению количества работ по устройствам управления световым излучением, среди которых одно из первых мест занимают акустооптические приборы. Развитию акустооптики в последнее десятилетие способствовало появление промышленных методов синтеза искусственных кристаллов, в том числе и пьезоэлектрических, совершенствование вакуумной технологии, в частности создание способов изготовления пьезопреобразователей (генераторов ультразвука), обладающих высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в акустическую на частотах от нескольких десятков мегагерц до 1 ГГц.
     Наиболее востребованным практическим приложением акустооптики
является управление световыми потоками с помощью ультразвука в
прозрачной для света среде. Чаще всего процессы акустооптического взаимодействия рассматривались для простых волноводных структур, где наблюдалась дифракция одиночного светового пучка на акустической волне.
     Сейчас уже разработано несколько типов акустооптических приборов. Одни из них выпускаются промышленностью, например, модуляторы и дефлекторы (устройства для отклонения луча), другие находятся на стадии лабораторных исследований. Изучаются области применения акустооптических приборов.
     Акустооптический эффект имеет широкое применение в научных исследованиях и в различных технических устройствах. Акустооптическим методом можно контролировать качество прозрачных материалов и визуализировать акустические поля. Акустооптические фильтры позволяют осуществлять дистанционный химический анализ среды. Кроме того, акустооптические устройства оказываются высокоэффективными для анализа высокочастотных радиосигналов. Важнейшей областью применений являются системы оптической обработки информации, включая элементы систем оптической связи.
       Результаты работ по акустооптике изложены во многих статьях, отражающих состояние определенных направлений исследований. До сих пор не предпринималось попыток более или менее последовательного изложения как теории акустооптического эффекта, так и принципов построения приборов, основанных на нем, и условий их применения. 
    
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
     1.1 Акустооптика
     Акустооптика – раздел физики, изучающий взаимодействие оптических и звуковых волн, а также раздел техники, в котором исследуются и разрабатываются приборы, использующие акустооптическое взаимодействие.
     Акустооптическими называются явления, наблюдаемые при взаимодействии электромагнитных волн с акустическими возмущениями, распространяющимися в упругой среде. При этом наиболее сложные и богатые различными возможностями практического применения явления происходят при распространении акустических и электромагнитных волн в анизотропных твердых телах. Физической причиной взаимодействия электромагнитных и упругих волн является упругооптический эффект, имеющий место в любых упругих средах.
     1.2 Акустооптический эффект
     Акустооптический эффект, известный в научной литературе также как акустооптическое взаимодействие или дифракция света на акустических волнах, был впервые предсказан Бриллюеном в 1921 году и затем экспериментально обнаружен Люка, Бикаром и Дебаем, Сирсом в 1932 году.
     Акустооптическое взаимодействие называют «акустооптическим эффектом». Волна в акустооптическом устройстве возбуждается с помощью различных электроакустических преобразователей, чаще всего пьезоэлектрических. Акустооптические приборы управляются с помощью, электрических сигналов. Акустооптический эффект имеет широкое применение в научных исследованиях и в различных технических устройствах. Акустооптическим методом можно контролировать качество прозрачных материалов и визуализировать акустические поля. Акустооптические фильтры позволяют осуществлять дистанционный химический анализ среды. Кроме того, акустооптические устройства оказываются высокоэффективными для анализа высокочастотных радиосигналов. Важнейшей областью применений являются системы оптической обработки информации, включая элементы систем оптической связи.
     В основе акустооптического взаимодействия лежит более общий эффект фотоупругости, заключающийся в изменении диэлектрической проницаемости среды под действием механической деформации a. Феноменологически этот эффект описывается как изменение коэффициентов оптической индикатрисы Bi, вызванное деформацией aj:
     ?Bi = pijaj  ,                                                                                                         (1.1)
     где  pij- компоненты тензора фотоупрогости, i,j = 1,2,…,6. 
