Акустооптическое устройство для управления оптическим излучением

 

АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ, содержащее акустооптическую среду, пьезоэлектрический преобразователь для возбуждения упругих волн, выполненный в виде пластинки или пленки из пьезоэлектрического материала с расположенными на противоположных сторонах ее двумя электродами, один из которых находится в акустическом контакте с акустооптическойсредой, акустический поглотитель и источник переменного напряжения, соединенный с электродами, о т л и -. чающееся тем, что, с целью повышения стабильности работы и быстродействия устройства, оно дополнительно содержит пластину^ выполненную из материала, акустический импеданс которого совпадает с акустическим импедансом материала преобра~ зователя, одна сторона которой находится в акустическом контакте со вторым электродом преобразователя, а другая стррона имеет проводящее покрытие, электрически соединенное с вторьм электродом преобразователя, при этом в качестве источника переменного напряжения устройство содержит генератор сигнала ступенчатой формы.2.Устройство поп. 1 отличающееся тем, что поверхность пластины, на которой расположено проводящее покрытие, выполнена под углом к поверхности, находящейся в акустическом контакте с вторым электродом преобразователя.i(Лс^со ^ со •^00/ /

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

»g>SU»» 9 378 Р 4 G 02 F 1/11

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К ABTOPCHOIVlV СВИДЕТЕЛЬСТВУ, (21) 2791930/18-25 (22) 06.07.79 (46) 30.12.85. Бюл. У 48 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и- электроники АН СССР (72) В.М.Ваксман, Ю,В.Гуляев и В.И.Миргородский (53) 535.511(088.8) (56) Мусталь Е.P. и Парыгин В.N.

Методы модуляции и сканирования света. M. "Наука", 1970.

Иейден Д. Акустооптические импульсные модуляторы, IEEE Journal VQE-6, У 1 р. 15 (прототип). (54)(57)АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИИ ИЗЛУЧЕНИЕМ, содержащее акустооптическую среду, пьезоэлектрический преобразователь для возбуждения упругих волн, выполненный в виде пластинки или пленки из пьезоэлектрического материала с расположенными на противоположных сторонах ее двумя электродами, один из которых находится в акустическом контакте с акустооптической средой, акустический поглотитель и источник переменного напряжения, соединенный. с электродами, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения стабильности работы и быстродействия устройства, оно дополнительно содержит пластину выполненУ: ную из материала, акустический импеданс которого совпадает с акустическим импедансом материала преобразователя, одна сторона которой на" ходится в акустическом контакте со вторым электродом преобразователя, а другая сторона имеет проводящее покрыТие, электрически соединенное

O с вторым электродом преобразователя, ф при этом в качестве источника переменного напряжения устройство содержит генератор сигнала ступенчатой С формы.

2.устройство поп.1 о т л и ч а ю- Я щ е е с я тем, что поверхность пластины, на которой расположено про- 1 р водящее покрытие, выполнена под углом к поверхности, находящейся в акустическом контакте с вторым электродом преобразователя., 3 . 00

50 выходе линзы 13 находится фотоприемнию 14 °

Устройство работает следующим

--образом. При поступлении на электроды 3 и 4 (см. фиг. 1) электрическо5S r0 сигнала ступенчатой формы от генератора 9 генерация звука в пластинке

2 пьезопреобразователя осуществляет . ся фронтом электриЧеского напряженйя, 3 7973 . Изобретение относится к устройствам для управления оптическим излучением и может быть использовано в системах передачи и обработки информации в качестве модуляторов, сканеров и т.д.

Известны электрооптические устройетва для управления оптическим излучением, содержащее электрооптический кристалл, показатель преломления 10 которого меняется при изменении электрического поля, приложенного к это му кристаллу.

Наиболее близким по технической сущности является акустооптическое устройство для управления излучением, содержащее акустооптическую среду, пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде пластинки или пленки из пьезоэлектрического материала, с раСположенными на противоположных сторонах ее электродами, один из которых находится в акустическом . контакте с акустооптической средой, и источник электрического сигнала синусоидальной формы, соединенный с электродами.

