Акустооптический анизотропный дефлектор



Акустооптический анизотропный дефлектор
Акустооптический анизотропный дефлектор

 


Владельцы патента RU 2462739:

Семенков Виктор Прович (RU)

Акустооптический дефлектор относится к устройствам для модуляции и сканирования оптического излучения на основе дифракции Брэгга на акустических волнах. Акустооптический анизотропный дефлектор содержит акустооптический элемент и пьезопреобразователь, входная поверхность акустооптического элемента выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме или разности угла Брюстера и угла падения Брэгга для данного материала, а акустооптический элемент выполнен из анизотропного материала, его выходная поверхность просветлена под длину волны лазерного пучка и установлена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера и угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брегга. Технический результат заключается в увеличении разрешающей способности дефлектора при одновременном уменьшении потерь оптического излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для модуляции и сканирования оптического излучения на основе дифракции Брэгга на акустических волнах.

Известны акустооптические дефлекторы для сканирования лазерного луча, содержащие акустооптический элемент и пьезопреобразователь, соединенные слоем адгезионного вещества (Патент Японии №55 - 17363, заявл. 19.03.1976, №51 - 30156. Опубл. 10.05.1980, кл. G02F 1/33).

Разрешающая способность такого дефлектора обратно пропорциональна расходимости лазерного луча, падающего на акустический пучок.

Для увеличения разрешающей способности акустооптического дефлектора с анизотропной дифракцией можно использовать дифракцию второго порядка. При этом углы дифракции лазерного пучка увеличиваются в 1,5-2,0 раза (Патент США №4118113, заявл. 05.11.1976, №739230. Опубл. 03.10.1978, кл. 350/358, МПК G02F 1/33). Однако при этом необходима круговая поляризация падающего лазерного пучка. Неравномерность эффективности дифракции такого дефлектора значительная.

Если разрешающая способность дефлектора оказывается недостаточной, то для ее увеличения применяют оптическую систему, которая уменьшает расходимость падающего лазерного луча за счет увеличения его ширины, а затем уменьшает ширину выходящего дифрагированного луча до прежнего размера. Для уменьшения потерь оптического излучения на отражение оптические поверхности дефлектора и оптической системы обычно просветляют.

Недостатками известного акустооптического дефлектора являются потери оптического излучения при отражении от входной и выходной поверхностей акустооптического элемента, а также необходимость применения оптической системы, уменьшающей расходимость лазерного луча, падающего на акустический пучок, с целью увеличения разрешающей способности дефлектора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является акустооптический дефлектор (А.с. СССР №501377, заявл. 22.07.1974, №2047790/26-25. Опубл. 30.01.1976, МПК G02F 1/33, G02F 1/11), который выбран в качестве прототипа. У акустооптического дефлектора входная поверхность акустооптического элемента выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера и угла дифракции Брэгга, а выходная поверхность - под углом, равным разности между углом Брюстера и углом дифракции Брэгга. Ширина лазерного пучка внутри такого дефлектора увеличивается примерно в n раз, где n - показатель преломления материала акустооптического элемента, и, следовательно, также увеличивается разрешающая способность дефлектора.

Дефлектор имеет малые световые потери, так как падающий и дифрагированный лазерные пучки падают под углом Брюстера соответственно к входной и выходной поверхностям акустооптического элемента. Но падающий и дифрагированный пучки не коллинеарны, что затрудняет юстировку дефлектора в составе оптической схемы.

Такой дефлектор принципиально пригоден только для узкополосной изотропной дифракции, при которой не происходит изменения состояния поляризации падающего лазерного пучка. При использовании широкополосной анизотропной дифракции, где происходит поворот плоскости поляризации дифрагированного лазерного пучка относительно падающего пучка, угол Брюстера для дифрагированного пучка располагается в плоскости, ортогональной плоскости падающего лазерного пучка. При этом падающий и дифрагированный лазерные пучки находятся в двух скрещенных плоскостях, что крайне затрудняет юстировку дефлектора в составе оптической схемы и приводит к введению дополнительных оптических элементов для компенсации двумерных угловых рассогласований падающего и дифрагированного лазерных пучков.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности акустооптического анизотропного дефлектора с одновременным уменьшением потерь оптического излучения на отражение при прохождении через акустооптический элемент дефлектора и упрощение устройства на основе акустооптических дефлекторов.

Технический результат достигается тем, что в акустооптическом анизотропном дефлекторе, содержащем акустооптический элемент и пьезопреобразователь, входная поверхность акустооптического элемента выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме или разности угла Брюстера и угла падения Брэгга для данного материала, акустооптический элемент выполнен из анизотропного материала, его выходная поверхность просветлена под длину волны лазерного пучка и установлена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера, угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брегга.