     В случае акустооптического эффекта деформация aj  создается акустической волной, возбуждаемой в прозрачной среде. Поэтому каждая акустическая волна сопровождается волной изменения показателя преломления среды. Для плоской монохроматической акустической волны, распространяющейся по оси z, можно записать:
     n(z, t) = n + ?n cos (2?ft - Kz) ,                                                                          (1.2)
     где n - невозмущенный показатель преломления, f и K - частота и волновое число акустической волны, ?n - амплитуда изменения показателя преломления под действием акустической волны
                                                                                                 (1.3)
     Для падающего света среда с показателем преломления (1.2) представляет собой дифракционную решетку, движущуюся со скоростью звука v. Проходя через такую среду, свет дифрагирует на неоднородностях показателя преломления, формируя в дальней зоне характерную дифракционную картину.
     При рассмотрении дифракции света на монохроматической акустической волне в первую очередь выделяют два предельных режима: рамана-ната и брэгга.
     Практически в каждом акустооптическом устройстве акустическая волна возбуждается с помощью того или иного электроакустического преобразователя, чаще всего пьезоэлектрического. Таким образом, акустооптические приборы управляются с помощью электрических сигналов - высокой частоты, которые вырабатываются в соответствующих электронных блоках управления. В связи с этим акустооптика считается ветвью функциональной электроники. Основные акустооптические явления: 
     1) Дифpакция cвета на ультразвуке (акустооптическая дифракция); 
     2) Pефракция cвета на ультpазвуке (акустооптическая рефракция); 
     3) Уcиление cлабых акустических волн, а также их генерация под действием мощной оптической волны (фотоакустические или оптоакустические явления). 
     Под акустооптическими явлениями в узком смысле понимают только дифракцию и рефракцию света на ультразвуке. Акустооптическая pефракция - изменение хода cветовых лучей в неоднородно деформированной среде, возникает, если попеpечный pазмеp светового пучка (d) значительно меньше длины звуковой волны, т. е. d? ?.
1.3  Фотоупругость
     Фотоупругость, фотоэластический эффект, пьезооптический эффект – возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твёрдых телах под действием механических напряжений, открыта Т. И. Зеебеком (1813) и Д. Брюстером (1816). Связь между колебаниями решетки и световой волной обусловлена фотоупругостью. Показатель преломления прозрачного материала является функцией не только внешнего электрического поля, но и механического напряжения, приложенного к кристаллу. Напряжение вызывает в кристалле деформацию, которая может изменить поляризацию, а, следовательно, и показатель преломления. Таким образом, оптические свойства кристалла изменяются под действием напряжения. Скорость света в среде, как известно, определяется соотношением: ?? 1 c ? , где ? и ? – диэлектрическая и магнитная проницаемость соответственно.
     1.4 Дифракция Рамана-Ната и дифракция Брэгга
     В 1935–36 гг. С. В. Раман и Н. С. Нат  представили свою теорию дифракции, в первоначальном варианте которой предполагалось, что звуковой столб подобен двумерной фазовой решетке, в которой световые лучи не изменяют своего направления. Такое рассмотрение дало распределение интенсивности света по дифракционным порядкам, описываемое функциями Бесселя. Последующие исследования показали, что эта теория применима лишь для очень узких звуковых столбов, когда волновой параметр намного меньше единицы:
    Q = ?l/?2 ,                                                                                                         (1.4)
     В этом выражении ? — длина волны света в вакууме; ? — длинаволны ультразвука; l — длина области взаимодействия света и звука; ? — показатель преломления среды. В дальнейших работах Раман и Нат отказались от модели простой фазовой решетки и перешли от волнового уравнения к бесконечной системе связанных дифференциальных уравнений, которые описывают пространственное поведение различных дифракционных порядков при прохождении света через звуковой столб. Эти уравнения были введены для случая малых углов дифракции ?/?n1.
