Акустооптический дефлектор с решеткой пьезопреобразователей

Акустооптический дефлектор с решеткой пьезопреобразователей относится к устройствам управления параметрами лазерного излучения на основе объемных акустических волн и может быть использован в акустооптических анализаторах спектра, приемниках частотомерах, а также в системах радиолокации и радиосвязи. Задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в увеличении, по крайней мере, в два раза дифракционной эффективности акустооптического дефлектора.

Технический результат, заключающийся в увеличении дифракционной эффективности в акустооптическом дефлекторе, содержащем в своем составе пьезокристалл в форме шестигранной прямоугольной призмы с коэффициентом преломления n, выполняющей роль светозвукопровода, на верхнюю грань которой нанесен поверхностный пьезопреобразователь в виде системы металлических электродов с периодом d, возбуждающий объемные ультразвуковые волны со скоростью распространения , а на его противоположной грани размещен поглотитель ультразвука, причем модулируемое лазерное излучение с длиной волны по направлению перпендикулярно расположенных металлических электродов подается на одну из боковых граней прямоугольной призмы достигается тем, что система металлических электродов разделена, по крайней мере, на три группы, на каждую из которых управляющий сигнал подается с фазовым сдвигом Ф, обеспечивающим однолепестковый характер диаграммы направленности возбуждаемого ультразвука, причем одноименные металлические электроды каждой из групп расположены в системе металлических электродов последовательно, а их период выбран из условия

,

где f₀ - центральная рабочая частота акустооптического дефлектора.

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам управления параметрами лазерного излучения, в частности, к СВЧ акустооптическим дефлекторам с поверхностным возбуждением ультразвука и может быть использована в качестве устройства ввода информации в акустооптических спектроанализаторах, частотомерах и демодуляторах радиосигналов.

Известна конструкция (см: 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) акустооптического дефлектора (АОД) СВЧ диапазона (см. фиг.1,а) на основе пьезокристалла в форме прямоугольного параллелепипеда - 1, в котором с помощью пьезокристаллического преобразователя - 2, расположенного на одной из боковых граней, генерируются объемные акустические волны, а на противоположной грани параллелепипеда располагается поглотитель - 3. В данном аналоге используется секционированный пьезопреобразователь - 2, изготавливаемый в виде резонансных прямоугольных пластин малой толщины.

В аналоге расширение полосы рабочих частот - f, постоянство его дифракционной эффективности и регулировка в целом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) АОД осуществляется за счет изменения распределения амплитуды ультразвука в секциях пьезопреобразователя вдоль направления распространения оптических пучков; последнее осуществляется путем подачи разного уровня возбуждающего напряжения - U_BX.

Признаками выбранного аналога, общими с заявляемым устройством, являются следующие: АОД выполнен на основе пьезокристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, на верхнюю грань которого нанесен пьезопреобразователь, 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 резонансных пьезопластин толщиной ~ (2-3) мкм, необходимых для возбуждения ультразвука.

Известен акустооптический СВЧ дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука - фиг.1,б (см. патент РФ GO2F 1/29 2349945 от 17.09.2007 г.), содержащий в своем составе пьезокристалл в виде прямоугольного параллелепипеда - 2, выполняющего роль светозвукопровода, на верхнюю грань которого нанесен встречно-штыревой пьезопреобразователь - 1, а на противоположную грань нанесен поглотитель - 3, отличающейся тем, что пьезопреобразователь - 2 представляет собой систему металлических электродов с противофазным возбуждением, причем его обе шины подачи сигнала выполнены по форме осесимметричной фигуры с максимальными размерами по длине электродов, приходящимся на центр пьезопреобразователя - 2.

Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с признаками заявляемого акустооптического дефлектора, являются то, что он в своем составе содержит пьезокристалл, на верхнюю грань которого нанесен пьезопреобразователь в виде системы металлических электродов, а на его противоположной грани размещен поглотитель; как в аналоге, так и в заявляемом устройстве лазерное излучение подается на одну из боковых граней пьезокристалла.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, а именно повышения дифракционной эффективности АОД и уменьшения неравномерности его амплитудно-частотной характеристики, является то, что в данном аналоге пьезопреобразователь возбуждает ультразвук по двум направлениям в виде двух пучков и только с одним из них, подаваемое на АОД лазерное излучение, полезно взаимодействует; энергия второго ультразвукового пучка теряется и, в ряде случаев, он (второй пучок) создает в теле пьезокристалла помеховые сигналы. Кроме того, в окрестности некоторых частот, находящихся в рабочем диапазоне АОД, второй пучок ультразвука может провзаимодействовать с основным дифрагированным лазерным излучением, что, как следствие, приводит к дополнительной изрезанности - неравномерности АЧХ дефлектора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство прототип, а именно акустооптический дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука с помощью решетки преобразователей в виде противофазно-запитываемых металлических электродов (см. Роздобудько В.В., Бакарюк Т.В. Акустооптический СВЧ дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - 1. - С.73-75).

Устройство-прототип изображено на фиг.2, где позиции на чертеже обозначают: 1 - система металлических электродов; 2 - шестигранная прямоугольная призма; 3 - поглотитель ультразвука; 4 - подаваемое на АОД лазерное излучение. Кроме того, на фиг.2 надписями поясняется место расположение верхней и нижней граней призмы, ее боковой грани, а также показана подача управляющего сигнала на систему металлических электродов.

Наиболее существенными признаками прототипа являются то, что он выполнен на основе пьезокристалла в форме шестигранной прямоугольной призмы, выполняющей роль светозвукопровода, на верхнюю грань которой нанесен поверхностный пьезопреобразователь в виде системы металлических электродов, а на его противоположной грани размещен поглотитель ультразвука, при чем лазерное излучение подается на одну из боковых граней прямоугольной призмы.

Устройство прототип в своем составе содержит перечисленные выше элементы и в основу принципа его функционирования 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 поверхности верхней грани пьезокристалла. Для пояснения принципа работы прототипа рассмотрим поверхностный преобразователь - фиг.3,а, состоящий из N электродов высотой b и шириной y₀, в котором в роли парциального излучателя ультразвука выступает поверхность z среза кристалла LiNbO₃ протяженностью l₀ между электродами.

При приложении между такими электродами напряжения U=U₀cos(t+Ф) и, соответственно, поля Е₀(у)U₀/l₀, в направлении оси z в объем кристалла за счет пьезоэффекта со скоростью возбуждается монохроматическая упругая волна a(z,t)=a ₀exp[j(Kz-t)] с поляризацией вдоль оси у, где K=2/=2/f; =2f. Квадрат амплитуды акустической волны деформации, которая выражается посредством , a P_a - излучаемая с поверхности площадью l ₀b в приближении плоского поля мощность, может быть найдена из соотношения

, (1)

где - плотность среды кристалла, k - коэффициент электромеханической связи, - диэлектрическая проницаемость в направлении приложенного поля, l₀b - в площадь «излучения» с полем E₀; суммарная площадь излучения многоэлементного преобразователя ml₀b.

Поле и, как следствие, амплитуду деформации по площади l₀b полагаем равномерно распределенными (прямоугольным). Для других распределений (гауссового, синусоидального и др.) степень отличия P_a от расчетного в соответствии с (1) будет отличаться постоянным коэффициентом.

Для системы таких идентичных излучателей m=N-1, каждый из которых возбуждается одинаковой амплитудой a₀U₀ с одинаковым набегом фазы между электродами Ф_i=Ф=const, суммарную акустическую волну можно представить [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - M.: Радио и связь. - 1985. - 280 с.] в виде

, (2)

где i - текущее значение номера пьезопреобразователя;

d=l₀+y₀ - период расположения электродов; Ф - фазовый сдвиг между двумя соседними излучателями.

