Акустооптическое устройство для отклонения оптического излучения и сдвига его частоты

 

1. АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛОНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СДВИГА ЕГО ЧАСТОТЫ, содержащее источник оптического излучения и акустооптическую ячейку, выполненную в виде кристалла из фотоупругого материала с первым пьезоэлектрическим преобразователем на одном торце и поглотителем на противоположном торце, отличающееся тем, что, с целью стабилизации угла отклонения оптического излучения на выходе акустооптической ячейки, поглотитель занимает часть.торца кристалла, а на остальной части торца расположен второй пьезоэлектрический преобразователь, и часть объема кристалла.заключенная между поглотителем и первым преобразователем, размещена в оптическом канале источника излучения, . причем устройство содержит узкополосный усилитель, вход которого подключен ко второму преобразователю, а выход - к первому преобразователю.2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что торцы кристалла с расположенными на них пьезоэлектрическими преобразователями зажаты в устройстве, жестко фиксирующем длину кристалла.3.Устройствопо пп. 1 и 2, отличающееся тем, что, с целью стабилизации частоты оптического излучения в отклоненном пучке, на грани кристалла, параллельной направлению распространения оптического излучения, расположен третий пьезоэлектрический преобразова- . тель,свободная поверхность которогои противолежащая этому преобразователю грань кристалла зажаты механическим фиксатором, причем устройство дополнительно содержит генератор высокой частоты и частотный детектор, один вход которого подключен к узкополосному усилителю, другой вход - к выходу генератора высокой, . частоты, а выход - к третьему пьезоэлектрическому преобразователю.S(Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„01322 (53)4 02 F 1 33

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2543997/18-25 (22) 15.11.77 (46) 23.08,85. Бюл. ¹ 31 (72) С.Н.Антонов, В.В.Проклов и M.ß.Måø (71) Ордена Трудового Красного

Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР (53) 535.511(088.8) (56) 1. Ребрин Ю,К. Управление оптическим лучом в пространстве.

M. "Сов.радио", 1977.

2. Патент Франции № 2162417, кл, G 02 Г 1/11, 1973 (прототип). (54)(57) 1. АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛОНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ И СДВИГА ЕГО ЧАСТОТЫ, содержащее источник оптического излучения и акустооптическую ячейку, выполненную в виде кристалла из фотоупругого материала с первым пьезоэлектрическим преобразователем на одном торце и поглотителем на противоположном торце, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью стабилизации угла отклонения оптического излучения на выходе акустооптической ячейки, поглотитель занимает часть. торца кристалла, а на остальной части торца расположен второй пьезоэлектрический преобразователь, и часть объема кристалла, заключенная между поглотителем и первым преобразователем, размещена в оптическом канале источника излучения,,причем устройство содержит узкополосный усилитель, вход которого подключен ко второму преобразователю, а выход — к первому преобразователю.

2. Устройство по п.i о т л и ч а ю щ е е с я тем, что торцы кристалла с расположенными на них пьезоэлектрическими преобразователями зажаты в устройстве, жестко фиксирующем длину кристалла.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью стабилизации частоты оптического излучения в отклоненном пучке, на грани кристалла, параллельной направлению распространения оптического излучения, расположен третий пьезоэлектрический преобразователь, свободная поверхность которого и противолежащая этому преобразователю грань кристалла зажаты механическим фиксатором, причем устройство дополнительно содержит генератор высокой частоты и частотный детектор, один вход которого подключен к узкополосному усилителю, другой вход — к выходу генератора высокой частоты, а выход — к третьему пьезоэлектрическому преобразователю.

701322

И зобретение относится к акустооптическим устройствам, предназначенным для отклонения оптического излучения и сдвига era частоты в оптических системах обработки информации, лазерных допплеровских измерителях скорости, системах оптичес ой фильтрации и т.п.

Известны устройства отклонения оптического излучения 1). 10

Наиболее близким к изобретению ч хническим решением является акустооптическое устройство, содержаее источник оптического излучения акустооптическую ячейку, выполнен- 15 ую в виде кристалла из фотоупругого материала с пьезоэлектрическим преобразователем звука на одном из торцов кристалла и поглотителем на противоположном торце. Пьезопреобра- 20 зователь электрически связан с генератором высокочастотной мощности (2)Однако такое устройство имеет сравнительно низкую стабильность угла отклонения, связанную, в частнос- 25 ти, с зависимостью скорости звука в кристалле от температуры и имеющую для кристаллов ТеО>, например, значение порядка 10 — 10 1/град у срезов с большим значением акусто- 30 оптического качества. Помимо воздействия окружающей среды, на температуру кристалла оказывает влияние также мощность, выцеляемая пьезопреобразователем, которая в непрерывном режиме может достигать

2-5 Вт. Кроме того, зависимость скорости звука от давления также является дестабилизирующим фактором, например, при действии вибрации.

Различные способы, применяемые для термостабилизации,приводят к усложнению и увеличению размеров акустооптических устройств, что неизбежно ведет к изменению оптического тракта в целом. В то же время стабильность угла отклонения является весьма важным параметром в системах обработки информации, в лазерных допплеровских измерителях скорости..

Цель изобретения — повышение стабильности угла отклонения оптического излучения при .действии температуры и вибрации на акустооптическую

55 ячейку.

Для достижения поставленной цели в известном устройстве поглотитель занимает часть торца кристалла, а на остальной части торца расположен второй пьезоэлектрический преобразователь, и часть объема кристалла, заключенная между поглотителем и первым преобразователем, размещена в оптическом канале источника излучения, причем устройство дополнительно содержит узкополосный усилитель, вход которого подключен ко второму преобразователю, а выход— к первому преобразователю.

