Акустооптический дефлектор с автоподстройкой положения кристалла в пространстве

Авторы патента:

Полезная модель относится к акустооптике и лазерной технике, в частности к широкополосным акустооптическим дефлекторам, используемым для управления пространственным положением оптических пучков. Техническим результатом, при осуществлении заявляемой полезной модели, является автоматизация обеспечения эффективной дифракции акустооптического дефлектора в широком диапазоне рабочих частот. Технический результат достигается тем, что акустооптический дефлектор с автоподстройкой положения кристалла в пространстве, содержащий звукопровод, выполненный в виде тела с фотоупругими свойствами, пьезопреобразователь, расположенный на торцевой грани звукопровода, при этом вход пьезопреобразователя подключен к источнику управляющего напряжения, поглотитель, нанесенный на грань звукопровода, противоположную грани с пьезопреобразователем, дополнительно содержит пьезоэлектрическую систему углового смещения, на которой закреплен звукопровод, и блок детектирования изменения частоты управляющего напряжения, причем вход которого соединен со вторым выходом источника управляющего напряжения, а выход - с пьезоэлектрической системой углового смещения, причем, пьезоэлектрическая система углового смещения выполнена, например, в виде диска, закрепленного на пьезоэлектрическом двигателе из n склеенных пьезоэлектрических цилиндров, подключенных к скользящим контактам блока детектирования изменения частоты управляющего напряжения, а блок детектирования изменения частоты управляющего напряжения выполнен в виде частотного дискриминатора, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока.

Известен «Акустооптический дефлектор» (патент РФ 2136032, G02F 1/33, 1999) содержащий твердотельный звукопровод из фотоупругого материала, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его торцевых граней плоским фазированным пьезопреобразователем. В результате секционирования внутреннего и внешнего электродов преобразователя можно получить несколько преобразователей с противофазным возбуждением соседних элементов. При правильном выборе угла падения оптического излучения и при изменении частоты управляющего сигнала эквивалентный волновой фронт акустического пучка будет поворачиваться, подстраиваясь под угол Брэгга.

Недостатком указанного устройства является то, что из-за многолепестковой формы акустического пучка (при одной и той же длине пьезопреобразователя) уменьшается дифракционная эффективность устройства, что приводит к уменьшению участвующей во взаимодействии акустической мощности и, как следствие, снижению эффективности взаимодействия. Кроме того, секционированный пьезопреобразователь более сложен в изготовлении, особенно на высоких частотах.

Известен « Акустооптический анизотропный дефлектор» (патент РФ 2462739, G02F 1/33, 2006) содержащий звукопровод из кристаллического материала, обладающего акустической анизотропией, и плоский однородный пьезопреобразователь. При определенной ориентации кристаллических осей материала звукопровода в процессе изготовления дефлектора можно получить диапазон углов Брэгга, который слабо зависит от частоты управляющего сигнала. Таким образом, в относительно широком диапазоне частот управляющего сигнала для падающего на дефлектор оптического пучка выполняется условие Брэгга, т.е. обеспечивается высокая дифракционная эффективность в относительно широком частотном диапазоне.

Недостатком указанного устройства является меньший (по сравнению с предыдущим устройством) диапазон частот управляющего сигнала, а также высокая стоимость и сложность обеспечения высокой точности при ориентации анизотропного материала и изготовлении звукопровода дефлектора.

Известен акустооптический дефлектор (В.И. Балакший, В.Н. Парыгин, Л.Е. Чирков. «Физические основы акустооптики» М., Радио и связь, 1985.), выбранный в качестве прототипа, содержащий пьезопреобразователь, расположенный на торцевой грани звукопровода, который выполнен в виде тела с фотоупругими свойствами и поглотитель, нанесенный на грань звукопровода, противоположную грани с пьезопреобразователем, цилиндрические линзы, сферические линзы, экран, причем вход пьезопреобразователя подключен к источнику управляющего напряжения.

