Акустооптический элемент брэгга

Полезная модель относится к акустооптике и может быть использована в приборах отклонения и модуляции лазерных пучков, и, в частности, при разработке элементов ввода информации в устройствах оптической обработки радиосигналов.

Акустооптический элемент Брэгга состоит из фотоупругой среды, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, образованный периодической последовательностью размещенных в ряд электрически соединенных емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя, где каждый из емкостных элементов нанесен на отдельный акустически соединенный с фотоупругой средой клиновидный слой, клиновидный слой между электродом каждого емкостного элемента со стороны фотоупругой среды и поверхностью фотоупругой среды выполнен из звукопроводящего материала с акустическим импедансом, величина которого имеет наиболее близкое значение к величине акустического импеданса фотоупругой среды, причем линейно изменяющаяся вдоль направления распространения светового пучка толщина клиновидного слоя определяется выражением:

где - скорость акустической волны в клиновидном слое, р - период расположения емкостных элементов, f₀ - центральная частота рабочего диапазона элемента Брэгга, х - расстояние в направлении распространения светового пучка от края емкостного элемента до точки определения толщины клиновидного слоя, k - коэффициент, который равен 1 при синфазном включении емкостных элементов преобразователя, и равен 2 при их противофазном включении. Клиновидный слой и электрод каждого емкостного элемента со стороны фотоупругой среды выполнены из одного и того же электропроводящего материала и являются единым конструктивным элементом.

Полезная модель относится к акустооптике и может быть использована в приборах отклонения и модуляции лазерных пучков, и, в частности, при разработке элементов ввода информации в устройствах оптической обработки радиосигналов.

Известен акустооптический элемент Брэгга, состоящий из фотоупругой среды с поверхностью, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, выполненной в виде ступенчатой структуры. Высота ступенек для реализации противофазного преобразователя с одним акустическим лепестком диаграммы направленности выбирается равной половине длины акустической волны. Период следования ступенек обратно пропорционален квадрату центральной частоты рабочего диапазона элемента Брэгга (патент США 3493759, опубл. 03.02.70., МПК: Н04b 9/00; G02F 1/28). Акустооптический элемент Брэгга такой конструкции может работать на частотах до нескольких десятков мегагерц. Преобразователь элемента Брэгга, предназначенного для работы в верхней части дециметрового диапазона длин радиоволн должен иметь ступеньки высотой 1-5 мкм и периодом следования 10-200 мкм.

Известен также акустооптический элемент Брэгга, в котором многоэлементный электроакустический преобразователь расположен на поверхности фотоупругой среды с поперечным профилем в виде меандра. Высота ступенек меандра должна составлять четверть длины акустической волны, а период меандра, также как и в предыдущем устройстве, обратно пропорционален квадрату центральной частоты рабочего диапазона элемента Брэгга (патент США 4671620, опубл. 09.06.87., МПК: G02F 1/11). Преобразователь элемента Брэгга такой конструкции, рассчитанного для работы в верхней части дециметрового диапазона длин радиоволн и выше должен иметь характерные геометрические размеры (высота и период профиля поверхности типа меандр) от одного до нескольких десятков микрометров.

Недостатком указанных устройств, предназначенных для работы на частотах дециметрового и сантиметрового диапазонов, является крайне высокая технологическая сложность изготовления плоских полированных ступенчатых поверхностей таких малых размеров на кристаллической фотоупругой среде.

Известен также многоэлементный сканирующий преобразователь объемных акустических волн, предназначенный для возбуждения акустических волн в фотоупругой среде элемента Брэгга. Противофазный преобразователь нанесен на плоскую поверхность фотоупругой среды и внутренний электрод (со стороны фотоупругой среды) каждого емкостного элемента выполнен двухступенчатым (авторское свидетельство SU 1434566, опубл. 30.10.88., МПК: H04R 17/00). Высота ступеньки составляет четверть длины акустической волны. Предполагается, что большая часть акустической энергии, возбуждаемой таким преобразователем, должна быть сосредоточена в одном, сканирующем при изменении частоты, лепестке диаграммы направленности.