Если в АОД падение лазерного излучения с длиной волны на возбуждаемый фазированным преобразователем ультразвуковой столб организовано под углом ₀ (см. Фиг.3,б) [₀ отсчитывается от перпендикуляра к оси упомянутого ультразвукового столба], то передаточная функция АОД - Т(₀), представляющая собой записанную в соответствующих координатах диаграмму направленности решетки преобразователей

где , , может быть записана в виде

, (3)

где , q - параметр, взаимосвязанный с мощностью возбуждаемой акустической волны , M₂ - коэффициент акустооптического качества, p_эф - эффективная упругооптическая постоянная.

Квадрат передаточной функции представляет собой АЧХ АОД - (f), которая, в случае противофазного возбуждения элементов решетки, т.е. при Ф= - как то имеет место в прототипе, может быть описана

, (4)

где выбрана из условия равенства угла Брэгга равным углу отклонения от оси z одного из главных лепестков ДН решетки , ширина которого (см. фиг.3,б).

При угле падения, равном , в АОД реализуются одногорбые АЧХ с полосой рабочих частот:

(5)

по уровню ~ - 4 дБ.

Из (4) следует, что полоса fограничивается селективностью брэгговского взаимодействия, задаваемой полной длиной решетки ~ md, в то время как эффективность АО взаимодействия определяется суммарной длиной всех элементов решетки - ml₀.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым устройством, являются следующие: акустооптический дефлектор с решеткой пьезопреобразователей, содержащий в своем составе пьезокристалл в форме шестигранной прямоугольной призмы с коэффициентом преломления n, выполняющей роль светозвукопровода, на верхнюю грань которой нанесен поверхностный пьезопреобразователь в виде системы металлических электродов с периодом d, возбуждающий объемные ультразвуковые волны со скоростью распространения , а на его противоположной грани размещен поглотитель ультразвука, причем модулируемое лазерное излучение с длиной волны по направлению перпендикулярно расположенных металлических электродов подается на одну из боковых граней прямоугольной призмы.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является то, что применяемый в прототипе противофазный поверхностный пьезопреобразователь возбуждает ультразвуковой пучок, диаграмма направленности которого состоит, в основном, из двух лепестков, причем только один из них используется в полезных целях (см. фиг.3,б); на этот один лепесток диаграммы направленности под удвоенным углом Брэгга на боковую грань призмы подается лазерное излучение и полезно дифрагирует. Таким образом, энергия второго из возбуждаемых ультразвуковых лучей не принимает участия в АО взаимодействии и энергия, затрачиваемая на его возбуждение, теряется.

Более того, при значительной величине дифракционной эффективности, наличие второго ультразвукового пучка может исказить АЧХ дефлектора, а именно привести к дополнительной ее неравномерности. Последнее иллюстрируется на фиг.3,б, которой поясняется процесс «отъема» световой мощности у полезно продифрагировавшего света вторым лепестком диаграммы направленности ультразвука. Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение дифракционной эффективности АОД. Можно считать, что это увеличение дифракционной эффективности ориентировочно составит два раза. Дополнительная задача направлена на улучшение неравномерности АЧХ дефлектора, которая также обусловлена существованием второго лепестка диаграммы направленности АОД.

Заявляемый технический результат в предлагаемой полезной модели достигается за счет того, что система металлических электродов разделена, по крайней мере, на три группы, на каждую из которых управляющий сигнал подается с фазовым сдвигом Ф, обеспечивающим однолепестковый характер диаграммы направленности возбуждаемого ультразвука, причем одноименные металлические электроды каждой из групп расположены в системе металлических электродов последовательно, а их период выбран из условия

,

где f₀ - центральная рабочая частота акустооптического дефлектора.