Недостатком известного устройства является невозможность осуществления оперативного обеспечения падения оптического пучка под углом Брэгга в широком диапазоне рабочих частот.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является создание акустооптического дефлектора с оперативной геометрической автоподстройкой оптического пучка под угол Брэгга.

Техническим результатом, при осуществлении заявляемой полезной модели, является автоматизация обеспечения эффективной дифракции акустооптического дефлектора в широком диапазоне рабочих частот.

Технический результат достигается тем, что акустооптический дефлектор с автоподстройкой положения кристалла в пространстве, содержащий звукопровод, выполненный в виде тела с фотоупругими свойствами, пьезопреобразователь, расположенный на торцевой грани звукопровода, при этом вход пьезопреобразователя подключен к источнику управляющего напряжения, поглотитель, нанесенный на грань звукопровода, противоположную грани с пьезопреобразователем, дополнительно содержит пьезоэлектрическую систему углового смещения, на которой закреплен звукопровод, и блок детектирования изменения частоты управляющего напряжения, причем вход которого соединен со вторым выходом источника управляющего напряжения, а выход - с пьезоэлектрической системой углового смещения, причем, пьезоэлектрическая система углового смещения выполнена, например, в виде диска, закрепленного на пьезоэлектрическом двигателе из n склеенных пьезоэлектрических цилиндров, подключенных к скользящим контактам блока детектирования изменения частоты управляющего напряжения, а блок детектирования изменения частоты управляющего напряжения выполнен в виде частотного дискриминатора, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока.

Технический результат достигается благодаря введению положительной обратной связи, состоящей из пьезоэлектрической системы углового смещения и блока детектирования изменения частоты управляющего напряжения. Введение положительной обратной связи позволяет влиять на величину поворота кристалла звукопровода в зависимости от изменения частоты управляющего напряжения.

Главным условием, необходимым для достижения технического результата, является изначальная настройка акустооптического дефлектора на режим Брэгговской дифракции.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного устройства, отсутствуют, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию новизна.

Результатом поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной полезной модели, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленной полезной модели преобразований на достижение указанного технического результата и полезная модель основана на:

- дополнении известного устройства - аналога какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно этого дополнения;

- замене какой-либо части устройства аналога другой известной части для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- исключение какой-либо части устройства-аналога с одновременным исключением, обусловленной ее наличием функции и достижением обычного для такого исключения результата;

- увеличении количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в устройстве именно таких элементов;

- выполнении известного устройства-аналога или его части из известного материала для достижения технического результата обусловленного известными свойствами материала;

- создание устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого устройства и связей между ними;

- изменении количественного признака (признаков) устройства и предоставлении таких признаков во взаимосвязи либо изменение вида взаимосвязи, если известен факт влияния каждого из них на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, следовательно, заявленная полезная модель соответствует изобретательскому уровню.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1. изображен акустооптический дефлектор с автоподстройкой положения кристалла в пространстве. И введены следующие обозначения:

1. Звукопровод

2. Пьезопреобразователь

3. Поглотитель

4. Источник управляющего напряжения

5. Блок детектирования изменения частоты управляющего напряжения

6. Пьезоэлектрическая система углового смещения

Предлагаемое устройство содержит звукопровод 1, на противоположных торцевых гранях которого расположены пьезопреобразователь 2 и поглотитель 3. Первый выход источника управляющего напряжения 4 подключен к входу пьезопреобразователя 2, в второй выход источника управляющего напряжения 4 - к входу блока детектирования изменения частоты управляющего напряжения 5, выход которого соединен с пьезоэлектрической системой углового смещения 6.

Звукопровод 1 закреплен на пьезоэлектрической системе углового смещения 6.

Пьезопреобразователь 2 выполнен, например, в виде пластинки из специально ориентированного пьезоактивного кристалла ниобата лития, на противоположные плоские стороны которой нанесены электроды, к которым подводится электрический сигнал источника управляющего напряжения 4 [1].