Выполнение акустооптического элемента из анизотропного материала позволило расширить полосу рабочих частот и, следовательно, увеличить его разрешающую способность.

Просветление выходной поверхности дефлектора под длину волны лазерного пучка позволило избежать световых потерь для дифрагированного лазерного пучка с повернутой по отношению к падающему пучку поляризацией.

Выполнение выходной поверхности дефлектора по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера, угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брегга, позволило обеспечить коллинеарность падающего и дифрагированного лазерных пучков, что упрощает устройства на основе акустооптических дефлекторов.

Заявителем и авторами не обнаружено в патентной и научно-технической литературе акустооптических дефлекторов, выполненных подобным образом.

На фиг.1 и 2 изображены соответственно предлагаемый акустооптический анизотропный дефлектор и геометрия анизотропного акустооптического взаимодействия несимметричного типа в одноосном кристалле для «высокочастотной» ветви дифракции.

На фиг.1 введены обозначения:

- β - угол Брюстера;

- φ - Брегговский угол падения лазерного луча к волновому фронту акустической волны;

- ψ - угол дифракции Брегга;

- α - угол между поверхностью, на которой закреплен пьезопреобразователь, и оптической осью [001] кристалла акустооптического элемента;

- σак - угол отклонения вектора потока энергии акустического пучка от волнового вектора;

- γК - угол коррекции направления;

- In - падающий на акустооптический дефлектор лазерный луч;

- Iq - дифрагированный лазерный луч;

- IO - недифрагированный лазерный луч;

- [001] и [110] - направления кристаллографических осей кристалла акустооптического элемента.

На фиг.2 введены обозначения:

- Ка, Kn и Kq соответственно волновые вектора для акустической волны, падающего и дифрагированного лазерных лучей;

- no и ne - главные показатели преломления кристалла акустооптического элемента для «обыкновенного» и «необыкновенного» световых лучей.

Плоскополяризованный луч лазера In, электрический вектор которого расположен в плоскости чертежа, с угловой расходимостью θ1 падает на входную поверхность акустооптического элемента (фиг.1) под углом Брюстера β, определяемым из условия tgβ=n, преломляется на входной поверхности и распространяется внутри акустооптического элемента, имея угловую расходимость θ2: .

Затем луч падает на акустический пучок под Брегговским углом падения ϕ к волновому фронту акустической волны и дифрагирует под углом Ψ к волновому фронту акустической волны, изменяя поляризацию и образуя с направлением распространения недифрагированного луча IO угол ϕ+ψ, преломляется на выходной поверхности и выходит коллинеарно с падающим на дефлектор лучом лазера. Угловая расходимость дифрагированного луча на выходе дефлектора θ3 после преломления на выходной поверхности равна угловой расходимости θ1. В процессе дифракции участвовал луч с угловой расходимостью θ2, поэтому разрешение дефлектора увеличено в n раз по сравнению с дефлекторами, у которых нормальное падение падающего луча к входной грани дефлектора.

Благодаря тому что луч лазера IП заданной поляризации падает на акустооптический элемент под углом Брюстера к его входной поверхности, а выходная грань акустооптического элемента просветлена под поляризацию дифрагированного луча лазера Iq, потери на отражение от входной и выходной поверхностей практически очень малы.

На фиг.1 показано падение лазерного луча сверху на фронт акустической волны под углом падения ϕ. Для этого случая выходная поверхность акустооптического элемента должна быть установлена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом ∈, равным сумме угла Брюстера β, угла коррекции направления γК и разности угла дифракции Брегга ψ, т.е. ∈=β+γК-ψ, чтобы дифрагированный лазерный луч Iq был коллинеарен падающему на дефлектор лазерному лучу IП.

Дифракция возможна и при падении лазерного луча снизу на фронт акустической волны под углом падения ϕ. Для этого случая выходная поверхность акустооптического элемента должна быть выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом ∈, равным сумме угла Брюстера β, угла коррекции направления γК и сумме угла дифракции Брегга ψ, т.е. ∈=β+γК+ψ, чтобы дифрагированный лазерный луч Iq был коллинеарен падающему на дефлектор лазерному лучу IП.

Угол дифракции Брегга ψ и Брегговский угол падения ϕ, а также угол α между поверхностью, на которой закреплен пьезопреобразователь, и оптической осью [001] кристалла акустооптического элемента могут быть вычислены из геометрии анизотропного акустооптического взаимодействия несимметричного типа в одноосном кристалле, приведенной на фиг.2 (Ю.Н.Тищенко, А.В.Трубецкой. Некоторые вопросы создания и исследования акустооптического дефлектора на монокристаллах ТеО2. Автометрия, №1, 1979 г., с.87-95).