Для достижения технического результата в акустооптическом дефлекторе с решеткой пьезопреобразователей, содержащем в своем составе пьезокристалл в форме шестигранной прямоугольной призмы с коэффициентом преломления n, выполняющей роль светозвукопровода, на верхнюю грань которой нанесен поверхностный пьезопреобразователь в виде системы металлических электродов с периодом d, возбуждающий объемные ультразвуковые волны со скоростью распространения , а на его противоположной грани размещен поглотитель ультразвука, причем модулируемое лазерное излучение с длиной волны по направлению перпендикулярно расположенных металлических электродов подается на одну из боковых граней прямоугольной призмы, достигается тем, что система металлических электродов разделена, по крайней мере, на три группы, на каждую из которых управляющий сигнал подается с фазовым сдвигом Ф, обеспечивающим однолепестковый характер диаграммы направленности возбуждаемого ультразвука, причем одноименные металлические электроды каждой из групп расположены в системе металлических электродов последовательно, а их период выбран из условия ,

где f₀ - центральная рабочая частота акустооптического дефлектора.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, также видно, что предлагаемый акустооптический дефлектор соответствует критерию «существенные отличия», поскольку в аналогах не обнаружены заявляемые новые признаки.

Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и техническим результатом рассмотрим принцип работы предлагаемого дефлектора и сопоставим его с работой прототипа и аналогов.

Сущность и работа предлагаемой полезной модели поясняется фиг.4, где позиции на чертеже обозначают: 1 - система металлических электродов, 2 - шестигранная прямоугольная призма, 3 - поглотитель, 4 - лазерное излучение. Как в налогах и прототипе в заявляемом АОД система возбуждения ультразвука в виде набора металлических электродов - 1 нанесена на верхнюю грань шестигранной призмы - 2, выполненной из пьезокристаллического материала, а на нижнюю грань призмы - 2 нанесен поглотитель ультразвука - 3. Благодаря тому, что система - 1 разделена на три группы электродов, на каждую из которых управляющий сигнал U_BX подается с фиксированным - одинаковым фазовым сдвигом Ф=Ф₁=Ф₂=Ф ₃, то в дальней зоне шестигранной призмы за счет пьезоэффекта возбуждается только один ультразвуковой пучок: диаграмма направленности возбуждаемого ультразвука имеет однолепестковый характер. Ось возбуждаемого лепестка ДН отклонена на угол, равный . В прототипе ДН имеет два основных лепестка, в которых сосредоточена практически вся мощность возбуждаемого ультразвука. В АОД прототипа на один из основных лепестков ДН (см. фиг.3) ультразвука под углом Брэгга к его оси падает пучок лазерного излучения и полезно дифрагирует: т.е. в энергетическом отношении половина мощности возбуждаемого ультразвука теряется, поскольку второй лепесток его ДН не участвует в процессе АО взаимодействия. В предлагаемом АОД в объеме шестигранной призмы - 2 формируется только один ультразвуковой пучок, на который также подается лазерное излучение - 4 и также под углом Брэгга. В данном случае энергия возбуждаемого ультразвука используется полностью и, кроме того, при работе такого АОД в полосе частот исключается возможность дифракции света на других лепестках ДН, как это имеет место в прототипе. Однако, если в устройстве прототипа фазовый сдвиг между парциальными поверхностными излучателями - излучающей поверхностью между электродами составляет , то в предлагаемом АОД он должен быть другим, а именно таким, при котором будет иметь место только один лепесток ДН ультразвука. В общем случае, как то следует из техники антенных устройств [см. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: учебное пособие для ВУЗов // Д.И.Воскресенский и др. - М.: Радиотехника. - 2003. - 632 с.] в фазированных антенных решетках, состоящих их ненаправленных излучателей, один лепесток ДН может быть сформирован, если фаза подаваемого на излучатели напряжения будет находиться в пределах 0-. В первом варианте (при синфазном возбуждении решетки) один лепесток ДН будет перпендикулярен плоскости расположения решетки (электродов), а во втором случае максимум ДН будет параллельна плоскости расположения излучателей. При любых других величинах фазовой дискреты, находящихся между указанными величинами, ДН будет иметь только один лепесток. Однако угол отклонения этого лепестка от перпендикуляра, восстановленного к плоскости расположения электродов, зависит также от выбора центральной частоты - f ₀ АО взаимодействия, на которой оно происходит с максимальной эффективностью и от периода расположения электродов (излучателей) в решетке пьезопреобразователей. И в аналогах, и в прототипе упомянутая частота f₀ выбирается из условия совпадения угла Брэгга - _Б с углом (см. фиг.3). Величина угла и выбранное значение фазового сдвига Ф₁=Ф ₂=Ф₃=Ф однозначно определяют величину периода расположения электродов в решетке преобразователей посредством соотношения, вынесенного в формулу изобретения. Именно этим соотношением и лимитируется взаимосвязь фазового сдвига в элементах решетки пьезопреобразователей - Ф, значения центральной частоты АОД и периода расположения поверхностных электродов. При этом исходя из заданного диапазона рабочих частот АОД или технологических особенностей производства, возможно варьировать значениями d и Ф. В заявляемом АОД система металлических электродов разделена на три группы. Сделано это с целью минимизации числа фазовых скачков в решетке преобразователей, обеспечивающих наличие только одного лепестка ДН ультразвука. В решетке преобразователей заявляемого АОД величина фазового скачка - Ф может как возрастать в направлении расположения электродов, так и убывать. При этих двух вариантах возбуждения пучки ультразвука будут находиться в разных квадрантах плоскости АО взаимодействия. Поэтому в одном из вариантов лазерное излучение на АОД следует подавать либо под нулевым, либо под удвоенным углом Брэгга на частоте f₀.

