АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР Российский патент 1999 года по МПК G02F1/33 

Изобретение относится к СВЧ акустооптике и может быть использовано при создании акустооптических устройств обработки радиосигналов.

Известен акустооптический дефлектор (см. G. Coquin, J. Griffin. Acoustic Beam Steering. IEE J. V-SU-17, 1970., N1, p. 38), содержащий твердотельный светозвукопровод из пьезоэлектрического фотоупругого материала, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем, где каждый элемент последовательности посредством металлических электродов подключен к отдельному фазовращателю. Эти фазовращатели служат для подведения к пьезоэлементам высокочастотной мощности и для обеспечения требуемого закона сканирования возбуждаемого акустического пучка в зависимости от частоты. Способность такого преобразователя возбуждать объемные акустические волны, изменяющие свое направление с частотой, используется в указанном дефлекторе для так называемой автоподстройки под угол Брэгга, что позволяет расширить полосу частот акустооптического взаимодействия. Чтобы точно выполнялось условие Брэгга при вариациях частоты, необходимо изменять сдвиг фазы между соседними пьезоэлементами по определенному закону.

Недостатками такого акустооптического дефлектора являются
1. трудность реализации системы фазовращателей, обеспечивающих требуемый закон изменения сдвига фазы на период от частоты, особенно на СВЧ, в условиях, когда вообще неизвестно, что должны представлять собой конструктивно эти фазовращатели,
2. рассеяние энергии излучаемого акустического поля по различным направлениям в связи с существованием у многоэлементного преобразователя определенной диаграммы направленности, состоящей из серии лепестков, из которых используется только один.

Известен также акустооптический дефлектор, содержащий звукопровод с пьезоэлектрическим слоем, заключенным между последовательностью пар металлических электродов, расположенных друг над другом, один электрод каждой пары соединен перемычкой, имеющей вывод, с одним из электродов последующей пары, а другой - с одним из электродов предыдущей, причем все выводы на длине, определяемой рабочей частотой, соединены между собой общим замкнутым электродом (см Р. И. Бурштейн, Ю.А.Зюрюкин. Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь. AC N 839073, 13.02.1981 г.). Многоэлементный преобразователь в таком акустооптическом дефлекторе образует многозвенную фильтрующую цепь - фильтр верхних частот, в которой распространяется бегущая электромагнитная волна с частотнозависимым сдвигом фазы на период. Этот преобразователь имеет диаграмму направленности, состоящую из трех лепестков, изменяющих свое направление при изменении частоты, один из лепестков используется для автоподстройки фронта звуковой волны под угол Брэгга.

Недостатками такого акустооптического дефлектора являются
1. невозможность реализации точной автоподстройки под угол Брэгга вследствие отличия частотной зависимости сдвига фазы на ячейку такого преобразователя от идеального закона, требуемого для точной автоподстройки,
2. сложность конструкции преобразователя, не позволяющей реализовывать его на СВЧ. Этот недостаток обусловлен необходимостью многократного точного совмещения масок или фотошаблонов при изготовлении сложной системы определенным образом соединенных электродов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является акустооптический дефлектор, состоящий из твердотельного светозвукопровода с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем, состоящим из плоской меандровой системы и плоского электрода, между которыми находится слой пьезоэлектрика, плоский электрод расположен на поверхности звукопровода (см. Ю.А.Зюрюкин, Е. Л. Никишин, Н. М.Ушаков. Многоканальный акустооптический дефлектор. А. С. N 989520, опубл. 15.01.83 г.). Многоэлементный пьезопреобразователь в таком акустооптическом дефлекторе образует многозвенную фильтрующую цепь - фильтр низких частот (ФНЧ), в которой распространяется бегущая электромагнитная волна со сдвигом фазы на период, зависящим от частоты по определенному закону. Многоэлементный пьезопреобразователь имеет трехлепестковую диаграмму направленности, один из лепестков которой используется для автоподстройки под угол Брэгга.

Главным недостатком такого акустооптического дефлектора является невозможность осуществления точной автоподстройки под угол Брэгга в рабочей полосе частот вследствие невозможности практической реализации оптимального сдвига фазы на период ≈ 0.5 π (для систем типа ФНЧ) из-за приближения к частоте отсечки, когда резко возрастают потери в системе при распространении в ней электромагнитной волны. Это не позволяет использовать максимально возможную длину преобразователя, что приводит к значительному уменьшению эффективности акустооптического взаимодействия и полосы рабочих частот акустооптического дефлектора.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности акустооптического взаимодействия при расширении полосы рабочих частот.

Эта задача решается тем, что в акустооптическом дефлекторе, содержащем твердотельный светозвукопровод из пьезоэлектрического фотоупругого материала, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем, элементы которого выполнены в виде последовательности полосок, параллельных одному из ребер прямоугольного параллелепипеда, на двух противоположных гранях светозвукопровода, перпендикулярных грани с многоэлементным пьезопреобразователем, выполнены дополнительные электроды, причем каждый электрод имеет форму полосы, одна из широких сторон которой совпадает с ребром прямоугольного параллелепипеда, соединяющим две грани, на одной из которых расположена полоса, а на другой расположен многоэлементный пьезопреобразователь.

