АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР Российский патент 1995 года по МПК G02F1/11 

Изобретение относится к технике акустооптической обработки информации и предназначено для использования в приемнике-частотомере, к которому предъявляются требования высокой дифракционной эффективности, расширенной полосы частот и возможности работы в высокочастотной области.

Известен акустооптический дефлектор [1] состоящий из звукопровода и нанесенного на его торец пьезопреобразователя, содержащего внутренний электрод, акустически связанный со звукопроводом, пьезопленку и внешний электрод меандрового типа со сформированными на рабочих изгибах металлическими штырями, образующими решетку излучателей. Включение излучателей осуществляется синфазным (СФ) способом при использовании в качестве рабочего одного бокового лепестка в трехлепестковой диаграмме направленности (ДН) акустического поля.

Недостатком данного устройства является сравнительно низкая дифракционная эффективность. Это связано с тем, что диаграмма направленности возбуждаемого преобразователем акустического поля в случае синфазного включения элементов имеет три главных максимума, в то время как в процессе взаимодействия участвует лишь один боковой лепесток. В результате теряется 60-70% акустической мощности. Использование при дифракции бокового лепестка, имеющего меньшую мощность, чем у центрального максимума, тоже ведет к снижению дифракционной эффективности. Кроме того, дифракционная эффективность невысока за счет наличия одной решетки излучателей и отсутствия процесса интерференции акустических пучков, несмотря на возможность работы в высокочастотной области. Рабочий диапазон частот также ограничен.

Известна акустооптическая ячейка Брэгга с фазированной решеткой [2] содержащая звукопровод и пьезопреобразователь, состоящий из двух фазированных решеток излучателей. Решетки излучателей образованы структурами, содержащими внутренний электрод, пьезопленку и внешний электрод. При этом одна из решеток в виде периодически расположенных излучателей нанесена на поверхности звукопровода, а другая имеет структуры, расположенные периодически между структурами первой решетки, но в пазах торца звукопровода, глубина которых равна 1/4 длины акустической волны для центральной частоты входного радиосигнала. Это обеспечивает сдвиг фаз между решетками π/2. Излучатели каждой решетки включены противофазно, т.е. разность фаз межу ними равна π.

В результате за счет наличия между решетками сдвига фаз осуществляется интерференция пучков и результирующая ДН акустического поля имеет один главный максимум повышенной интенсивности.

Недостатком данного устройства является ограниченность дифракционной эффективности и ширины рабочей полосы частот, что связано с использованием постоянного сдвига фаз между излучателями, равного π, не зависящего от частоты входного сигнала. Противофазное включение излучателей приводит к меньшей интенсивности получаемого акустического максимума по сравнению с включением, близким к синфазному, а независимость сдвига фаз между излучателями от частоты к ограниченной ширине частотной зависимости интенсивности этого максимума. Кроме того, центральная частота рабочего диапазона не может быть выше 1,5 ГГц, так как глубина пазов второй решетки излучателей в этом случае должна быть одинакова и составлять менее 1 мкм, что в условиях изготовления методом травления не представляется возможным.

Задачей данного изобретения является расширение рабочей полосы частот АОД, повышение дифракционной эффективности устройства и увеличение центральной частоты рабочего диапазона.

Предлагаемый акустооптический дефлектор содержит звукопровод, на одном из торцов которого расположен пьезопреобразователь, содержащий последовательно размещенные первый электрод, пьезоэлектрическую пленку и два внешних электрода, при этом первый электрод полоскового типа и ориентирован вдоль оси кристалла звукопровода (Y + 36^о), а внешние электроды имеют форму меандров, и на их рабочих изгибах, обращенных друг к другу, образованы штыри. Расстояние между штырями вдоль образующей меандра определяется из соотношения
l , где 0 < β_o< - сдвиг фаз между излучателями,
f_o центральная частота радиосигнала,
C_Σ- погонная емкость пьезопреобразователя.

Такое выполнение пьезопреобразователя обеспечивает формирование двух решеток излучателей с возможностью реализации зависимости сдвига фаз между излучателями от частоты входного сигнала, что решает задачу расширения рабочей полосы частот. Одновременно за счет выполнения входных участков меандра разной длины, различающихся на величину Δl, определяемую из соотношения
Δl , реализуется сдвиг фаз между решетками Δβ_р, обеспечивающий получение в ДН акустического поля главного максимума на основе центрального лепестка при подавлении двух боковых, что решает задачу повышения в 2 раза (или на 3 дБ) дифракционной эффективности устройства при сдвиге фаз между излучателями β_о π/4. Наряду с этим формирование фазового сдвига между решетками излучателей путем выбора разной длины начальных участков меандровых электродов, что легко осуществляется практически в условиях изготовления этих электродов методом фотолитографии, решает задачу повышения центральной частоты рабочего диапазона частот до 2,5 ГГц, т.е. на 1000 МГц выше, чем в устройстве-прототипе.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предложенного дефлектора; на фиг. 2 блок-схема приемника-частотомера; на фиг. 3 угловые спектры интенсивности акустических пучков для предлагаемого устройства и для ячейки Брэгга прототипа.

