Акустооптический дефлектор

Изобретение относится к области аналитических измерений. Акустооптический дефлектор состоит из светозвукопровода на основе пьезоэлектрического кристалла, выполненного в виде параллелепипеда, на верхней грани которого размещен щелевой поверхностный пьезопреобразователь, состоящий из двух металлических электродов, выполненных в виде выпуклых симметричных фигур с максимальным размером, приходящимся на их центральную часть, причем ориентированы электроды друг к другу своими выпуклыми частями. Технический результат заключается в расширении полосы рабочих частот акустооптического дефлектора. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам управления параметрами лазерного излучения, в частности к СВЧ акустооптическим дефлекторам с поверхностным возбуждением ультразвука, и может быть использовано в качестве устройства ввода информации в акустооптических спектроанализаторах, частотомерах и демодуляторах радиосигналов.

Известна конструкция акустооптического дефлектора (АОД) СВЧ-диапазона на основе кристалла в виде параллелепипеда, в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя, расположенного на одной из боковых граней, генерируются акустические волны, а на противоположной грани параллелепипеда располагается поглощающая нагрузка. В данном аналоге используются преобразователи, изготавливаемые в виде резонансных прямоугольных пластин малой толщины. Область взаимодействия света и звука в АОД определяется поперечными размерами акустического столба. В данном аналоге управление амплитудночастотной характеристикой (АЧХ) АОД осуществляется изменением формы резонансных пластинок дефлектора (в виде ромба, шестигранника, трапеции, эллипса и т.д.) [Волошинов В.Б., Князев Г.А. Акустооптические ячейки с неодинаковой длиной взаимодействия в поперечном сечении светового пучка. ЖТФ. - 2003. - т.73. - №11. - с.118-122.].

Признаками выбранного аналога, общими с заявляемым изобретением, являются следующие: АОД включает в себя светозвукопровод, выполненный из пьезокристалла в виде параллелепипеда, на верхнюю грань которого нанесен пьезопреобразователь сложной конфигурации, а на противоположную грань нанесен поглотитель.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является то, что использование данного аналога на частотах свыше 1 ГГц не представляется возможным в связи с технологическими сложностями изготовления пьезопреобразователя, так как толщина резонансных пьезопластинок, необходимых для использования в пьезопреобразователях, работающих на частоте свыше 1 ГГц, не превышает 2-4 мкм.

Известна конструкция акустооптического дефлектора (АОД) СВЧ-диапазона на основе кристалла в виде параллелепипеда, в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя, расположенного на одной из боковых граней, генерируются акустические волны, а на противоположной грани параллелепипеда располагается поглощающая нагрузка. В данном аналоге используются секционированный пьезопреобразователь, изготавливаемый в виде резонансных прямоугольных пластин малой толщины. В данном аналоге управление АЧХ АОД осуществляется за счет изменения распределения амплитуды ультразвука в АОД вдоль направления распространения оптических пучков путем подачи разного уровня возбуждающего напряжения на секции пьезопреобразователя [Богомолов Д.В., Мильков М.Г., Парыгин В.Н. Управление аппаратной функцией акустооптических ячеек с неколлинеарной геометрией взаимодействия. Радиотехника и электроника. - 2006. - т.51. - №1. - с.100-106.].

Признаками выбранного аналога, общими с заявляемым изобретением, являются следующие: АОД включает в себя светозвукопровод, выполненный из пьезокристалла в виде параллелепипеда, на верхнюю грань которого нанесен пьезопреобразователь, а на противоположную грань нанесен поглотитель, коррекция формы АЧХ АОД осуществляется за счет изменения распределения амплитуды ультразвука в АОД.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, как и в предыдущем случае, является то, что этот аналог работает на частотах, не превышающих 1 ГГц, следовательно, и необходимое увеличение полосы рабочих частот не может быть достигнуто.

Из известных АОД наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является акустооптический дефлектор со щелевым пьезопреобразователем [Краковский В.А. Возбуждение объемных упругих волн с поверхности пьезокристаллов симметрии 3 m. Известия ВУЗов. - Физика. - 1997. т.40. - №5. с.27-34.].

Устройство-прототип (фиг.1) в своем составе содержит пьезокристалл, выполненный в виде параллелепипеда, исполняющий роль светозвукопровода, на верхнюю грань которого нанесен пьезоэлектрический щелевой преобразователь в виде двух прямоугольных пластин, на нижнюю грань параллелепипеда нанесен поглотитель для устранения влияния отраженных звуковых волн. На переднюю грань пьезокристалла параллельно расположенным на верхней грани электродам пьезопреобразователя подается модулируемое лазерное излучение.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым изобретением, являются следующие: АОД включает в себя светозвукопровод, выполненный из пьезокристалла в виде параллелепипеда, на верхнюю грань которого напылен щелевой пьезопреобразователь, а на противоположную грань нанесен поглотитель.

