The scientific and practical significance of the synthesis of demodulators in solving the problem of monitoring unknown radio emissions has been substantiated. Features of the photoelastic effect are discussed in the context of constructing an amplitude demodulator. A mathematical model of the signal generation process at the output of the demodulator has been developed. It is shown that the output signal of this model is a copy of the information contained in the radio signal at the input of demodulator. In this case, the amplitude demodulator also performs the function of a low-pass filter with a characteristic cutoff frequency. A method for calculating the demodulator cutoff frequency based on the transient response is proposed. A breadboard of acousto-optic amplitude demodulator based on Bragg’s cell with the central frequency of 80 MHz has been created. A number of experimental studies were conducted to verify the established concepts. The demodulation processes of signals with amplitude and pulse modulation were considered. It has been proved by experiment that the acousto-optic amplitude demodulator reproduces information with accuracy sufficient for practice. An example of determining the cutoff frequency of acousto-optic amplitude demodulator by employing the shape of the output pulse is presented.

Обґрунтовано науково-практичну значущість синтезу демодуляторів у вирішенні задачі моніторингу невідомих радіовипромінювань. Особливості фотопружного ефекту обговорюються у контексті побудови амплітудного демодулятора. Побудовано математичну модель процесу формування сигналу на виході демодулятора. Аналіз цієї моделі показав, що вихідний сигнал є копією інформації, що міститься у радіосигналі на вході демодулятора. При цьому амплітудний демодулятор виконує функцію фільтра нижніх частот, який характеризується частотою зрізу. Запропоновано метод розрахунку частоти зрізу демодулятора на основі перехідної характеристики. Створено лабораторний зразок акустооптичного амплітудного демодулятора на основі комірки Брегга з центральною частотою 80 МГц. Для перевірки встановлених положень проведено низку експериментальних досліджень. Розглянуто процеси демодуляції сигналів з амплітудною та імпульсною модуляцією. Експериментально доведено, що акустооптичний амплітудний демодулятор відтворює інформацію з достатньою для практики точністю. Наведено приклад визначення частоти зрізу акустооптичного амплітудного демодулятора за формою вихідного імпульсу.

У статті розглянуто особливості акустооптичної взаємодії в контексті детектування імпульсного сигналу. Обґрунтовано актуальність розробки більш простого методу, придатного для розрахунку параметрів вихідного сигналу демодулятора при подачі на його вхід імпульсного сигналу. На основі геометричного представлення фотопружної взаємодії складено апроксимаційні моделі модулюючого імпульсу та імпульсу на виході фотодетектора. Показано, що основним параметром, що впливає на форму вихідного імпульсу, являється інерція акустооптичного демодулятора. Постулюється, що цей параметр формується за рахунок впливу двох факторів: просторово-часових параметрів акустооптичної взаємодії та інерції фотодетектора. Для оцінки ступеня впливу цих факторів проведено чисельний аналіз на основі збудованих моделей. Результати теоретичних досліджень та чисельного аналізу підтверджені експериментальними дослідженнями. Встановлено, що з використанням швидкодіючого фотодетектора інерція акустооптичного демодулятора переважно визначається просторово-часовими параметрами акустооптичної взаємодії.

The paper considers the schematic diagram and operation algorithm of acoustooptic processor (AOP), the main assemblies of which are acoustooptic modulator (AOM), laser and photodetector (PD). Using the mathematical simulation, it has been shown that the signal at the AOP output contains information about the characteristics of AOM, laser and PD. The possibility of investigating the characteristics of one of the above assemblies with the known parameters of the other two by using the AOP response on determinate input action in the form of rectangular pulse has been established. A brief review of the known methods for measuring the parameters of PD and laser is presented including certain limitations of their applications. The theoretical substantiation of the possible use of AOP peculiarities for measuring the PD inertia parameters is presented. A formula for the calculation of the AOP output response to rectangular input action is proposed that makes it possible to estimate separately the time of optical beam crossing by the elastic wave packet and PD inertia. In addition, it has been proved that the configuration of cross-section of laser beam and the distribution law of power flux density in this beam could be determined on the basis of AOP peculiarities. To this end, a pulse of short duration is fed to the AOP input. Results of theoretical investigations were validated by numerical calculations and confirmed by experimental measurements.