Недостаток устройства заключается в том, что две отличающиеся по толщине на четверть длины акустической волны части нижнего электрода каждого емкостного элемента, сдвигая по-разному частотную характеристику резонансного полуволнового преобразователя, образованного заключенным между верхним и нижним электродами емкостного элемента пьезоэлектрическим слоем, в область более низких частот, оказывают разное воздействие на частотные характеристики двух половинок элементарного преобразователя. В результате максимумы излучения двух частей элементарного преобразователя приходятся на разные частоты. Это обстоятельство, а также то, что элементарный излучатель имеет двухступенчатую структуру, приводит к тому, что такой элементарный преобразователь не генерирует квазиплоскую акустическую волну. Доля акустической энергии в рабочем лепестке диаграммы направленности многоэлементного преобразователя существенно уменьшается, и соответственно уменьшается эффективность дифракции акустооптического элемента Брэгга с таким преобразователем.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является акустооптический элемент Брэгга, состоящий из фотоупругой среды, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, образованный периодической последовательностью размещенных в ряд электрически соединенных емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя, где каждый из емкостных элементов нанесен на отдельный акустически соединенный с фотоупругой средой клиновидный слой (патент США 4146955, опубл. 03.04.79., МПК: H04R 31/00).

Недостатком устройства, предназначенного для работы на частотах дециметрового и сантиметрового диапазонов длин радиоволн, является крайне высокая технологическая сложность изготовления клиновидных слоев в виде кристаллических подложек толщиной 2 мкм и менее с поперечными размерами менее 200 мкм и последующего их нанесения в ряд на кристаллическую фотоупругую среду. Использование в данном устройстве в качестве клиновидного слоя кристаллической подложки из материала с акустическим импедансом, сильно отличающимся от акустического импеданса фотоупругой среды (от 0,5 до 1,5 от значения акустического импеданса пьезоэлектрического слоя) приводит к тому, что различные участки каждого емкостного элемента, соответствующие разной толщине клиновидного слоя, на одной и той же частоте излучают акустические волны с амплитудами, отличающимися в несколько раз (Полотнягин В.А. К теории возбуждения СВЧ-упругих волн многопленочными преобразователями (учет влияния металлических и диэлектрических слоев) / В.А.Полотнягин, В.Н.Шевчик // Радиотехника и электроника. 1972, Т. 17, 6, С.1260-1268.). Значительно изменяющаяся по апертуре преобразователя амплитуда излучаемой акустической волны не позволяет в таких элементах Брэгга верхней части дециметрового и сантиметрового диапазонов длин радиоволн сформировать диаграмму направленности электроакустического преобразователя в виде одного акустического лепестка, что приводит к снижению эффективности дифракции.

Задачей заявляемой полезной модели является существенное упрощение конструкции, допускающей относительно простую реализацию устройства на высоких частотах, и повышение эффективности дифракции элемента Брэгга.

Поставленная задача решается тем, что в акустооптическом элементе Брэгга, состоящем из фотоупругой среды, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, образованный периодической последовательностью размещенных в ряд электрически соединенных емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя, где каждый из емкостных элементов нанесен на отдельный акустически соединенный с фотоупругой средой клиновидный слой, клиновидный слой между электродом каждого емкостного элемента со стороны фотоупругой среды и поверхностью фотоупругой среды выполнен из звукопроводящего материала с акустическим импедансом, величина которого имеет наиболее близкое значение к величине акустического импеданса фотоупругой среды, причем линейно изменяющаяся вдоль направления распространения светового пучка толщина клиновидного слоя определяется выражением:

где - скорость акустической волны в клиновидном слое, р - период расположения емкостных элементов, f_o - центральная частота рабочего диапазона элемента Брэгга, х - расстояние в направлении распространения светового пучка от края емкостного элемента до точки определения толщины клиновидного слоя, k - коэффициент, который равен 1 при синфазном включении емкостных элементов преобразователя, и равен 2 при их противофазном включении.