Угол коррекции направления γК в радианах может быть вычислен из соотношения

,

где значения угла (ϕ+ψ) даны в радианах, ϕ - угол падения Брегга и ψ - угол дифракции Брэгга для данного дефлектора, n0 - главный показатель преломления кристалла акустооптического элемента для «обыкновенного» светового луча.

Для длины лазерного излучения 1,064 мкм и «высокочастотной» ветви дифракции при центральной частоте акустических волн, равной 80 МГц, угол α примерно равен 6,44°. При этом Брегговский угол падения ϕ равен 3,31°, угол дифракции Брегга ψ равен 0,047°. Угол Брюстера для монокристалла ТеО2, имеющего показатель преломления n0=2,204, равен 65,61°. Угол коррекции направления γК при этом равен 0,733°.

При изменении частоты акустических волн в пределах 64…96 МГц, т.е. изменение частоты в полосе 32 МГц, угол сканирования дифрагированного лазерного луча на выходе дефлектора составит ±3,3 градуса относительно лазерного луча, дифрагировавшего на центральной частоте акустических волн 80 МГц. Полный угол сканирования равен 6,6 градуса.

При разработке предлагаемого дефлектора следует учесть, что в кристалле TeO2 при угле α между поверхностью, на которой закреплен пьезопреобразователь, и оптической осью [001] кристалла, не равном нулю, вектор потока энергии акустического пучка отклонен от волнового вектора на угол σак, что увеличивает длину акустооптического элемента.

Таким образом, выполнение акустооптического элемента из анизотропного материала, просветление его выходной поверхности под длину волны лазерного пучка и установление ее по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера, угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брегга, позволило увеличить разрешающую способность акустооптического анизотропного дефлектора с одновременным уменьшением потерь оптического излучения на отражение при прохождении через акустооптический элемент дефлектора и упростить устройства на основе акустооптических дефлекторов.

1. Акустооптический анизотропный дефлектор, содержащий акустооптический элемент и пьезопреобразователь, входная поверхность акустооптического элемента выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме или разности угла Брюстера и угла падения Брэгга для данного материала, отличающийся тем, что акустооптический элемент выполнен из анизотропного материала, его выходная поверхность просветлена под длину волны лазерного пучка и установлена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера и угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брэгга.

2. Акустооптический анизотропный дефлектор по п.1, отличающийся тем, что угол коррекции направления γK определен из выражения:
, где значения угла (φ+ψ) даны в радианах, φ - угол падения Брэгга и ψ - угол дифракции Брэгга для данного дефлектора, n0 - главный показатель преломления кристалла акустооптического элемента для «обыкновенного» светового луча.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в приборах отклонения и модуляции лазерных пучков. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля температурных режимов прокатных станов, металлургических и энергетических установок.

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для передачи управляющих сигналов от вычислительного устройства к знакосинтезирующему устройству или матричному дисплею (плазменный, жидкокристаллический, активно-матричный, OLED, FED и т.п.).

Изобретение относится к акустооптическим измерителям параметров радиосигналов, работающим в широкой полосе частот, и может быть использовано в установках оптической обработки информации.

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано для отклонения оптического излучения. .

Изобретение относится к устройствам оптической обработки сигналов на объемных акустических волнах и может быть использовано в акустооптических анализаторах спектра, измерителях параметров радиосигналов СВЧ диапазона, а также в системах связи и радиолокации.

Изобретение относится к средствам волоконно-оптической связи и может быть использовано при последовательном переключении линий связи, построенных на оптическом волокне, без преобразования оптической несущей.

Изобретение относится к области изготовления жидкокристаллических ячеек для жидкокристаллических приборов, которые могут быть широко использованы в различных информационных системах