Предлагаемый АОД может быть реализован на основе пьезокристалла LiNbO₃. Кристалл должен быть вырезан в форме шестигранной прямоугольной призмы, оптические требования к граням которой должны задаваться в соответствии с рекомендациями, приведенными в статье [Роздобудько В.В., Бакарюк Т.В. Акустооптический дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука // ПТЭ. - 2003. - 1. - С.73-75]; при этом две боковые рабочие грани призмы могут быть просветлены для заданной длины света, например, в соответствии с требованиями ОСТ 3-1901-95. Жестких требований к точности ориентации осей и выбранных направлений распространения ультразвука в призме из ниобата лития - не предъявляются.

Для изготовления поверхностного пьезопреобразователя в виде системы металлических электродов может быть использована широко применяемая на практике технология изготовления устройств на поверхностных акустических волнах. [см. Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь. - 1984. - 272 с.]. Также могут быть использованы методы фотолитографии, которые применяются в полупроводниковой промышленности.

Предложенная полезная модель несколько сложнее в изготовлении, чем, например, ее прототип. Сказанное в первую очередь касается необходимости изолирования шины одной из групп металлических электродов. В технике поверхностных акустических волн такая изоляция осуществляется на основе использования пленок диоксида кремния или простых воздушных зазоров с постановкой проволочных перемычек. Для условий мелкосерийного производства последнее предпочтительно.

В качестве поглотителя ультразвука в заявляемом устройстве целесообразно использовать вещество с акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению пьезокристалла, чтобы обеспечить согласование светозвукопровода и поглотителя и избежать переотражения объемной акустической волны в область акустооптического взаимодействия.

Таким образом, в предлагаемой полезной модели акустооптического дефлектора реализован энергетический выигрыш, обеспечивающий, по крайней мере, двухкратное увеличение его дифракционной эффективности.

Акустооптический дефлектор с решеткой пьезопреобразователей, содержащий в своем составе пьезокристалл в форме шестигранной прямоугольной призмы с коэффициентом преломления n, выполняющей роль светозвукопровода, на верхнюю грань которой нанесен поверхностный пьезопреобразователь в виде системы металлических электродов с периодом d, возбуждающий объемные ультразвуковые волны со скоростью распространения v, а на его противоположной грани размещен поглотитель ультразвука, причем модулируемое лазерное излучение с длиной волны , по направлению перпендикулярно расположенных металлических электродов подается на одну из боковых граней прямоугольной призмы, отличающийся тем, что система металлических электродов разделена, по крайней мере, на три группы, на каждую из которых управляющий сигнал подается с фазовым сдвигом Ф, обеспечивающим однолепестковый характер диаграммы направленности возбуждаемого ультразвука, причем одноименные металлические электроды каждой из групп расположены в системе металлических электродов последовательно, а их период выбран из условия , где f₀ - центральная рабочая частота акустооптического дефлектора.