Клиновидный слой и электрод каждого емкостного элемента со стороны фотоупругой среды выполнены из одного и того же электропроводящего материала и являются единым конструктивным элементом.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами: фиг.1 - общий вид заявляемого акустооптического элемента Брэгга, фиг.2 - схема расположения отдельных емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя и электропроводящим клиновидным слоем между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой в электроакустическом преобразователе элемента Брэгга.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - фотоупругая среда элемента Брэгга, 2 - пьезоэлектрический слой, 3 - электропроводящий клиновидный слой, 4 - падающий световой пучок, 5 - внешний электрод емкостного элемента электроакустического преобразователя, 6 - источник электромагнитного сигнала, 7 - акустическая волна, 8 - дифрагированный световой пучок.

Предлагаемый акустооптический элемент Брэгга (фиг.1) включает фотоупругую среду 1, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, образованный последовательностью размещенных в ряд емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя 2. Клиновидный слой 3 и электрод каждого емкостного элемента со стороны фотоупругой среды, выполненные из одного и того же электропроводящего материала с акустическим импедансом, величина которого имеет наиболее близкое значение к величине акустического импеданса фотоупругой среды 1, образуют единый конструктивный элемент, акустически соединенный с фотоупругой средой 1. Каждый клиновидный слой 3 имеет толщину h (фиг.2), линейно изменяющуюся вдоль направления распространения падающего светового пучка 4 в соответствии с выражением:

где - скорость акустической волны в клиновидном слое 3, р - период расположения емкостных элементов, f_o - центральная частота рабочего диапазона элемента Брэгга, х - расстояние в направлении распространения светового пучка 4 от края емкостного элемента до точки определения толщины клиновидного слоя 3, k - коэффициент, который равен 1 при синфазном включении емкостных элементов электроакустического преобразователя (как показано на фиг.1), и равен 2 при их противофазном включении (на чертежах не показано). С внешней стороны каждый емкостной элемент электроакустического преобразователя содержит электрод 5. Внешние электроды 5 и электропроводящие клиновидные слои 3 могут быть соединены между собой так, чтобы образовывать систему синфазно или противофазно включенных емкостных элементов.

Устройство работает следующим образом. При подаче на емкостной элемент электроакустического преобразователя электромагнитного сигнала от источника 6, в пьезоэлектрическом слое 2 за счет обратного пьезоэффекта возникают механические колебания с частотой электромагнитного сигнала. Эти механические колебания распространяются в направлении фотоупругой среды 1 и проходят сквозь клиновидный слой 3. Поскольку клиновидный слой 3 выполнен из электропроводящего материала с акустическим импедансом, практически совпадающим с акустическим импедансом фотоупругой среды 1, то акустические волны проходят границу раздела между клиновидным слоем 3 и фотоупругой средой 1, не испытывая отражения от этой границы. Вследствие этого частотная характеристика элементарного преобразователя, образованного каждым емкостным элементом, не зависит от толщины клиновидного слоя 3, а определяется толщинами пьезоэлектрического слоя 2, электрода 5 и акустическими импедансами этих слоев и фотоупругой среды. Поэтому все участки емкостного элемента генерируют акустические волны одинаковой амплитуды. Так как пьезоэлектрический слой 2 расположен на клиновидном слое 3, то поверхность результирующего волнового фронта излучаемой акустической волны 7 составляет с плоской поверхностью фотоупругой среды 1, на которой расположен преобразователь, угол, величина которого зависит от перепада толщины клиновидного слоя 3 на период следования емкостных элементов р (фиг.2). Выбирая, например, при синфазном включении емкостных элементов, максимальную толщину клиновидного слоя h, равную длине акустической волны, излучаемой на центральной частоте, а минимальную толщину равную нулю, можно получить акустическую волну 7 с практически плоским результирующим волновым фронтом. При изменении частоты электромагнитного сигнала будет меняться и длина возбуждаемой акустической волны, а, следовательно, и угол наклона ее результирующего волнового фронта. В итоге получаем диаграмму направленности преобразователя, состоящую практически из одного лепестка, который сканирует по углу при изменении частоты акустической волны 7. В результате концентрации акустической энергии в одном узком лепестке диаграммы направленности электроакустического преобразователя эффективность дифракции падающего светового пучка 4 на акустических волнах 7 существенно увеличивается. Для реализации эффективной дифракции Брэгга в широкой полосе частот необходимо чтобы на любой частоте диапазона угол между падающим световым пучком 4 и волновым фронтом акустической волны 7 был равен углу Брэгга, который, как известно, изменяется линейно при изменении частоты акустическойволны. В случае ограниченной длины преобразователя сканирование акустического лепестка при изменении частоты акустической волны позволяет выполнить условие Брэгга в широкой полосе частот без существенного снижения максимальной дифракционной эффективности элемента Брэгга.