Принцип работы дефлектора-прототипа поясняется фиг.1, позиции на которой обозначают: 1 - пьезопреобразователь, 2 - пьезокристалл, 3 - поглотитель, 4 - модулируемое лазерное излучение.

В основу принципа работы положено известное свойство оптического излучения дифрагировать на периодической структуре, возникающей вследствие упругооптического эффекта при распространении в твердом теле ультразвуковой волны. В данном устройстве возбуждение упругих акустических волн происходит непосредственно с верхней грани пьезокристалла определенного среза системой планарных электродов. В связи с тем, что при поверхностном возбуждении коэффициент преобразования электрической мощности в акустическую невелик, то в большинстве случаев, стараются выбирать срез и геометрию акустооптического взаимодействия с максимальной величиной произведения k·M₂, где k - коэффициент электромеханической связи, М₂ - показатель акустооптического качества. Сопоставимые данные для прототипа и заявляемого устройства получены для АОД на основе LiNbO₃ с параметрами:

- длина волны лазерного излучения, падающего на переднюю грань АОД λ=0,6328 мкм;

- центральная частота полосы пропускания АОД f₀=1750 МГц;

- скорость ультразвука в пьезокристалле ν=3,6·10³ м/с;

- коэффициент электромеханической связи k=0,68;

- показатель акустооптического качества М₂=2,9·10^-15 с³/кг;

- коэффициент преломления n=2,29;

- длина пьезопреобразователя l=1.476·10^-4 м.

Для пояснения принципа работы прототипа предположим, что на электроды пьезопреобразователя подается возбуждающее напряжение U₀cos(2πft), где U₀ - амплитуда, а f - частота подаваемого сигнала; геометрические размеры электродов: l - длина, а - ширина каждого из электродов; 2b - расстояние между внутренними краями электродов, a 2d - между внешними. Таким образом, в рассматриваемой задаче исходным является то, что с поверхности сечением (l×2b) возбуждается ультразвуковая волна с амплитудным распределением вдоль оси у:

где K=2π/Λ, ω=2πf, Λ=ν/f.

АЧХ представляет собой диаграмму направленности поверхностного пьезопреобразователя в плоскости yz, т.е. Фурье-образ распределения амплитуды а(y) упругой деформации вдоль оси Z. Следовательно, записав выражение для нормированной амплитуды дифрагированного света [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь. - 1985. - 280 с.]

где q^*=πn³р_эф/λ, - параметр расстройки, Θ₀ - угол падения света на АОД, - угол Брэгга, р_эф - упругооптическая постоянная, n - коэффициент преломления, АЧХ можно представить в виде

где

- передаточная функция АОД.

Таким образом, изменяя амплитудное распределение а(у), можно управлять формой функции пропускания акустооптического дефлектора.

В устройстве-прототипе прямоугольные электроды возбуждают равноамплитудное распределение поля а(y)=а₀, подставляя это значение в выражение (3), получим соотношение для АЧХ щелевого преобразователя с прямоугольными электродами в виде [Балакший В.И., Парыгин В.В., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь. - 1985. - 280 с.]:

где Θ₀=Θ_б(f₀), - нормированная частота входного сигнала, - функция отсчета.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является его незначительная полоса рабочих частот, значение которой можно получить из условия sin(x)/x=0,5, х=0,443π [И.П.Заикин, А.В.Тоцкий, С.К.Абрамов, В.В.Лукин. Основы теории антенн - Учеб. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм, ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2005. - 101 с.], следовательно,

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы рабочих частот АОД.

Технический результат заключается в расширении полосы рабочих частот.

Для достижения технического результата в известное устройство, содержащее светозвукопровод на основе пьезоэлектрического кристалла, выполненного в виде параллелепипеда, на нижнюю грань которого нанесен поглотитель ультразвука, а на верхней грани размещен пьезопреобразователь в виде двух тонких металлических электродов, в свободное пространство между которыми со стороны одной из боковых граней светозвукопровода подается модулируемое лазерное излучение, причем металлические электроды выполнены в виде выпуклых плоских симметричных фигур с максимальным размером, приходящимся на их центральную часть, ориентированы электроды друг к другу своими выпуклыми плоскими частями.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.2 представлен заявляемый АОД, позиции обозначают: 1 - щелевой пьезопреобразователь, состоящий из металлических пластин сложной формы, 2 - пьезокристалл, 3 - поглотитель, 4 - модулируемое лазерное излучение.

На фиг.3 показаны амплитудные распределения ультразвуковой волны, возбуждаемые устройством прототипа (а) и заявляемым устройством (б, в).

