Патент на изобретение №2349945

(54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СВЧ-ДЕФЛЕКТОР С ПОВЕРХНОСТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам управления параметрами лазерного излучения. Акустооптический дефлектор (АОД) содержит пьезокристалл в виде параллелепипеда и пьезопреобразователь, представляющий собой систему встречно-штыревых электродов с противофазным возбуждением, причем обе шины подачи сигнала выполнены в форме осесимметричной фигуры с максимальным размером по длине электродов, приходящимся на центр пьезопреобразователя. Технический результат заключается в расширении полосы рабочих частот. 7 ил.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам управления параметрами лазерного излучения, в частности к СВЧ акустооптическим дефлекторам на объемных акустических волнах (АОВ), и может быть использовано в качестве транспаранта в оптических системах обработки информации.

Известна конструкция акустооптического дефлектора (АОД) СВЧ-диапазона (фиг.1,а) на основе пьезокристалла в виде параллелепипеда (1), в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя (2), расположенного на одной из боковых граней, генерируются акустические волны, а на противоположной грани параллелепипеда располагается поглотитель (3). 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 амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) АОД осуществляется путем изменения формы резонансных пластинок пьезопреобразователя (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 на основе пьезокристалла в виде параллелепипеда, на верхнюю грань которого нанесен пьезопреобразователь сложной конфигурации (в виде ромба, шестигранника, трапеции, эллипса и т.д.), а на противоположную грань пьезокристалла 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 СВЧ диапазона (фиг.1,б) на основе пьезокристалла в виде параллелепипеда (1), в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя (2), расположенного на одной из боковых граней, генерируются акустические волны, а на противоположной грани параллелепипеда располагается поглотитель (3). В данном аналоге используются секционированный пьезопреобразователь (2), изготавливаемый в виде резонансных прямоугольных пластин малой толщины (фиг.1,б). 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 на основе пьезокристалла в виде параллелепипеда, на верхнюю грань которого нанесен пьезопреобразователь, а на противоположную грань пьезокристалла нанесен поглотитель, при этом 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 может работать на частотах, не превышающих 1 ГГц, следовательно, и необходимое увеличение диапазона рабочих частот не может быть достигнуто.

Из известных АОД наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является акустооптический дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука с помощью фазированной решетки преобразователей в виде противофазно-запитываемых электродов (ВШП) [Роздобудько В.В., Бакарюк Т.В. Акустооптический СВЧ-дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука. Приборы и техника эксперимента. – 2003. – №1, c.1-3].

Устройство-прототип (фиг.2) в своем составе содержит пьезокристалл, выполненный в виде параллелепипеда, исполняющий роль светозвукопровода, на верхнюю грань которого нанесен ВШП, на нижнюю грань параллелепипеда нанесен поглотитель для устранения влияния отраженных звуковых волн. На переднюю грань пьезокристалла перпендикулярно расположенной на верхней грани светозвукопровода решетке пьезопреобразователя подается модулируемое лазерное излучение.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым устройством, являются следующие: АОД включает в себя пьезокристалл в виде параллелепипеда, выполняющий роль светозвукопровода, на верхнюю грань которого нанесен ВШП, а на противоположную грань пьезокристалла нанесен поглотитель.

Принцип работы дефлектора-прототипа поясняется чертежом (фиг.2), позиции на чертеже 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 ВШП.

Для пояснения принципа работы прототипа предположим, что в светозвукопровод акустооптического дефлектора ультразвук возбуждается с поверхности пьезокристалла системой ВШП, имеющих общую протяженность L и состоящих из m одинаковых преобразователей шириной l₀ с постоянным периодом их расположения s. Отметим, что в данном случае в качестве элемента решетки ВШП выступает поверхность между металлическими электродами; при числе электродов, равном N, число собственно пьезопреобразователей будет m=N-1. Акустическая волна, возбуждаемая таким плоским фазированным пьезопреобразователем, описывается соотношением [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. – М.: Радио и связь. – 1985. – 280 с.]:

где y₀=s-l₀ – зазор между преобразователями, а₀ – амплитуда, – волновой вектор и – частота возбуждаемой акустической волны. Функция rect(x) такая, что:

.