АОД (фиг. 1) содержит звукопровод 1 в виде изотропного кристалла, например, ниобата лития, на торце которого расположен пьезопреобразователь 2, состоящий из двух плоских идентичных фазированных решеток излучателей. Основными элементами каждой из них являются акустически связанный со звукопроводом 1 и соединенный с землей внутренний полосковый электрод 3, ориентированный вдоль оси кристалла (Y + 36^о), пьезоэлектрическая пленка 4, два изготовленных методом фотолитографии внешних электрода 5 меандровой формы. На рабочих изгибах меандров 5 сформированы штыри 6 и в результате расположения их над пьезопленкой и внутренним электродом 3, образуются излучатели. Меандровые электроды 5 параллельны между собой и имеют встречное направление штырей, расстояние между которыми ≈12-14 мкм. За счет выбора длины участков меандра между излучателями обеспечивается сдвиг фаз между ними в пределах 0 < β_o< .

Длина этих участков рассчитывается следующим образом. Эквивалентная схема включения излучателей представляет собой последовательно соединенную цепочку ячеек типа фильтра нижних частот (ФНЧ), граничная частота которых записывается в виде
f_гр, (1) где f_o центральная частота рабочего диапазона входных сигналов,
β_о сдвиг фаз между излучателями для центральной частоты радиосигнала.

Длина l участка электрода 5 связана с его индуктивностью L следующим образом:
l , Гн, (2)
L , (3) где C_Σ- погонная емкость решетки излучателей,
C_Σ=C˙N, (4) N количество излучателей,
C ; (5)
ε= 8,84;
s площадь излучателя;
S d˙b (6) где d, b ширина и длина излучателя соответственно;
h толщина пьезоэлектрической пленки;
h , (7) V_ак скорость акустической волны в пьезопленке.

Подставляя (1) в (3) и полученную формулу в (2), выведем зависимость длины участка меандра между излучателями от сдвига фаз между ними β_о:
l . (8)
Начальные участки меандровых электродов 5 имеют разную длину и замыкаются на контактные площадки 7, к которым подводится разветвленная центральная жила с входным анализируемым радиосигналом. Разность длин начальных участков меандровых электродов рассчитывается аналогичным способом. Сдвиг фаз между решетками излучателей Δβ_р, необходимый для интерференции акустических пучков, запишется в виде
Δβ_p=K˙ϕ˙d (9) где К - волновое число акустической волны,
Λ длина акустической волны,
ϕ- угол поворота акустического фронта.

ϕ . (10)
Подставляя выражения для К, ϕ и β_о, например, равное π/4, в соотношение (9), получим
Δβ_p= . (11)
Подставив Δβ_р в формулу (1) вместо β_о и используя (3) (4), из выражения (2) получим величину разности длин начальных участков электродов Δl
Δl . (12)
На фиг. 2 представлена блок-схема приемника-частотомера, в котором используется данный АОД. Он содержит лазер 8, АОД 9, фокусирующие линзы 10, 11 и линейную фотоматрицу 12.

Работает предлагаемый дефлектор следующим образом.

Анализируемый радиосигнал подается на вход пьезопреобразователя 2 (фиг. 1) и распространяется по меандровым электродам 5. При поступлении его на штыри 6 в пьезоэлектрической пленке 4 происходит преобразование электрических колебаний в механические, в результате чего в звукопроводе 1 возбуждаются и распространяются две акустические волны. Благодаря выбору расстояния между штырями в соответствии с соотношением (8) при сдвиге фаз между излучателями 0 < β_o< диаграмма направленности каждой акустической волны имеет три главных максимума. За счет небольшого расстояния между излучателями (12-14 мкм) и дифракционной расходимости акустических пучков они пространственно совмещаются, а вследствие создания фазового сдвига между решетками путем выбора разной длины начальных участков меандровых электродов (см. формулу 12) пучки интерферируют с образованием одного главного максимума повышенной интенсивности на основе центрального лепестка при подавлении двух боковых. На входную грань АОД (фиг. 2) под углом Брэгга падает световой пучок от лазера 8. В результате дифракции на акустической волне с полученной путем интерференции однолепестковой диаграммой направленности на выходе дефлектора образуется дифрагированный в (+1)-й порядок дифракции световой пучок с углом отклонения, пропорциональным частоте радиосигнала [3] которая измеряется с помощью линейной фотоматрицы. Интенсивность результирующего акустического поля в процессе взаимодействия двух акустических пучков с амплитудами Е₁ и Е₂ и с разностью фаз между ними Δβ (в данном случае двух центральных максимумов диаграмм направленности решеток излучателей) записывается в виде
Е₂ Е₁² + Е₂² +2 Е₁Е₂cos (Δβ) (13) Учитывая, что мощность разветвляемого сигнала на входе пьезопреобразователя делится пополам и для интенсивности акустических пучков верно соотношение
Е₁² Е₂² Е_с², (14) рассмотрим третий член (13)
S ( ϕ, f) 2 E_c² cosΔβ описывающий получение в результате интерференции однолепестковой ДН акустического поля.