Обсуждены схема и алгоритм функционирования акустооптического процессора (АОП), основными узлами которого являются акустооптический модулятор (АОМ), лазер и фотоприемник (ФП). Путем математического моделирования показано, что сигнал на выходе АОП содержит информацию о характеристиках АОМ, лазера и ФП. Постулирована возможность исследования характеристик одного из этих узлов при известных параметрах двух других по отклику АОП на детерминированное входное воздействие в виде прямоугольного импульса. Проведен краткий обзор известных методов измерения параметров лазера и ФП, отмечены некоторые ограничения в их применениях. Теоретически обоснована возможность использования особенностей АОП для измерения параметров инерционности ФП. Выведена формула для расчета отклика на выходе АОП на прямоугольное входное воздействие, которая использована для раздельной оценки времени пересечения оптического пучка упругим волновым пакетом и инерционности ФП. Также доказано, что путем использования короткого входного воздействия особенностей АОП можно использовать для определения конфигурации поперечного сечения лазерного пучка и закона распределения плотности потока мощности в нем. Результаты теоретических исследований апробированы численными расчетами и подтверждены экспериментальными измерениями.

A mathematical model of the signal formation process at the output of acousto-optic delay line (AODL) with direct detection has been proposed. This model is used to derive an equation of the AODL transient response. This equation is used to derive a formula for the pulse response characteristic that is utilized to determine the AODL voltage frequency transfer factor. The exponential notation of the frequency transfer factor is discussed. Analytical expression for the amplitude-frequency response of AODL with direct detection is obtained, and its numerical analysis is carried out. The analysis results have been experimentally tested on an appropriate mock-up. The results of experimental investigations confirmed the validity of the proposed mathematical model.

For processing signals in the time area an efficient tool is the acousto-optic delay line (AODL). The smoothly controlled delay of signals in a broad time interval permits to build high-performance radiolocation simulators. In the work, the design of the AODL has been considered, and the parameters, determining the limit of using its potential have been noted. The features of photoelastic interaction in AODL have been considered for the case when the duration of the input pulse is shorter than the time of crossing the optical beam by an elastic wave packet. It has been found that under these conditions the duration of the output response is determined by the time of crossing the optical beam by an elastic wave packet and does not depend on the duration of the input action. It has been shown that the AODL response to the input action in the form of a rectangular pulse is determined as the sum of three terms. In this case, the process of the entry of the elastic wave packet into the optical beam determines the first term, the second one – by the process of propagation of the elastic wave packet in the optical beam aperture, and the third – by the process of the exit of the elastic wave packet from the optical beam aperture. The corresponding equations have been obtained for calculating the pulse parameters at the AODL output. It has been shown that for a sufficiently short input pulse duration, the output signal parameters contain the information on the energy-geometric characteristics of the laser radiation. The results of numerical simulation have been tested experimentally on AODL layout with the direct detection. A comparative analysis of the results of theoretical and experimental studies have unambiguously has confirmed that AODL can also be used at frequencies above the cutoff frequency, both in terms of its main functional purpose and for solving a number of other engineering problems.

Предложена математическая модель процесса формирования сигнала на выходе акустооптической линии задержки (АОЛЗ) с прямым детектированием. При помощи этой модели выведено уравнение переходной характеристики АОЛЗ. На основе уравнения переходной характеристики получена формула для импульсной характеристики, которая использована для определения частотного коэффициента передачи по напряжению АОЛЗ. Обсуждена показательная форма частотного коэффициента передачи. Получено аналитическое выражение амплитудно-частотной характеристики АОЛЗ с прямым детектированием и проведен его численный анализ. Результаты анализа апробированы экспериментально на соответствующем макете. Результаты экспериментальных исследований подтвердили достоверность предложенной математической модели.