АЧХ описанного выше АОД при малой эффективности дифракции определяется соотношением [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. – М.: Радио и связь. – 1985. – 280 с.]:

в котором ₀, в данном случае, нормированный к угол падения света, а f₀ выбрана из условия наилучшей коррекции брэгговского угла: ; кроме того, входящий в (2) параметр

содержит в себе P_a0 – звуковую мощность, излучаемую решеткой, площадь излучения которой S=d×m·l₀. Полоса рабочих частот определяется длиной акустооптического взаимодействия, расходимостью и формой поперечного сечения акустического столба, распространяющегося в пьезокристалле.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является его незначительная полоса рабочих частот, значение которой составляет при нормированном угле падения света ₀=-2 и при [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. – М.: Радио и связь. – 1985. – 280 с.].

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы рабочих частот АОД, а также снижение неравномерности АЧХ.

Технический результат заключается в том, что обе его шины подачи сигнала выполнены по форме осесимметричной фигуры с максимальным размером по длине электродов, приходящимся на центр пьезопреобразователя.

Для достижения технического результата в АОД, содержащем в своем составе пьезокристалл в виде параллелепипеда, выполняющий роль светозвукопровода, на верхнюю грань которого нанесен ВШП, а на противоположную грань нанесен поглотитель, необходимо, чтобы пьезопреобразователь представлял собой систему встречно-штыревых электродов с противофазным возбуждением, причем его обе шины подачи сигнала выполнены по форме осесимметричной фигуры с максимальным размером по длине электродов, приходящимся на центр пьезопреобразователя.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.3 представлен чертеж заявляемого АОД, позиции на чертеже обозначают: 1 – пьезопреобразователь, 2 – пьезокристалл, 3 – поглотитель, 4 – модулируемое лазерное излучение. На фиг.4 приведены нормированные АЧХ, рассчитанные для случая, когда осесимметричная фигура представляет собой ромб либо усеченный ромб (в зависимости от угла апподизации ), для двух углов падения света ₀=-2 и ₀=-2-1/m и разных углов апподизации – ; зависимости, показанные на фиг.4,а, соответствуют одногорбым АЧХ, а на фиг.4,б – двугорбым. На фиг.5 представлены те же АЧХ, что и на фиг.4, но в логарифмическом масштабе (фиг.5, а) – угол падения света ₀=-2; б) – угол падения света ₀=-2-1/m). На фиг.6 представлены рассчитанные зависимости: а) относительной эффективности дифракции I(0)/I₀ от нормированного угла апподизации б) полосы рабочих частот АОД от угла ₁ при углах падения света, соответствующих одногорбым и двугорбым АЧХ. На фиг.7 изображены возможные конфигурации электродов, обеспечивающие положительный эффект, который заключается в расширении полосы рабочих частот и уменьшении неравномерности АЧХ АОД.

Принцип работы заявляемого устройства основан на известном свойстве 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 (2) за счет обратного пьезоэффекта ВШП (1), ультразвуковая волна распространяется в объеме пьезокристалла, на одну из боковых граней под углом Брэгга подается модулируемое лазерное излучение (4) на ультразвуковую волну, дифрагирующее через противоположную боковую грань. На грань параллелепипеда, противолежащую той, на которой расположен ВШП, для устранения влияния отраженных звуковых волн, нанесен поглотитель (3) для устранения влияния отраженных звуковых волн.

Применение пьезопреобразователя, представляющего собой систему встречно-штыревых электродов с противофазным возбуждением, такого что обе шины подачи сигнала на электроды выполнены по форме осесимметричной фигуры, приводит к уменьшению уровня возбуждаемой ультразвуковой мощности к краям апертуры l – протяженности раскрыва пьезопреобразователя.

Рассмотрим некоторые из вариантов встречно-штыревых пьезопреобразователей, у которых обе шины подачи сигнала на электроды выполнены по форме осесимметричной фигуры с максимальными размерами во взаимно перпендикулярных направлениях.

Из фиг.3 видно, что длина взаимодействия света и ультразвука зависит от координаты x, если световой пучок направить вдоль оси Oy. Для решетки преобразователей в форме ромба (фиг.3) длина АО взаимодействия в пределах |x|0,5d изменяется как l(x)=L-2|x|ctg()=ms-2|x|ctg(). В целом угол определяет форму решетки; в зависимости от соотношение для l(x) может быть пригодно для описания преобразователя в форме ромба, шестигранника и т.д.