Блок детектирования изменения частоты управляющего напряжения 5 выполнен в виде последовательно соединенных частотного дискриминатора и усилителя постоянного тока [2].

Пьезоэлектрическая система углового смещения 6 выполнена в виде диска, закрепленного на пьезоэлектрическом двигателе с пассивным ротором. Сам двигатель состоит из нескольких склеенных пьезоэлектрических цилиндров. К каждому цилиндру подключены скользящие контакты блока детектирования изменения частоты управляющего напряжения 5 [3].

Устройство работает следующим образом: оптическое излучение, проходя через звукопровод 1 акустооптического дефлектора, взаимодействует с акустической волной, исходящей от пьезопреобразователя 2, эта акустическая волна создается пьезопреобразователем 2 в результате преобразования электрического сигнала источника управляющего напряжения 4. Поглотитель 3 поглощает весь дошедший до него акустический сигнал для предотвращения его переотражений. Изначально акустооптический дефлектор настроен таким образом, что оптическое излучение, падающее на акустооптический дефлектор, удовлетворяет условию Брэгга, при этом напряжение на выходе блока детектирования изменения частоты управляющего напряжения 5 равно нулю. При изменении частоты управляющего сигнала, к примеру, в большую сторону, в результате работы дискриминатора на его выходе появляется положительное напряжение, которое через усилитель постоянно тока подается на вход пьезоэлектрической системы углового смещения 6, которая поворачивает звукопровод 1 для сохранения Брэгговского условия, тем самым сохраняя режим Брэгговской дифракции, что приводит к автоматизации обеспечения эффективной дифракции акустооптического дефлектора в широком диапазоне рабочих частот. В случае изменения частоты в меньшую сторону, на выходе блока детектирования изменения частоты управляющего напряжения 5 появляется отрицательное напряжение.

Таким образом, предложенная полезная модель акустооптического дефлектора с автоподстройкой положения кристалла в пространстве позволяет автоматически подстраивать режим Брэгговский дифракции, несмотря на механические воздействия на акустооптический дефлектор, что существенно расширяет его функциональные возможности.

Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленной полезной модели, следует отметить дополнительный технический результат, а именно упрощение изготовления устройства.

Сопоставление параметров, характеризующих заявляемую полезную модель, и прототипа позволяет сделать вывод, что заявляемая полезная модель позволяет сохранять режим Брэгговской дифракции в акустооптическом дефлекторе.

Список использованной литературы:

1. Акустооптические устройства обработки сигналов: Учеб. пособие/ В.В. Клудзин; Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 1997, 52 с.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство. Пер. с. нем. - М.: Мир, 1982. - 512 с, ил.

3. Петренко С.Ф. Пьезоэлектрический двигатель в приборостроении. - К.: «Корншчук», 2002.- 96 с. ISBN 966-7599-24-8

1. Акустооптический дефлектор с автоподстройкой положения кристалла в пространстве, содержащий звукопровод, выполненный в виде тела с фотоупругими свойствами, пьезопреобразователь, расположенный на торцевой грани звукопровода, при этом вход пьезопреобразователя подключён к источнику управляющего напряжения, поглотитель, нанесённый на грань звукопровода, противоположную грани с пьезопреобразователем, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены пьезоэлектрическая система углового смещения, на которой закреплён звукопровод и блок детектирования изменения частоты управляющего напряжения, вход которого соединён со вторым выходом источника управляющего напряжения, а выход - с пьезоэлектрической системой углового смещения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пьезоэлектрическая система углового смещения выполнена, например, в виде диска, закрепленного на пьезоэлектрическом двигателе из n склеенных пьезоэлектрических цилиндров, подключённых к скользящим контактам блока детектирования изменения частоты управляющего напряжения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок детектирования изменения частоты управляющего напряжения выполнен в виде частотного дискриминатора, выход которого соединён с входом усилителя постоянного тока.