Дополнительное повышение стабильности угла отклонения оптического излучения может быть достигнуто, если торцы кристалла с расположенными на них пьезоэлектрическими преобразователями зажаты в устройстве, жестко фиксирующем длину кристалла. Наряду с углом отклонения в предложенном устройстве может быть стабилизирована частота сдвига оптического излучения в отклоненном пучке, Для этого на грани кристалла, параллельной направлению распространения оптического излучения, расположен третий пьезоэлектрический преобразователь, свободная поверхность которого и противолежащая этому преобразователю грань кристалла зажаты механическими фиксаторами, причем устройство дополнительно содер- жит генератор .высокой частоты и частотный детектор, один вход которого подключен к узкополосному усилителю, другой вход — к выходу генератора высокой частоты, а выход — к третьему пьезоэлектрическому преобразователю.

На фиг.1 и фиг.2 показаны два варианта выполнения акустооптического устройства.

Устройство (см.фиг.1) содержит источник 1 оптического излучения, кристалл 2 из фотоупругого материала, первый пьезоэлектрический преобразователь 3, поглотитель 4, второй пьезоэлектрический преобразователь. 5, узкополосный усилитель 6 с коэфсрициентом усиления, превышающем потери преобразования. в канале указанных преобразователей, и фиксаторы 7 длины, выполненные из материала с малым коэффициентом температурного расширения (например, инвара или кварца).

Источник 1 оптического излучения расположен под брегговским углом к направлению распространения звука в

701322

20

ЛГ -6 — -10

L ГPdp

Ьм -3

c(— 10 — (0

Ч Грлд

3 кристалле (в некоторых случаях этот угол может быть другим, например, в раман-натовском режиме).

Устройство работает следующим образом.

При включении усипителя 6 на обкладках преобразователя 3 возникает шумовое напряжение, которое преобразуется в акустические колебания, распространяющиеся вдоль кристалла

2 и возбуждающие на преобразователе

5 электрическое напряжение. По окончании переходного процесса в цепи усилителя 6 устанавливаются одночастотные электрические колебания, а в кристалле 2 — акустическая волна с частотой, для которой суммарный набег фаз (в усилителе и акустической ячейке) кратен 27i, что можно представить в виде следующего выражения:

27Г1 L

f э„+ =2/7 И, (1) як- Е,„

54 9= св

2й L

Из выражения (2) видно, что в пред ложенном устройстве угол отклонения не зависит от скорости звука в кристалле при работе на одной определенной моде (N =cotlst).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет существенно уменьшить влияние температуры и вибраций на угол отклонения, Фиксация длины кристалла с помощью устройства 7 (фиг.1) дополнительно увеличивает стабильность угла отклонения. Как видно из выражения (2), угол отклонения зависит от длины кристалла !, .

Зависимость длины от температуры, как правило, слабее, чем зависимость скорости звука от температуры. Например в ТеО для срезов с большим акустооптическим качеством где fez — набег фаз в электрических цепях, — частота колебаний;

V — скорость звука в кристалле; — длина кристалла; 30

N — целое число (номер моды) .

При этом в части объема кристалла, заключенной между преобразователями

3 и 5, возникает стоячая акустическая волна, а в части объема кристалла, заключенной между преобразователем 3 и поглотителем 4, распространяется бегущая акустическая волна, причем длина и частота этих волн одинаковы. Бегущая акустическая вол- 40 на создает в части кристалла динамическую решетку с периодом, равным длине акустической волны. На этой решетке происходит дифракция оптического излучения от источника

1, при которой часть светового излучения отклоняется на угол 8, определяемый гыражением

50 где М э — длина волны света, 5 — длина волны звука.

Для предлагаемого устройства угол отклонения может быть записан в сле1ующем виде:

Поэтому использование указанной фиксации длины позволяет дополнительно увеличить стабильность угла отклокения в несколько раз.

Помимо стабилизации угла отклоне— ния в некоторых системах необходимо стабилизировать также и частоту сдвига между падающим и отклоненным оптическим излучениями. Устройство, отвечающее указанным требованиям, представлено на фиг.2, которое дополни-. тельно содержит третий пьезоэлектрический преобразователь 8, свободная поверхность которого и противоположная этому преобразователю грань кристалла зажаты механическими фиксаторами 9, генератор высокой частоты 10 и частотный детектор 11. M этом варианте также может использоваться устройство 7, жестко фиксирующее длину кристалла, которое на фиг.2 не пок»зано. Для достижения стабильности сдвига частоты отклоненного луча н данном варианте используется зависимость в некоторых фотоупругих материалах (например в ТеО ) .скорости распространения звуковых волн от приложенных к кристаллу деформаций сжатия. В данном случае управление величиной деформации сжатия осуществляется путем подачи соотнетстнующего напряжения на пьезопреобразонатель 8. Выбором соответствующих парп701322 метров схемы (в частности крутизны характеристики частотного детектора) можно добиться высокой стабильности скорости звука. Частота сдвига оптического излучения зависит от частоты акустической волны, которая практически не меняется. Таким образом, данный вариант позволяет стабилизировать не только уголотклонения,но и сдвигчастоты оптического измерения, Устройство было создано в Институте радиотехники и электроники

АН СССР на основе кристалла ТеО .

Пб сравнению с прототипом устройство по п.1 имеет стабильность угла отклонения выше и в 10 раэ, а по п.2 и в 15 раз. Стабильность. параметров . устройства по п.3

10 выше, чем у прототипа в 40 раэ.

701322

Составитель В.Масленников

Техред Т.Дубинчак Корректор А.Тяско

Редактор С.Титова

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород у . Проектная, 4 э

Заказ 5766/3 Тираж 526 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5