Акустооптический свч дефлектор

Полезная модель относится к устройствам управления параметрами лазерного излучения на основе объемных акустических волн и может быть использована в акустооптических анализаторах спектра, приемниках-частотомерах, а также в системах радиосвязи и радиолокации. Предполагаемая полезная модель отличается тем, что пьезопреобразователь акустооптического дефлектора, выполненного на основе ниобата лития (LiNbO₃) Х-среза, представляет собой отрезок компланарной линии, на выход которой включена согласованная нагрузка, причем на центральный электрод отрезка компланарной линии, ориентированной по направлению (Z-) падающего света, где Х и Z - кристаллографические оси ниобата лития, электрический сигнал подается через коаксиальный СВЧ разъем, внутренняя жила которого включена перпендикулярно центральному электроду отрезка компланарной линии. Полезная модель решает задачу расширения полосы рабочих частот акустооптического СВЧ дефлектора.

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам управления параметрами лазерного излучения на основе объемных акустических волн и может быть использована в СВЧ измерителях радиотехнического назначения, а именно в акустооптических анализаторах спектра, в частотомерах, в демодуляторах частотомодулированных и фазомодулированных сигналов, а также в системах радиосвязи и радиолокации.

Известен акустооптический дефлектор (АОД) [Бондаренко B.C., Зоренко В.П., Чкалова В.В. Акустооптические модуляторы света. - М.: Радио и связь. - 1988. - 136 с.] со звукопроводом в виде параллелепипеда на основе повеллита (молибдата кальция СаМоO₄), протяженная грань которого вырезана вдоль кристаллографического направления Z, а две другие грани ориентированы вдоль направлений Х и Y, причем свет в звукопроводе распространяется вдоль оси X, а звук вдоль оси Z, который, в свою очередь, возбуждается пленочным пьезопреобразователем путем подачи на него через коаксиальный СВЧ разъем и микрополосковую согласующую цепь возбуждающего СВЧ сигнала.

В данном аналоге пленочный пьезопреобразователь со звукопроводом согласуется акустически путем помещения между ними одного или нескольких металлических слоев, а с коаксиальным СВЧ трактом он же согласуется электрически с помощью микрополосковой цепи, расположенной вне звукопровода на отдельной плате. Именно возможность согласования пьезопреобразователя с СВЧ трактом в конечной полосе частот и ограничивает в целом полосу рабочих частот дефлектора.

Признаками, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются: звукопровод дефлектора выполнен в виде параллелепипеда, гранями, ориентированными вдоль кристаллографических осей X, Y, Z, звук в котором распространяется вдоль одной из осей, а свет

распространяется ей перпендикулярно, причем звук возбуждается с помощью пьезопреобразователя путем подачи на него через коаксиальный СВЧ разъем возбуждающего СВЧ сигнала.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является, с одной стороны, конструктивная сложность, обусловленная тем, что согласующая цепь располагается на отдельной микрополосковой плате, а, с другой стороны, малая полоса рабочих частот, которая ограничивается условиями согласования пленочного пьезопреобразователя с коаксиальным СВЧ трактом.

Известен акустооптический дефлектор [Янг Э.Х., Яо Шикай. Расчет акустооптических устройств//ТИИЭР. - 1981. - т.69. - 1. - с.62-74.], который в своем составе содержит следующие основные элементы: акустооптическую среду (пьезокристалл), нижний электрод и металлические слои, пьезоэлектрический слой, верхний металлический электрод с его активной частью. Металлические слои обеспечивают акустическое согласование пьезоэлектрического слоя (преобразователя) с акустооптической средой, а электрическое согласование преобразователя с СВЧ трактом осуществляется с помощью согласующей цепи на полосковых линиях, эта цепь состоит из входного коаксиального СВЧ разъема и системы микрополосковых линий с низким и высоким импедансом. Лазерное излучение подается на одну из граней пьезокристалла под углом Брэгга, а дифрагирует через его противоположную грань.

Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с признаками заявляемого акустооптического дефлектора, являются: на акустооптическую среду, представляющую собой оптически прозрачный кристалл с расположенным на ее верхней грани пьезоэлектрическим преобразователем, возбуждающий электрический сигнал подается через СВЧ цепь, причем модулируемое лазерное излучение подается на одну из рабочих граней под углом Брэгга, а дифрагирует через противоположную грань кристалла.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является необходимость в данном аналоге согласования преобразователя как «по звуку», так и «по СВЧ», в результате чего нет возможности получить полосу рабочих частот АОД, достаточной для использования его в панорамных акустооптических измерителях радиосигналов. Конструктивно упомянутая необходимость выражается в наличии между преобразователем и акустической средой дополнительных металлических слоев субмикронной толщины, а между преобразователем и коаксиальным СВЧ разъемом системы микрополосковых линий с низким и высоким импедансом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический дефлектор на основе ниобата лития LiNbO₃, работающий в режиме дифракции Брэгга [Балакший В.И., Волошинов В.Б., Парыгин В.Н. Акустическое сканирование света в анизотропной среде //Радиотехника и электроника. - 1971. - т.16. - 11. - с.2226-2229.].

Устройство прототипа изображено на фиг.1, где позиции на чертеже обозначают: 1 - металлический корпус, 2 - коаксиальный СВЧ разъем, 3 - пьезопреобразователь, 4 - кристалл ниобат лития LiNbO₃, 5 - падающий свет.

Устройство-прототип в своем составе содержит металлический корпус - 1 с коаксиальным СВЧ разъемом - 2, представляющим собой коаксиальный СВЧ резонатор, в разрыве центрального электрода которого расположен кристалл ниобата лития LiNbO₃ Х-среза - 4, выполненный в виде призмы, на одну из граней, перпендикулярных оси X, которой по направлению (Z-), где Х и Z - кристаллографические оси кристалла ниобата лития LiNbO₃, падает свет с вертикальной поляризацией - 5, а дифрагирует через параллельную первой вторую грань призмы с поляризацией ортогональной поляризации падающего света, причем обе рабочие грани призмы повернуты на угол относительно кристаллографической оси Y кристалла ниобата лития LiNbO₃, а на верхней грани призмы размещен

пьезопреобразователь - 3 на основе металлической поверхности центрального электрода, возбуждающего поперечные ультразвуковые волны посредством подаваемого на него через коаксиальный СВЧ разъем электрического сигнала.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым устройством, являются следующие: акустооптический СВЧ дефлектор, содержит металлический корпус с коаксиальным СВЧ разъемом и расположенным в корпусе кристаллом ниобатом лития LiNbO₃ Х-среза, выполненным в виде призмы, на одну из граней которой по направлению (Z-), где Х и Z - кристаллографические оси кристалла ниобата лития LiNbO₃, падает свет с вертикальной поляризацией, а дифрагирует через параллельную первой вторую грань призмы с поляризацией ортогональной поляризации падающего света, причем обе рабочие грани (через которые проходит свет) призмы повернуты на угол относительно кристаллографической оси Y кристалла ниобата лития LiNbO₃, величиной которого определяется центральная частота дефлектора f₀=f_0msin(), а на верхней грани призмы размещен пьезопреобразователь, возбуждающий поперечные ультразвуковые волны посредством подаваемого на него через коаксиальный СВЧ разъем электрического сигнала, где , - скорость ультразвука в кристалле, - длина волны света.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является величина полосы рабочих частот, недостаточная для использования АОД в составе панорамных акустооптических измерителей параметров радиосигналов, ограничиваемая, помимо селективности процесса АО взаимодействия, величиной добротности коаксиального резонатора, на основе которого фактически выполнен его пьезопреобразователь, совмещенный с металлическим корпусом и СВЧ разъемом.