     Существенный вклад в исследование дифракции света на ультразвуковых волнах внес С. М. Рытов. Он связал строгое решение Бриллюэна с приближенной теорией Рамана-Ната и разработал метод «плавных возмущений», позволивший рассчитать интенсивности спектров в случае нормального падения света на ультразвуковой столб.
     Интерес к проблеме дифракции света на акустической волне усилился в 50-ые и 60-ые годы, когда проблема была сформулирована в терминах интегральных уравнений, параметрической теории, законов сохранения энергии и импульса фотон-фононного взаимодействия.
     Физическая картина дифракции света на упругой волне может быть описана следующим образом. Распространение акустической волны в упругооптической среде сопровождается появлением в этой среде бегущей периодической последовательности изменений показателя преломления. Если период этой последовательности меньше ширины светового пучка, то в среде происходит дифракция света на бегущей со скоростью звука фазовой дифракционной решетке. Характер этой дифракции существенно зависит от длины области взаимодействия света и звука l . При достаточно малом l дифракционная решетка может рассматриваться как плоская. В этом случае направления на дифракционные максимумы определяются как в обычной плоской дифракционной решетке:
      ,                                                                            (1.5)
     где - направление на p-ый дифракционный максимум, - угол падения света.
     Таким образом, при достаточно малой длине области взаимодействия света и звука, дифракционная картина представляет собой набор значительного числа дифракционных максимумов, расположенных симметрично относительно направления падающего света. Такая дифракция называется дифракцией Рамана-Ната, она происходит при любом угле падения света на ультразвуковой столб.
        При дифракции Рамана-Ната можно считать, что световой луч проходит через область взаимодействия прямолинейно. Пренебрежение искривлением луча внутри области взаимодействия эквивалентно предположению о чисто фазовой модуляции света при его взаимодействии с упругой волной. Разлагая фазомодулированную волну на выходе из области взаимодействия в угловой спектр, можно получить характерную для дифракции Рамана-Ната  картину с большим числом дифракционных максимумов (рисунок 2 - а).
     Существенно иной характер имеет дифракция света на ультразвуке при большой длине l. Дифракционная решетка в этом случае является трехмерной и при анализе дифракционной картины необходимо учитывать фазовые соотношения между волнами в направлении длины области взаимодействия. Характер дифракции света на ультразвуковой волне с большим  l подобен дифракции рентгеновских лучей на кристаллической структуре. Такая дифракция происходит только при определенном угле падения света на ультразвуковой столб, удовлетворяющем так называемому условию Вульфа-Брэгга. Эта дифракция носит название дифракции Брэгга. Для дифракции Брэгга характерно наличие лишь одного дифракционного максимума, который образуется отражением падающего света от фронта бегущей световой волны (рисунок 2 - б).
     Режимы дифракции Рамана-Ната и Брэгга представляют собой два предельных случая, соответствующих малым и большим длинам области взаимодействия света и звука. Плавный переход между этими режимами происходит при непрерывном изменении длины области взаимодействия света и звука . Таким образом, по мере увеличения длины области взаимодействия света и звука, происходит уменьшение числа дифракционных максимумов и сужение допустимых пределов углов падения света. Строгие границы режимов дифракции не могут быть установлены еще и по той причине, что число дифракционных максимумов существенно зависит от мощности ультразвуковой волны Pa, вызывающей дифракцию света. С увеличением Pa, число дифракционных максимумов, растет.
     
     
     Рисунок – 1.1  Схема дифракции Рамана-Ната
     
     Рисунок – 1.2 Схема сравнения дифракции света на ультразвуке:
     а — дифракция Рамана-Ната;        б — дифракция Брэгга
     Рассмотрим два предельных случая: малые и большие длины области взаимодействия света и звука. Будем кроме того считать, что длина волны ультразвука много больше длины волны света в среде:
     ,                                                                                                            (1.6)
     В этом случае углы дифракции достаточно малы и изменением длины волны света при дифракции можно пренебречь. Тогда:
                                                                                                                                  (1.7)
                                                                                                                                  (1.8)
     Равенствами можно пользоваться при не слишком больших углах падения света и номерах дифракционных максимумов p.