В статье показаны высокие потенциальные возможности акустооптической линии задержки (АОЛЗ) для обработки широкополосных аналоговых сигналов. Обоснована актуальность разработки теории физических процессов в АОЛЗ, пригодной для прикладных применений. Предложен аппроксимационный метод решения этой проблемы. Показано, что при использовании кусочно-линейной аппроксимации, расчет временных и частотных характеристик АОЛЗ значительно упрощается. Получены универсальные формулы для определения выходного отклика АОЛЗ, его длительности и времени нарастания, при различных соотношениях длительности входного импульса и времени пересечения лазерного пучка упругим волновым пакетом. Предложена методика и формулы для определения частоты среза АОЛЗ. Проведено численное моделирование предложенных формул и доказана их адекватность. Обсуждена возможность использования полученных формул для исследования характеристик АОЛЗ за пределами граничной частоты. Установленные закономерности и результаты численного анализа экспериментально апробированы на макете АОЛЗ с прямым детектированием. Параметры осциллограмм входного и выходного импульсов, которые получены при различных соотношениях длительности входного импульса ко времени пересечения лазерного пучка упругим волновым пакетом, обсуждены в контексте установленных закономерностей и результатов численного анализа. По нормированному экспериментальному графику амплитудно-частотной характеристики АОЛЗ определена частота среза и показано ее соответствие с результатами численного анализа.

An analysis of the operational parameters of an acousto-optic delay line (AODL) with direct detection, that is, the range of continuously controlled signal delay and the cutoff frequency of the passband, has been carried out. It is shown that the range of the smoothly controlled signal delay is limited by the maximum length of the photoelastic cell and the minimum velocity of propagation of the elastic wave in it. At the same time, the cutoff frequency is directly determined by the time of crossing the optical beam by the elastic wave packet. An equation for the transient response of the AODL was obtained, which was then used to study the nature of the dependence of the cutoff frequency of the transmission band on the diameter of the light beam and the velocity of propagation of an elastic wave in a photoelastic cell. The results of the numerical analysis were tested experimentally on the AODL model with direct detection.

The features of acousto-optic interaction are considered for the case where the duration of an acoustic pulse is much shorter than the time of crossing an optical beam by an elastic wave packet. It is shown that under these conditions the acoustic wave packet turns into a scanning element, which extracts information about the energy-geometric parameters of the cross section of the laser beam. The sequence of extracting information about the configuration of the laser beam cross section and the law of distribution of the power flux density in it is described. The established provisions and patterns are confirmed by numerical calculations. The results of numerical analysis were tested experimentally on a prototype of an acousto-optic processor with direct detection. A comparative analysis of the results of theoretical and experimental studies in the context of the effectiveness of the proposed method for measuring the energy-geometric parameters of laser radiation has been carried out.

The article discusses the photo-elastic effect features in acousto-optic processors for processing pulse signals on the time axis. The photo-elastic interaction in these devices is divided into two areas. In the first area, the input pulse duration is longer than the time of intersecting the optical beam by the elastic wave packet. This particular area is widely used in the practical applications of these processors, where it is a priori assumed that the input pulse duration is longer than the time for the elastic wave packet to intersect the optical beam. In the second area, the input pulse duration is less than the time for the optical beam to be intersected by the elastic wave packet. The objective of this work is to study the photo-elastic effect features in this area. It was established that in this area the pulse duration at the processor output is equal to the time for the optical beam to be intersected by the elastic wave packet and does not depend on the input pulse duration, which is permissible in some cases (for example, in radar pulse existence rather than its duration is recorded). It is shown that in the second area, the output pulse is formed as the sum of three terms. The first term corresponds to the elastic wave packet entering the optical beam. The second term corresponds to the elastic wave packet advancement in the optical beam aperture, and the third one keeps with the elastic wave packet leaving the aperture of the optical beam. The corresponding equations for calculating the pulse at the device output are obtained. The numerical calculations have proved the provisions and patterns established. The numerical modeling results were tested experimentally using a prototype of an acousto-optic processor with direct detection. The analysed results of theoretical and experimental studies unequivocally confirmed that the obtained formulas, formulated statements, and established provisions can be used to expand the functionality of acousto-optic processors, both with direct detection and of heterodyne type. It is shown that with a significant decrease in the input pulse duration relative to the time during which the optical beam is intersected by the elastic wave packet, the latter is converted into a scanning line and can be used to measure the geometric and energy characteristics of the quasi-coherent light.