Отмеченный недостаток прототипа является следствием особенности его конструкции: при размещении кристалла ниобата лития LiNbO ₃ в торце коаксиального резонатора возможно получение максимальной концентрации электрического поля на поверхности ниобата лития LiNbO₃ и соответственно максимальной дифракционной эффективности АОД.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемая полезная модель, является расширение полосы рабочих частот акустооптического СВЧ дефлектора.

Заявляемый технический результат в предполагаемой полезной модели достигается за счет того, что ее пьезопреобразователь выполнен в виде отрезка компланарной линии, на выход которой включена согласованная нагрузка, причем на центральный электрод отрезка компланарной линии, ориентированной по направлению (Z-) падающего света, электрический сигнал подается через коаксиальный СВЧ разъем, внутренняя жила которого включена перпендикулярно центральному электроду отрезка компланарной линии.

Для достижения технического результата в акустооптическом СВЧ дефлекторе, содержащем металлический корпус с коаксиальным СВЧ разъемом и расположенным в корпусе кристаллом ниобатом лития LiNbO₃ X-среза, выполненным в виде призмы, на одну из граней которой по направлению (Z-), где Х и Z - кристаллографические оси кристалла ниобата лития LiNbO₃ падает свет с вертикальной поляризацией, а дифрагирует через параллельную первой вторую грань призмы с поляризацией ортогональной поляризации падающего света, причем обе рабочие грани призмы повернуты на угол относительно кристаллографической оси Y кристалла ниобата лития LiNbO₃ величиной которого определяется центральная частота дефлектора f₀=f_0msin(), где - скорость ультразвука в кристалле, - длина волны света, а на верхней грани призмы размещен пьезопреобразователь, возбуждающий поперечные ультразвуковые волны

посредством подаваемого на него через коаксиальный СВЧ разъем электрического сигнала, пьезопреобразователь выполнен в виде отрезка компланарной линии, на выход которой включена согласованная нагрузка, причем на центральный электрод отрезка компланарной линии, ориентированной по направлению (Z-) падающего света, электрический сигнал подается через коаксиальный СВЧ разъем, внутренняя жила которого включена перпендикулярно центральному электроду отрезка компланарной линии.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, также видно, что оно 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 АОД и сопоставим его с работой прототипа и аналогов.

Сущность и работа предполагаемой полезной модели поясняется фиг.2, где позиции на чертеже обозначают: 1 - коаксиальный СВЧ разъем, 2 - металлический корпус, 3 - кристалл ниобат лития LiNbO ₃, 4 - отрезок компланарной линии, 5 - согласованная нагрузка, 6 - падающий свет, 7 - внутренняя жила СВЧ разъема, 8 - первая рабочая грань, 9 - вторая рабочая грань, 10 - заземленный металлизированный слой, 11 - центральный электрод компланарной линии.

Работа заявляемого АО дефлектора и обеспечиваемый им технический эффект заключается в следующем (фиг.2). Управляющий радиосигнал через коаксиальный СВЧ-разъем 1 подается на один из концов центрального электрода компланарной линии 4, которая образована собственно упомянутым центральным электродом компланарной линии - 11 и щелью в заземленном металлизированном слое - 10, нанесенными на

верхнюю грань кристалла ниобата лития LiNbO₃ - 3. Принципиальным является то, что внутренняя жила 7 коаксиального СВЧ-разъема 1 включена перпендикулярно центральному электроду компланарной линии, что сделано с целью локализации длины пьезопреобразователя, равной l (см. фиг.2, б). Возбуждение ультразвуковых волн осуществляется за счет обратного пьезоэффекта непосредственно с поверхности кристалла ниобата лития LiNbO₃ Х-среза, используемого в качестве светозвукопровода. Второй конец центрального электрода компланарной линии 11 заканчивается согласованной нагрузкой 5. При этом геометрические размеры компланарного волновода 2а и 2b выбираются из условия реализации его волнового сопротивления, равного волновому сопротивлению подводящего СВЧ-тракта.