На фиг.4 показаны: а) нормированные АЧХ для трех случаев полей, показанных на фиг.3; б) зависимость относительной эффективности дифракции η/η_p (где η_р - эффективность дифракции щелевого пьезопреобразователя с прямоугольными электродами) от величины амплитуды ультразвука на краях пьезопреобразователя А.

На фиг.5 изображены возможные конфигурации электродов, обеспечивающие положительный эффект, который заключается в расширении полосы рабочих частот.

Применение щелевого пьезопреобразователя, состоящего из электродов, выполненных в виде выпуклых плоских симметричных фигур с максимальным размером, приходящимся на их центральную часть, ориентированных друг к другу своими выпуклыми плоскими частями, приводит к изменению формы амплитудного распределения ультразвуковой волны. Значение амплитуды поля при этом при y=0 становится максимальным, а на краях электродов становится минимальным. Амплитуда ультразвука определяется тангенциальной составляющей поля между электродами, в первом приближении эту взаимосвязь можно считать линейной. Тангенциальная составляющая электрического поля зависит от расстояния между электродами следующим образом [Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. - М.: Сов. радио, 1974]:

Рассмотрим некоторые из вариантов амплитудных распределений, спадающих к краям пьезопреобразователя.

где a₀A - значение амплитуды ультразвукового поля на краю пьезопреобразователя (пьедестал).

Соотношение для случая, когда А=1, n=0 записано выше для равномерного амплитудного распределения, рассмотрим прочие случаи.

Случай, когда А=1, n=1:

Для данного амплитудного распределения из соотношения (3) по аналогии можно записать выражение для АЧХ:

Диаграмма направленности (ДН) представлена в виде суммы двух функций sinc(x), сдвинутых вдоль оси F на величину от начала координат. Суммируя ординаты кривых, определяемых двумя функциями sinc(x), легко убедиться в том, что использование спадающей к краям раскрыва амплитуды приводит к расширению главного лепестка ДН и уменьшению дифракционной эффективности по сравнению с равноамплитудным распределением поля.

Следующий случай амплитудного распределения n=1,0<А<1:

Подставив (8) в выражение для ДН и АЧХ, получим:

Из этого соотношения видно, что ДН состоит из трех слагаемых Asinc(x), первое слагаемое определяет максимум при нормированной частоте F=0, последние два слагаемых представляют собой ДН для второго случая распределения амплитуды. Из полученного соотношения видно, что эффективность дифракции определяется первым слагаемым, а уширение главного максимума - последними двумя, т.е. при увеличении пьедестала дифракционная эффективность возрастает, а полоса рабочих частот уменьшается, соответственно поведение функции Ψ(f) в зависимости от пьедестала можно охарактеризовать схемой:

Нормированные АЧХ для всех трех случаев показаны на фиг.3. На фиг.3 также показана зависимость дифракционной эффективности от величины пьедестала А. Расчеты проводились для следующих численных значений:

- центральная частота f₀=1750 МГц;

- кристалл LiNbO₃ Y0Z среза;

- минимальное расстояние между электродами 50 мкм;

- дифракционная эффективность η=0,05, %/Вт.

В результате проведенных расчетов полоса рабочих частот увеличивается в случае для значений n=1, А=0,5 на 13,3%, а для случая n=1, А=0 - на 38,9%.

Следовательно, применение щелевых пьезопреобразователей, металлические электроды которых выполнены в виде выпуклых плоских симметричных фигур с максимальным размером, приходящимся на их центральную часть, причем ориентированы электроды друг к другу своими выпуклыми плоскими частями, приводит к увеличению полосы рабочих частот дефлектора.

АОД может быть изготовлен на основе пьезокристалла LiNbO₃, на срез Y0Z которого нанесен пьезопреобразователь.

Для изготовления пьезопреобразователя может быть использована широко известная технология фотолитографии, применяемая в полупроводниковой промышленности.

В качестве поглотителя 3 в заявляемом устройстве целесообразно использовать вещество с акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению кристалла, чтобы обеспечить согласование звукопровода и поглотителя и избежать переотражения акустической волны в область акустооптического взаимодействия.

Акустооптический дефлектор, включающий светозвукопровод на основе пьезоэлектрического кристалла, выполненного в виде параллелепипеда, на нижнюю грань которого нанесен поглотитель ультразвука, а на верхней грани размещен щелевой пьезопреобразователь в виде двух тонких металлических электродов, в свободное пространство между которыми со стороны одной из боковых граней светозвукопровода подается модулируемое лазерное излучение, отличающийся тем, что металлические электроды выполнены в виде выпуклых симметричных фигур с максимальным размером, приходящимся на их центральную часть, причем ориентированы электроды друг к другу своими выпуклыми частями.