Частотно-угловой спектр интенсивности акустического пучка в дальней зоне дифракции s ( ϕ,f) с учетом того, что каждая из фазированных решеток состоит из m излучателей, сдвиг фаз между излучателями β, ширина отдельного излучателя d, период их расположения р, угол наклона акустического фронта относительно перпендикуляра к торцу АОД ϕ, смещение между решетками, формирующее фазовый сдвиг между ними, h и Δβ (ϕd-h), запишется в виде
= A·sine ·cos(ϕd-h). (15) Как видно из данного выражения, формирование частотно-углового спектра интенсивности определяется ДН отдельного излучателя (первый сомножитель, описывающий огибающую интенсивности акустического поля), ДН всей совокупности излучателей с учетом фазового сдвига между ними (второй сомножитель, описывающий ряд максимумов, вписанных в огибающую), ДН двух пространственно смещенных решеток излучателей (третий сомножитель).

Как отмечалось выше, в устройстве-прототипе при изменении рабочей частоты входного радиосигнала f разность фаз между излучателями не изменяется и равна π, третий сомножитель в выражении (15) с учетом формулы (10) и того, что h , получится равным
cos · · cos · . (16) В предлагаемом устройстве, где эквивалентная электрическая схема решеток излучателей меандрового типа представляет собой последовательно соединенную цепочку ячеек типа ФНЧ, при изменении частоты f входного сигнала значение β меняется и третий член в выражении (15) можно записать так:
cos · · , (17) где величина β(f) связана с граничной частотой ячейки типа ФНЧ соотношением (1), которое можно представить в виде
cos[β(f)] 1-2. (18) При этом длина участка меандрового электрода между излучателями, обеспечивающая определенный сдвиг фаз между ними, рассчитывается с использованием выражений (2) (8). Оценим влияние частотной зависимости β(f) на ДН акустического поля S (ϕ f). Для упрощения примем, что β≅0,5, тогда
cosβ(f) ≃ 1- и, используя (18), получим
β(f) . (19) С учетом (19) выражение (17) запишется так
cos · · - , (20) где β_o= . Из сравнения (16) и (20) видно, что данное выражение (20) отличается тем, что в нем получена возможность уменьшения 1-го члена аргумента косинуса в π/β_о раз, а также на величину 2-го слагаемого. Это приводит к более медленному изменению с частотой функции (20) и выражения (15) в целом, что способствует расширению частотной зависимости интенсивности S( ϕ, f) и следовательно, расширению рабочей полосы частот устройства. Проведены сравнительные оценки влияния выражений (16) и (20) на частотную зависимость интенсивности акустического пучка S( ϕ, f) для β_o= π₄β₅ соответственно, 6,57˙10⁶ мм/сек, f_o 2,5 ГГц в полосе частот Δf 2000 МГц. Результаты показали, что в случае предлагаемой конструкции пьезопреобразователя АОД с частотно-зависимым сдвигом фаз между излучателями рабочая полоса частот на 400 МГц (или на 20%) больше по отношению к полосе частот устройства-прототипа.

Для сравнения величин интенсивностей главных максимумов однолепестковых ДН предлагаемого устройства и прототипа был выполнен расчет с использованием ПЭВМ углового спектра S (ϕ, f) для следующих значений параметров:
m 12;
P , где f_o 1,5 ГГц,
6,57 ˙10⁶ мм/сек,
n показатель преломления среды звукопровода, n 2,2;
λ- длина волны лазерного излучения;
λ=0,63 мкм;
d 0,7˙Р; β₁ 2 π- β_о и для сдвига фаз между излучателями β_о π/4. а также β_o π, соответствующего режиму работы пьезопреобразователя ячейки Брэгга прототипа. В последнем случае величина h соответствует глубине паза расположения второй решетки излучателей и равна . В случае предлагаемого АОД сдвиг фаз межу решетками излучателей, необходимый для обеспечения процесса интерференции акустических пучков и образования однолепестковой ДН повышенной интенсивности, реализуется благодаря разности длин начальных участков меандровых электродов Δl, рассчитываемой из соотношения (12) с использованием формул (2) (7). Так, например, при С 1,28˙10^-12 ф; f_o 2,5 ГГц; β_o= ,
Δl ≃ 1 мм. Рассчитанные таким образом угловые спектры интенсивности S ( ϕ, f) представлены на фиг. 3 (а, b). При построении спектров учитывалось также, что коэффициент преобразования электромагнитной волны в акустическую для О-й пространственной гармоники поступающего на вход радиосигнала, возбуждающей центральный акустический лепесток ДН, в 1,4 раза больше, чем для ±1 гармоник, формирующих боковые лепестки [1] Как видно из полученных результатов, интенсивность акустического пучка однолепестковой ДН, создаваемой предлагаемой конструкцией пьзопреобразователя, на 3 дБ выше интенсивности акустического пучка, возбуждаемого преобразователем прототипа. Мощность акустического пучка связана с его интенсивностью следующим соотношением
P_ак= · ρ·v3а