Изобретение относится к оптике, к оптическим волноводным устройствам, в частности к микромеханическим оптическим коммутаторам оптических линий связи. Технический результат изобретения заключается в создании устройства матричного коммутатора оптических линий связи, имеющего размеры коммутационных ячеек много меньше, чем у электрооптических коммутаторов, что позволит создавать матричные коммутаторы большой сложности. Оптический коммутатор оптических линий связи содержит на подложке планарный оптический волновод и области формируемого в нем брэгговского зеркала в виде картины периодической пространственной модуляции показателя преломления волновода, создаваемой при помощи группы периодически размещенных поверх волновода электродов в виде пленочных полосок. Пленочные полоски соединены с электрическими контактами, расположенными на коммутаторе. Также оптический коммутатор содержит оптические устройства ввода в волновод и вывода излучения. Отличительной особенностью изобретения является то, что полоски закреплены с зазором над поверхностью планарного волновода с возможностью перемещения с изменением величины зазора. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ относится к области обработки сигналов и предназначен для использования во входных цепях радиоприемных систем. Способ селекции сигналов включает формирование пространственно-когерентного монохроматического светового потока, первую фазовую модуляцию этого потока пространственно-временным акустическим сигналом, соответствующим входному электрическому сигналу, пространственную фильтрацию светового потока, вторую фазовую модуляцию светового потока пространственно-временным акустическим сигналом, соответствующим входному электрическому сигналу и имеющим в два раза большую длину волны, чем при первой фазовой модуляции, интегрирование светового потока, вторичную пространственную фильтрацию и пространственно-дискретное детектирование. Технический результат заключается в обеспечении возможности осуществления процесса селекции сигналов независимо от времени прихода сигнала. 1 ил.

Устройство относится к области обработки сигналов и предназначено для использования во входных цепях радиоприемных систем. Устройство селекции сигналов содержит последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первый акустооптический модулятор (АОМ) света, электрический вход которого является входом устройства, первую линзу проектирующей оптической системы, первый пространственный фильтр, последовательно соединенную вторую линзу проектирующей оптической системы, второй АОМ света, оптически соединенный с интегрирующей линзой через второй порядок дифракции, второй пространственный фильтр и фотодетектор, выполненный в виде линейки фотодиодов. При этом электрические входы первого и второго АОМ света объединены, а скорость распространения акустической волны во втором АОМ света выбрана вдвое больше скорости распространения акустической волны в первом АОМ света. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения уровня выходного сигнала, а также в обеспечении возможности осуществления устройства селекции сигналов независимым от времени прихода сигнала. 1 ил.

Изобретение относится к области прикладной оптики и спектрометрии и касается акустооптического монохроматора. Монохроматор содержит неколлинеарный акустооптический фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для компенсации дисперсии использована выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Угол наклона выходной грани кристалла по отношению ко входной грани выбирается таким образом, чтобы спектральный дрейф угла дифракции в ячейке максимально компенсировался спектральным дрейфом угла преломления продифрагировавшего пучка на наклонной выходной грани. Технический результат заключается в увеличении спектрального интервала компенсации дисперсионных искажений. 2 ил.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для формирования лазерного растра систем управления, лазерных прицелов и может быть использовано при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов по сложным фарватерам, обнаружении оптикоэлектронных приборов по «блику», дистанционном управлении робототехническими устройствами. Способ формирования лазерного растра основан на последовательной дифракции лазерного пучка на двух последовательно установленных и развернутых на 90 градусов по отношению друг к другу акустооптических дефлекторах, на входы управления которых поданы высокочастотные сигналы управления f1(t) и f2(t), законы изменения которых задают в виде линейного изменения частот управления, а число N строк или (и) столбцов выбирают как целочисленное значение из условия N=k·Tс/τ, где k=1,0-2,5, Tс - время формирования строки, τ - постоянная времени дефлектора, вычисляемая из соотношения τ=d0/ν, d0 - световая апертура дефлекторов, ν - скорость акустических волн. Технический результат заключается в повышении равномерности интенсивности лазерного растра, повышении информативности лазерной системы и обеспечении возможности поворота лазерного растра относительно его центра. 6 ил.

Устройство селекции сигналов по частоте содержит последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, акустооптический модулятор (АОМ) света, первую интегрирующую линзу и пространственный фильтр, а также вторую интегрирующую линзу и линейку фотодиодов. Электрический вход модулятора является входом устройства. При этом между пространственным фильтром и второй интегрирующей линзой в ±1-х порядках дифракции установлены оптические транспаранты. Технический результат заключается в снижении искажений выходных сигналов. 1 ил.

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов включает в себя последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство, и цилиндрическую линзу, расположенную между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников. При этом на пути дифрагированных пучков между АО дефлектором и интегрирующей линзой помещается призма из светопрозрачного однородного материала с нормальной дисперсией. Причем основание призмы параллельно плоскости АО взаимодействия, а угол падения дифрагированных пучков на входную грань призмы и ее преломляющий угол являются максимально возможными, при условии отсутствия на выходной грани призмы полного внутреннего отражения световых пучков во всем рабочем диапазоне частот АО измерителя. Технический результат заключается в увеличении разрешающей способности акустооптического измерителя параметров радиосигнала. 2 ил.
Наверх