Световое излучение 6 подается под углом Брэгга на первую рабочую грань кристалла 8, а дифрагирует через противоположную первой вторую грань 9, при этом плоскость, в которой располагаются волновые векторы световой и акустической волн, как то показано на фиг.2, образуют угол с осью Z. Угол в дефлекторе задает центральную частоту акустооптического взаимодействия - f₀, которая зависит от направления распространения света f₀=f_0msin() - скорость ультразвука в кристалле, - длина волны света.

Таким образом, из представленного описания следует, что в предлагаемом дефлекторе полоса рабочих частот, равная (где - скорость звука в кристалле, n - показатель преломления, - длина волны света, l - длина акустооптического взаимодействия, ограничивается только селективностью процесса акустооптического взаимодействия), она задается длиной l отрезка компланарной линии; на ее величину не влияет степень согласования пьезопреобразователя, в роли которого в предложенном дефлекторе выступает отрезок компланарной линии, на выход которой включена согласованная нагрузка.

Предлагаемый АОД может быть реализован на основе пьезокристалла ниобата лития LiNbO₃ Х-среза; диапазон рабочих частот АОД будет задаваться значением угла . Например для центральной частоты f₀=1750 МГц, угол должен быть выбран равным 31,5°. Пьезокристалл должен быть вырезан в виде призмы, оптические требования к граням которой должны задаваться в соответствии с [Роздобудько В.В., Бакарюк Т.В. Акустооптический дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука // ПТЭ. 2003. 1. С.74.], при этом две рабочие грани могут быть просветлены для заданной длины волны света, например, с требованиями (_Б,В В.008,⁺_Б,В0,01, по ОСТ 3-1901-95 для =0,627 мкм) Жестких требований к точности ориентации осей и направлений в призме из ниобата лития LiNbО₃ - не предъявляется.

Не предъявляется также жестких требований к технологии изготовления металлического корпуса АОД. Однако следует иметь в виду, что, вследствие концентрации электрического поля вблизи поверхности компланарной линии, верхняя часть металлического корпуса АОД должна отстоять от нее на расстоянии большем, чем 2 (b-а).

Для изготовления поверхностного пьезопреобразователя в виде отрезка компланарной линии 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. Выбор размеров 2а и 2b компланарного волновода должен осуществляться, в том числе с учетом размеров апертуры лазерного источника света. Что касается согласованной нагрузки, которой «заканчивается» компланарная линия, то она может быть выполнена по типу нагрузок в микрополосковой СВЧ технике [Микрополосковые устройства СВЧ. Под ред. Г.И.Веселова. - М.: «Высшая школа». - 1988. - 280 с.].

Акустооптический СВЧ дефлектор, содержащий металлический корпус с коаксиальным СВЧ разъемом и расположенным в корпусе кристаллом LiNbO₃ Х-среза, выполненным в виде призмы, на одну из граней которой по направлению (Z-), где Х и Z - кристаллографические оси кристалла ниобата лития LiNbO₃, падает свет с вертикальной поляризацией, а дифрагирует через параллельную первой вторую грань призмы с поляризацией ортогональной поляризации падающего света, причем обе рабочие грани (через которые проходит свет) призмы повернуты на угол относительно кристаллографической оси Y кристалла ниобата лития LiNbO₃, величиной которого определяется центральная частота дефлектора f₀=f_0msin(), где , - скорость ультразвука в кристалле, - длина волны света, а на верхней грани призмы размещен пьезопреобразователь, возбуждающий поперечные ультразвуковые волны посредством подаваемого на него через коаксиальный СВЧ разъем электрического сигнала, отличающийся тем, что пьезопреобразователь выполнен в виде отрезка компланарной линии, на выход которой включена согласованная нагрузка, причем на центральный электрод отрезка компланарной линии, ориентированной по направлению (Z-) падающего света, электрический сигнал подается через коаксиальный СВЧ разъем, внутренняя жила которого включена перпендикулярно центральному электроду отрезка компланарной линии.