Для экспериментальной проверки возможности создания высокочастотного акустооптического элемента Брэгга предлагаемой конструкции и его работоспособности был изготовлен образец устройства на основе кристалла ниобата лития (LiNbO ₃). Ориентация кристалла была такова, что продольная акустическая волна, генерируемая преобразователем, распространялась вдоль оси Х (акустический импеданс такой фотоупругой среды Z=30,4·10 ⁶ кг/м²с). Направление распространения излучения He-Ne лазера (₀=632,8 нм) составляло угол 36° с осью Y и 54° с осью Z. Клиновидный слой каждого емкостного элемента был выполнен из цинка (Zn) (акустический импеданс Z=29,6·10 ⁶ кг/м²с). Его толщина изменялась от нуля до 2,4 мкм. Поверх клиновидного слоя был нанесен пьезоэлектрический слой оксида цинка (ZnO) толщиной 1,5 мкм. Внешние электроды каждого емкостного элемента толщиной 0,2 мкм выполнены из алюминия (AT). Преобразователь содержал 36 элементов, расположенных на плоской поверхности кристалла ниобата лития в ряд с периодом следования p=100 мкм. Размер акустического пучка в направлении перпендикулярном плоскости дифракции составлял 250 мкм. Исследование диаграммы направленности преобразователя данного элемента Брэгга при угловой расстройке показало, что преобразователь излучает акустическую энергию практически в один лепесток, на котором и происходит эффективная дифракция падающего светового пучка. Элемент Брэгга с указанными параметрами работал в полосе частот 500 МГц с центральной частотой 1,75 ГГц при максимальной эффективности дифракции 8%/Вт.

1. Акустооптический элемент Брэгга, состоящий из фотоупругой среды, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, образованный периодической последовательностью размещенных в ряд электрически соединенных емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя, где каждый из емкостных элементов нанесен на отдельный акустически соединенный с фотоупругой средой клиновидный слой, отличающийся тем, что клиновидный слой между электродом каждого емкостного элемента со стороны фотоупругой среды и поверхностью фотоупругой среды выполнен из звукопроводящего материала с акустическим импедансом, величина которого имеет наиболее близкое значение к величине акустического импеданса фотоупругой среды, причем линейно изменяющаяся вдоль направления распространения светового пучка толщина клиновидного слоя определяется выражением

,

где - скорость акустической волны в клиновидном слое, p - период расположения емкостных элементов, f₀ - центральная частота рабочего диапазона элемента Брэгга, x - расстояние в направлении распространения светового пучка от края емкостного элемента до точки определения толщины клиновидного слоя, k - коэффициент, который равен 1 при синфазном включении емкостных элементов преобразователя, и равен 2 при их противофазном включении.

2. Акустооптический элемент Брэгга по п.1, отличающийся тем, что клиновидный слой и электрод каждого емкостного элемента со стороны фотоупругой среды выполнены из одного и того же электропроводящего материала и являются единым конструктивным элементом.