      Распределение интенсивности света по дифракционным максимума описывается соотношениями:
                                                                                                                                  (1.9)
     где  — интенсивность света в p-том дифракционном максимуме,  — интенсивность падающего света. Графики зависимости интенсивности света в нулевом, первом и втором максимумах от ql приведены на рис. 2. 
     
     Рисунок  – 1.3  Зависимость интенсивности света в дифракционных максимумах от ql при дифракции Рамана-Ната:
     1 — нулевой максимум; 2 — первый максимум; 3 — второй максимум
     Для такой дифракции характерно наличие значительного числа дифракционных максимумов, симметрично расположенных относительно угла падения света . Интенсивности света в симметричных дифракционных максимумах равны: 
     эффект
     Сущность прямого пьезоэлектрического эффекта заключается в том, что в результате сжатия пьезоэлектрика и вызванной этим сжатием деформацией, происходит электрическая поляризация кристалла и на его поверхности возникают связанные электрические заряды, пропорциональные приложенному давлению.
     Обратный пьезоэффект выражается в появлении механических деформаций в кристалле под действием приложенного электрического поля. В значительных пределах деформация прямо пропорциональна приложенному напряжению. Пьезоэффектом обладают диэлектрические кристаллы: кварц, турмалин, сегнетова соль, титанат бария и др. 
     Возникновение пьезоэлектрического эффекта можно пояснить нарушением внутреннего равновесия в кристаллической структуре под воздействием различных факторов. При наличии деформации в направлении, которому соответствует пьезоэффект, ориентация диполей изменяется таким образом, что нарушается взаимная компенсация разноименных зарядов, и кристалл поляризуется. В отсутствии деформации поляризация отсутствует, так как эквивалентные диполи элементарных ячеек кристаллической решетки ориентированы таким образом, что разноименные заряды на гранях кристалла уравновешивают друг друга.
     Пьезоэлектрический эффект проявляется в наибольшей мере по определенным для каждого кристалла полярным осям, симметричным относительно его структурной формы, и используется в измерительной технике для получения преобразователей механической энергии в электрическую или электрической в механическую.
     Выбор пьезоэлектрического материала является важным этапом проектирования датчиков. Пьезоэлектрические материалы анизотропны, их механические и электрофизические свойства различны по различным кристаллографическим  направлениям кристалла. Пьезоэлектрические материалы могут быть  охарактеризованы с помощью ряда безмерных констант – коэффициентов связи, которые являются прямой мерой интенсивности электромеханического эффекта.
     Соответствующий эффективный (для конкретного образца) коэффициент связи определяет ширину полосы фильтра или преобразователя.
     Коэффициент электромеханической связи может быть определен как корень квадратный из отношения генерируемой кристаллом электрической энергии(в случае прямого пьезоэффекта) или как корень квадратный из отношения генерируемой кристаллом механической энергии ко всей подведенной электрической энергии(обратный пьезоэффект). Величина такого коэффициента связи зависит от конкретных электрических и механических граничных условий. 
     В настоящее время известно около 1500 кристаллических веществ, обладающих пьезоэффектом.
     Из них наибольшее распространение получил кварц, так как он при наличии сильно выраженного пьезоэффекта одновременно имеет высокую механическую прочность, отличается высокими изоляционными свойствами, мало зависящими от температуры.
     1.6 Акустооптические материалы
     Акустооптический эффект имеет место во всех без исключения средах. Однако, применяемый в акустооптических устройствах, материал должен удовлетворять следующему ряду требований: должен быть прозрачным в соответствующей области оптического спектра, обладать большим значением акустооптического качества, слабо поглощать звук внутри рабочего интервала акустических частот, постоянная фoтoупругости и коэффициент преломления велики, поглощение и скорость звука малы.