: Недостатком прототипа является его нестабильность, поскольку отклонение выходного пучка света при дифракции зависит от частоты звука, температуры акустооптической среды и т.д. Кроме того, быстродействие таких устройств ограничено.

Цель изобретения - повьпаение стабильности и быстродействия устройства.

Укаэанная цель достигается тем, что известное акустооптическое устройство, содержащее акустооптическую среду, преобразователь, поглоти- ®О тель и источник переменного напряжения, дополнительно содержит пластину„ выполненную из материала, акустичес. кий импеданс. которогО совпадает с, акустическим импедансом материала 45 преобразователя, одна сторона которой находится в акустическом контах те со вторым. электродом преобразователя, а другая сторона имеет проводящее покрытие, электрически соединенное с вторым электродом преобразо вателя, при этом в качестве источника переменного напряжения устройст- во содержит генератор сигнала ступен чатой формы.

На фиг..1 схематически показана конструкция устройства; на фиг. 2.схема амплитудного модулятора счета

78 2 и сканера оптического излучения с предложенным устройством.

Акустооптическое устройство, согласно изобретению, содержит акусто-. оптическую среду 1, пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде .пластинки 2 из пьезоэлектрического материала с электродами 3 и 4, расположенными на противоположных сторонах пластинки 2. Электрод 3 находится в акустическом контакте с акустооптической средой 1, а электрод 4 — в акустическом контакте с пластиной 5, выполненной из материала, акустический импеданс которого совпадает с акустическим импедансом пластинки 2. Па поверхности пластины 5 расположено проводящее покрытие 6, закороченное с электродом 4, а поверх покрытия б нанесен акустический поглотитель 7. На противоположном конце акустооптической среды 1 расположен акустический по глотитель 8. К электродам 3 и 4 подключен генератор 9 электрического сигнала ступенчатой формы. Лкустооптическая среда 1 может быть выполнена из прозрачного для оптического излучения материала, например планленого кварца, молибдата свинца, парателлурита, из материала, имеющего линии пдглощения вблизи частоты используемого оптического излучения, например рубина (при использовании излучения рубинового лазера), неодимового стекла (при использвании излучения неодимового лазера) и.т.п.

Пластина 5 может быть выполнена иэ того же материала, что и пластинка

2 пьезопреобразователя, например. из пьезокерамики, ниобата лития, йодата лития, которые наиболее часто используются в пьезопреобразователях. В качестве акустических поглотителей 7 и 8 могут быть использованы эпоксидная смола, индий, гал» лий и т.п. В ряде случаев предложейное устройство.(фиг. 2) может быть снабжено поляризатором 10, анализатором 11 и линзами 12 и 13. Jla

797378

55 длительность которого меньше времени пролета звуком пластинки 2 преобразователя. При этом противолежащие грани пластинки 2 с расположенными на. них электродами 3 и 4 резко смещаются в противоположные стороны и на границах преобразователя с акустооптической средой 1, а также с пластиной 5 генерируются четыре ступенчатых, акустических волны "а", "б", "в" и "r" (по две распространяющихся в противоположных направлениях от каждой границы). Акустический импульс "д", который используется для управления светом, образуется волной "а" от передней грани пьезопреобразователя и волной "в", которая имеет противоположную амплитуду . смещений от тыльной грани пьезопреобразователя. Между фронтами этих волн имеется задержка, определяющая длительность рабочего импульса "д" в акустооптической среде, равная времени пролета звуком пластинки 2 пьезопреобразователя. Волна "г" поглощается в акустическом поглотителе 7.