В свою очередь, интенсивность дифрагированного светового пучка прямо пропорциональна Р_ак [3] Поскольку дифракционная эффективность АОД определяется отношением интенсивности дифрагированного светового пучка к падающему, то выигрыш в дифракционной эффективности по отношению к ячейке Брэгга прототипа составляет ту же величину 3 дБ.

Кроме того, следует отметить невозможность практической реализации ячейки Брэгга прототипа на центральных частотах, существенно больших 1,5 ГГц. Так, для получения рабочей полосы с центральной частотой 2,5 ГГц в ячейке Брэгга прототипа формирование сдвига фаз между решетками излучателей Δβ_p= , как уже указывалось, предполагает создание пазов методом травления, глубина которых должна быть равной 0,6 мкм при периоде расположения Р 20 мкм, ширине одного излучателя d 0,7˙ Р 17 мкм и расстоянии между ними 3 мкм. В условиях современной технологии получение столь малых элементов конструкции методом травления с высокой точностью воспроизведения их периодической последовательности не представляется возможным. В предлагаемой конструкции пьезопреобразователя АОД такое ограничение отсутствует, и достигается существенное смещение рабочего диапазона частот в более высокочастотную область. Для обеспечения работы устройства на центральной частоте f_o 2,5 ГГц необходимый фазовый сдвиг между решетками излучателей создается за счет разности длин начальных участков меандровых электродов Δl≃1 мм, что легко реализуется в условиях изготовления электродов методом фотолитографии.

Таким образом, предлагаемый АОД по сравнению с устройством-прототипом имеет более широкую (на 400 МГц или на 20%) рабочую полосу частот, более высокую (на 3 дБ или в 2 раза) дифракционную эффективность и более высокую (на 1000 МГц) центральную частоту рабочего диапазона частот, что позволяет работать в существенно более высокочастотной области.

Использование: в акустооптике, в частности в приемнике-частотомере. Сущность изобретения: акустооптический дефлектор (АОД) содержит звукопровод и расположенный на его торце пьезопреобразователь, включающий первый полосковый электрод, ориентированный вдоль оси кристалла звукопровода (Y + 36°), пьезоэлектрическую пленку и два внешних электрода меандровой формы, параллельных друг другу. Рабочие изгибы меандров имеют встречно направленные штыри, которые расположены над внутренним электродом, образуя излучатели. Определенный выбор расстояния между излучателями обеспечивает их включение, близкое к синфазному. Начальные участки внешних электродов имеют разную длину, создавая сдвиг фаз между решетками излучателей, обеспечивающий интерференцию акустических пучков с образованием однолепестковой диаграммы направленности повышенной интенсивности. АОД имеет рабочую полосу частот 1,5 ГГц при центральной частоте 2,5 ГГц и дифракционную эффективность не менее 4% /Вт. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР, содержащий звукопровод прямоугольного сечения с двумя торцами, на одном из которых расположен пьезопреобразователь, включающий первый электрод, прилегающий к торцу звукопровода, на котором размещена пьезоэлектрическая пленка, а на ней два внешних электрода, отличающийся тем, что первый электрод выполнен полосковым и ориентирован в плоскости торца звукопровода параллельно оси кристалла звукопровода (Y + 36^o), а внешние электроды имеют форму меандров, сдвинутых относительно друг друга, при этом на их рабочих изгибах, обращенных друг к другу в плоскости меандров, размещены штыревые планарные излучатели, расстояние l между которыми вдоль меандра определяется из соотношения

где b_o сдвиг фаз между штыревыми излучателями;
f₀ центральная частота рабочей полосы дефлектора;
C_Σ погонная емкость пьезопреобразователя. 2. Дефлектор по п.1, отличающийся тем, что расстояние Dl между смежными внешними электродами удовлетворяет соотношению

где Db_p сдвиг фаз между излучателями меандров.