Обозначим отношение ширины электрода к периоду решетки как l₀/s=k, k – коэффициент металлизации. Перепишем выражение (2) в виде

или в более упрощенном варианте:

где а

Запишем интенсивность дифрагированного света для каждой парциальной составляющей в пределах размеров ультразвукового пучка:

После интегрирования последнее выражение примет следующий вид:

подставив в которое (F) и q₁, получим окончательное выражение для АЧХ:

.

Данное выражение имеет смысл при .

На фиг.4 приведены АЧХ, рассчитанные в соответствии с (3) для двух углов падения света ₀=-2 и ₀=-2-1/m и разных углов апподизации – ; зависимости, показанные на фиг.3,а, соответствуют одногорбым АЧХ, а на фиг.3, б – двугорбым. На фиг.5 приведены эти же АЧХ, построенные в логарифмическом масштабе. Расчеты проводились для следующих данных:

– длина волны лазерного излучения, падающего на переднюю грань АОД, =0,63 мкм;

– центральная частота полосы пропускания АОД f₀=1750 МГц;

– полоса рабочих частот f=500 МГц;

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

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

– коэффициент преломления n=2,29;

– ширина пьезопреобразователя d=0,2 мм.

Из анализа соотношения (3) и рассмотрения фиг.4. и 5 можно сделать вывод, что с изменением угла в пределах от до 90° относительная полоса F, отсчитываемая по уровню 3 дБ, увеличивается на 16%. При этом дифракционная эффективность АОД падает с одновременным уменьшением пульсаций АЧХ вне основной полосы пропускания.

Характер изменения при вариации нормированного угла апподизации показан на фиг.6,а.

В качественном отношении аналогичные зависимости характерны и для случая АОД с двугорбыми АЧХ с той разницей, что при ₀=-2-1/m с увеличением угла в полосе F наблюдается резкое уменьшение неравномерности АЧХ. Зависимости F=(₁) для обоих углов падения света приведены на фиг.6,б; они отличаются друг от друга абсолютным значением F: при ₀=-2-1/m полоса F в среднем в 1,5 раза превышает F АОД при ₀=-2.

В результате проведенных расчетов при угле апподизации полоса рабочих частот увеличивается на 16%, а неравномерность уменьшается почти в два раза по сравнению с прототипом.

Следовательно, применение пьезопреобразователей, выполненных в виде осесимметричной фигуры с максимальными размерами во взаимно перпендикулярных направлениях, которые представляют собой систему встречно-штыревых электродов с противофазным возбуждением, причем обе шины подачи управляющего сигнала на электроды выполнены по форме осесимметричной фигуры, что приводит к увеличению полосы рабочих частот и уменьшению неравномерности АЧХ акустооптического дефлектора.

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

Сопоставимые данные для прототипа и заявляемого устройства получены для АОД на основе LiNbO₃ с параметрами: длина волны лазерного излучения, падающего на переднюю грань АОД, =0,6328 мкм; центральная частота полосы пропускания АОД f₀=1750 МГц; скорость ультразвука в пьезокристалле =3,6·10³ м/с; показатель акустооптического качества М₂=2,9·10^-15 с³/кг; коэффициент преломления n=2,29; ширина пьезопреобразователя d=0,2 мм. Прототип работает в полосе рабочих частот f=500 МГц (по уровню 3 дБ) с максимальной дифракционной эффективностью =5%/Вт.

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.

Формула изобретения

Акустооптический дефлектор, содержащий в своем составе пьезокристалл в виде параллелепипеда, выполняющий роль светозвукопровода, на верхнюю грань которого нанесен встречноштыревой пьезопреобразователь, а на противоположную грань нанесен поглотитель, отличающийся тем, что пьезопреобразователь представляет собой систему встречноштыревых электродов с противофазным возбуждением, причем его обе шины подачи сигнала выполнены по форме осесимметричной фигуры с максимальным размером по длине электродов, приходящимся на центр пьезопреобразователя.

РИСУНКИ