     В акустооптике используются как жидкие, так и твердые вещества. Жидкие (вода и целый ряд органических жидкостей) обладают очень высокими значениями акустооптического качества, но сильно поглощают звук на высоких частотах. Твердые материалы обладают значительно меньшим звукопоглощением, широким диапазоном значений акустооптического качества и большим разнообразием оптических свойств.
     Для предсказания свойств акустооптического материала Пинноу предложил правила, оказавшиеся достаточно эффективными. Основываясь на физических параметрах, входящих в выражение для акустооптического коэффициента качества, он установил, что его величину можно оценить, исходя из химической формулы материала и его плотности. Далее, если известна твердость и растворимость в воде, то М2 можно определить с ошибкой не более чем в пять раз. Исследования в этом же направлении продолжены в работе, где отмечается, например, что вещества с высоким коэффициентом качества имеют, как правило, большие акустические потери.
     В настоящее время перечень материалов, рекомендуемых различными авторами в качестве акустооптических сред , превышает сто наименований. Тем не менее даже беглый обзор литературы показывает, что подавляющее большинство наиболее интересных и значительных работ в области акустооптики было сделано практически на одних и тех же немногих материалах. Так, многие зарубежные фирмы, такие как Zenith и другие, в промышленных дефлекторах и модуляторах видимого диапазона отдают предпочтение одному из наименее экзотических материалов— стеклу.
     Причина заключается в том, что обычно от материалов требуют большие значения коэффициента акустооптического качества M2, малое акустическое затухание; сравнивают их по скорости звука. Меньшее внимание уделяют оптическому качеству, технологичности, которые при существующих способах изготовления акустооптических устройств и конкретных условиях работы могут предопределить выбор. Так, например, именно низкие оптические потери плавленого кварца обусловливают его применение в импульсных модуляторах добротности резонаторов твердотельных лазеров и для вывода излучения из резонатора Не—Ne-лазера (??=0,63 мкм), несмотря на то, что  кварц имеет малый коэффициент качества.
     Остановимся кратко на тех акустооптических материалах, которые представляются перспективными именно в этом смысле. Это плавленый кварц SiО2, молибдат свинца РЬМоО4, стекло — тяжелые флинты, двуокись теллура ТеО2. 
     1. Плавленый кварц. Коэффициент качества М2= 1,56 ·10~18 с 3 /г. Плавленый кварц является материалом, относительно которого определяют акустооптическое качество других материалов. Значение М2 любого материала выражают относительно величины М2 SiO2, которую принимают равной единице. Плавленый кварц имеет малый коэффициент затухания звука, низкие оптические потери и высокое оптическое качествo. Применяется для работы внутри резонаторов лазеров.
     2.  Молибдат свинца. Один из наиболее распространенных акустооптических материалов видимого и ближнего ИК диапазонов. Имеет высокий коэффициент качества М2=23 и малое акустическое затухание. Широко используется в модуляторах и дефлекторах. Образцы с высоким оптическим качеством могут иметь размеры до нескольких сантиметров, что обусловливает его применение в дефлекторах с большим разрешением.
     3. Тяжелые флинты. Невысокий коэффициент качества (М2—3—10) и большое акустическое затухание (3— 10 дБ на 1 см при 100 МГц) компенсируются хорошими оптическими свойствами и технологичностью. Применяются в модуляторах видимого диапазона на частотах до 100 МГц.
     4. Двуокись теллура (парателлурит). Парателлурит применяется в анизотропных дефлекторах с высокой разрешающей способностью и в акустооптических фильтрах.
     5.  Германий. Самый распространенный акустооптический материал в дальнем и ближнем ИК диапазоне. Коэффициент качества М2=540 при сравнительно небольшом коэффициенте затухания. Обладает высокой теплопроводностью, технологичен, широко применяется в акустооптических устройствах ИК диапазона.