Волна "б" проходит без отражения границу между пластинкой 2 преобразователя и пластиной 5, так как эти пластины выполнены из материалов с одинаковыми акустическими импедансами, 1 и также поглощается в акустическом поглотителе 7. При прохождении волной "в" границы между пластинкой 2 и акустооптической средой 1 происходит ее частичное отражение, так как акустические импедансы материала пластинки 2 и акустооптической среды 1 обычно различаются. Отраженная часть волны "в", подобно волне "б", проходит через границу между пьезопреобразователем и пластиной 5 без отражения и поглощается акустическим поглотителем 7. Таким образом, при подаче на пьезопреобразователь электрического сигнала ступенчатой формы в акустооптической среде 1 возбуждается уединенный акустический импульс "д", Если акустические импедансы.материалов пластинки 2 и пластины 5 различаются, то за рабочим импульсом будет возбуждаться затухающая серия паразитных импульсов, которые могут ухудшить работу устройства, так как длительность этой серии может быть существенно больше, чем длительность рабочего импульса "д". Чтобы этого не происходило, для возможно более точного согласования импедансов материалов пластинки 2 пьезопреобразователя и пластины 5 практически удобно выполнять пластину 5 из, того же материала, из которого изготовлена пластинка 2 преобразователя.

При этом, чтобы исключить паразитное возбуждение пластины 5 при -подаче рабочего электрического сигнала на пьезопреобраэователь, используется дополнительный электрод, нанесенный на тыльную сторону пластины 5 и электрически соединенный с электродом 4.

Поскольку практически трудно обес- печить полное поглощение звука, приходящего на акустический поглотитель

7 (обычно имеется некоторое отражение назад от границы между пластиной 5 и акустическим поглотителем), то имеет смысл делать пластину 5 клинообразной, как показано на фиг. 1. В этом случае отраженный от акустического поглотителя 7 звук при попадании в акустооптическую среду имеет такое направление распространения, что акустооптического взаимодействия не происходит.

Того же можно достичь, если границу между пластиной 5 и акустическим поглотителем ? сделать шероховатой, чтобы при отражении от нее непоглощенного звука он эффективно рассеивался.

Во многих случаях для работы уст" ройства необходимо генерировать последовательности импульсов, при этом ступенчатое напряжение, прикладываемое к пьезопреобразователю, будет нарастать от импульса к импульсу. Такой генератор на большее количество импульсов трудно осуществить и, кроме того, максимальное напряжение и количество импульсов будут ограничиваться электрической проч ностью материала пьезопреобразовате- ля. Чтобы этого не происходило, целе. сообразно использовать пилообразное напряжение, у которого рабочим является короткий фронт, а длинный необходим для возвращения системы в исходное состояние, при этом длительность этого фронта должна превосходить время пролета пластины преобразователя звуковой волной.

В прозрачной акустооптической среде

1 в месте акустического импульса "д" е будет изменяться показатель преломления, что, в зависимости от конкрет797378 ного исполнения, приводит. к фазовой или поляризационной модуляции света. Повышение стабильности работы уст-. ройства достигается тем, что, в отличие от прототипа, направление оптического излучения не изменяется по сравнению со входным и, следовательно, не зависит от частоты возбуждения генератора, температуры, давле- ния и пр.

Одно из основных преимуществ данного устройства — большее быстродействие — реализуется благодаря использованию многоимпульсного режима работы акустооптического устройства, а также благодаря, применению упрощенного механизма акустооптического взаимодействия не используется дифракция света в областях пространственных изменений показателя npe" ломления (что, как правило, связано с наклонным падением света на звук), а свет распространяется нормально .к звуку. Последнее обстоятельство . позволяет достичь предельно малого времени пересечения светового пучка акустическим импульсом, распростра-. няющимся по акустооптической среде.

Использование .недифракционного режима акустооптического взаимодействия позволяет реализовать в дан. ном устройстве фазовую модуляцию !

О световой волны. Отсутствие такой возможности у прототипа связано с тем обстоятельством, что частота выходного оптического излучения при дифракции изменяется на частоту зву15.ка, при этом фаза выходного излучения становится неопределенной, так как зависит от времени.

При использовании устройства в качестве сканера оптического излу20 чения перечисленные преимущества обеспечивают по сравнению с прототипом увеличение в 4-6 раз количества разрешимых деталей оптического изображения при заданных времени обзора

25 и полосе частот используемого звука.

797378

Составитель И; Симакина

Редактор Л.Орловская Техред Т,ду инцак КорректоР. С.Черни

Заказ 8138/4 Тираж 525 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретениЦ и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4