     В таблице - 1 приводятся параметры акустооптических материалов, хотя и не используемых в серийных приборах, но довольно часто встречающихся в статьях различных авторов. Разработка новых акустооптических материалов чрезвычайно важна для улучшения параметров приборов. В видимом диапазоне, как это следует из приведенных таблиц, имеется достаточно широкий набор материалов. Гораздо хуже обеспечено акустооптическими веществами и приборами излучение лазеров на длине волны 10,6 мкм, где используют практически только один материал — германий. Поскольку эффективность дифракции обратно пропорциональна квадрату длины волны излучения, для достижения удовлетворительных параметров приборов требуется материал с гораздо более высоким коэффициентом акустооптического качества, сохраняющий остальные положительные свойства германия.
Таблица 1.1 - Акустооптические свойства материалов
Материалы
     Среда
Звук
Свет
М2· 10 -15 , О с3/кг
качеств
     
формула
Плотн-ость ?, г/см3
Показате-ль преломл-ения,n
скорость c · 103 , м/с
длина волны в вакууме, ?0, мкм
     
  Вода
Н2О
1
1,33
1,5
0,63
160
Плавленый кварц
SiO2
2,2
1,46
5,96
3,76
0,63
0,63
1,56
0,46
Молибдат свинца
PbMoO4
6,95
n0=2,36
ne=2,25
3,75
0,63
35,6
Парателлурит
TeO2
5,99
n0=2,43
ne=2,27
4,2
0,617
0,63
0,63
34,5
793
Германий
Ge
5,33
4
3,57
4
190
Тяжелые флинты (Оргстекло)
CH2C
(CH3)
1,15
1,49
2700
0,63
4.646
Теллур
Te
6,24
n0=4,8
ne=6,2
2,2
10,6
4400
     1.7 Акустооптический фильтр
     Когда световая и ультразвуковая волны взаимодействуют в оптически анизотропном материале, для ультразвуковой волны определенной частоты свет определенной длины волны может взаимодействовать и диффундировать. Устройства для выбора света определенной длины волны от падающего светового пучка, используя это явление, называются акустооптическими фильтрами.
     Акустооптические фильтры могут быть разделены на два широких класса: один называется коллинеарным, а другой - неколлинеарным. Коллинеарный тип представляет собой акустооптические фильтры, в которых световые волны распространяются вдоль одной и той же линии, чтобы вызвать взаимодействие между m оптически анизотропной средой, а неколлибельный тип представляет собойте, в которых световая и ультразвуковая волны не распространяются вдоль той же линии. Неколлибельный тип включает дальнодействующий анизотропный брэгговский дифракционный тип и изотропный брэгговский дифракционный тип. В фильтрах обоих этих типов угол между направлениями распространения световой и ультразвуковой волн сдвигается от прямого угла. Это изобретение касается, в частности, акустооптических фильтров, использующих внеосевую анизотропную брэгговскую дифракцию. 
     Когда свет и ультразвуковые волны взаимодействуют в кристалле, в котором существуют две фазовые скорости света в направлении пропагации, происходит дифракция света. Фаза дифрагированного света может изменяться на 180 ° по сравнению с фазой падающего света, и может меняться состояние поляризации. Это так называемая анизотропная брэгговская дифракция. Эта дифракция происходит там, где падающий свет делает небольшой угол с фронтом ультразвуковой волны, а также там, где он делает большой угол. Дифракционное явление при большом падающем угле света называется дальнодействующей анизотропной брэгговской дифракцией, а дифракция при меньшем падающем угле называется анизотропной брэгговской дифракцией. 
     В последние годы наметилась тенденция увеличения применения различных физических эффектов для построения новых устройств для систем экологического мониторинга. Особенно заметен рост проявления интереса к акустооптическому эффекту.
    Больший .......................