Сущностью другого варианта технического решения является то, что дополнительные электроды выполнены на гранях светозвукопровода, параллельных полоскам - элементам пьезопреобразователя, причем в каждом электроде имеется прямоугольный прорез, ширина которого совпадает с длиной полоски - элемента пьезопреобразователя, а центр прореза лежит на оси симметрии пьезопреобразователя.

В третьем варианте сущностью технического решения является то, что дополнительные электроды выполнены на гранях светозвукопровода, перпендикулярных полоскам - элементам пьезопреобразователя. Признаки, сходные с заявляемыми в известной авторам научно-технической литературе, отсутствуют.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен акустооптический дефлектор, соответствующий пп. 1 и 2, а на фиг. 2 - акустооптический дефлектор, соответствующий пп.1 и 3 формулы.

Акустооптический дефлектор содержит твердотельный светозвукопровод 1, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем 2, элементы которого выполнены в виде последовательности полосок 3, параллельных одному из ребер 4 прямоугольного параллелепипеда; на двух противоположных гранях светозвукопровода, перпендикулярных грани с многоэлементным пьезопреобразователем 2, выполнены дополнительные электроды 5, 6, причем каждый электрод имеет форму полосы, одна из широких сторон которой совпадает с ребром прямоугольного параллелепипеда, соединяющим две грани, на одной из которых расположена полоса 5 (или 6), а на другой расположен многоэлементный пьезопреобразователь 2.

В акустооптическом дефлекторе по п. 2 (фиг. 1) дополнительные электроды 5 и 6 выполнены на гранях светозвукопровода, параллельных полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2, причем в каждом электроде 5 и 6 имеется прямоугольный прорез, ширина D которого совпадает с длиной b полоски 3 - элемента пьезопреобразователя 2, а центр прореза лежит на оси симметрии пьезопреобразователя.

В акустооптическом дефлекторе по п.3 (фиг.2) дополнительные электроды 5 и 6 выполнены на гранях светозвукопровода, перпендикулярных полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2.

Заявляемый акустооптический дефлектор работает следующим образом. Многоэлементный пьезопреобразователь 2 возбуждает в светозвукопроводе 1 акустическое поле, имеющее в общем случае многолепестковую диаграмму направленности. Углы наклона лепестков диаграммы направленности могут изменяться при вариациях частоты. Световой пучок направляется на акустооптический дефлектор под углом Брэгга к фронту звуковой волны, соответствующей одному из лепестков диаграммы направленности. В результате акустооптического взаимодействия дифрагированый свет выходит из акустооптического дефлектора под двойным брэгговским углом относительно падающего светового пучка. При изменении частоты радиосигнала, подаваемого на пьезопреобразователь 2, угол Брэгга также изменяется и при фиксированном угле падения света на акустооптический дефлектор брэгговское условие нарушается. Эффект сканирования лепестков диаграммы направленности с частотой используется для автоподстройки звукового пучка под угол Брэгга и коррекции тем самым брэгговского условия. Однако законы изменения с частотой углов Брэгга и наклона фронта звуковой волны лепестка диаграммы направленности, используемого для акустооптического взаимодействия, не одинаковы. Чтобы скомпенсировать различие законов изменения с частотой углов Брэгга и наклона фронта звуковой волны ограничивают общую длину DL пьезопреобразователя 2 вдоль области акустооптического взаимодействия, что при заданной полосе частот приводит к ограничению уровня дифракционной эффективности.

В работе (В.Петров, "Широкополосные акустооптические гиперзвуковые брэгговские ячейки". Письма в ЖТФ, Т.22, Вып.22, стр. 11-15. 1996) показано, что точная автоподстройка угла наклона фронта звуковой волны под угол Брэгга возможна при изменении с частотой шага l многоэлементной структуры по следующему закону:
l = ϕ_mV/2πfsin{Θ_oi-arcsin(λ_of/2n_oV)}, (1)
где ϕ_m - сдвиг фазы для m-й пространственной гармоники, соответствующей m-му (рабочему) лепестку диаграммы направленности многоэлементного пьезопреобразователя 2; V - скорость звука в светозвукопроводе 1; f - текущая частота; Θ_oi - угол падения света на акустооптический дефлектор (угол между плоскостью пьезопреобразователя 2 и волновым вектором падающей световой волны), λ_o и n_o - длина световой волны в вакууме и коэффициент преломления света в светозвукопроводе соответственно. Обеспечение точной автоподстройки под угол Брэгга снимает ограничение на длину DL пьезопреобразователя и позволяет тем самым увеличить эффективность акустооптического взаимодействия, а также полосу рабочих частот.

В предлагаемом изобретении для реализации изменения шага l многоэлементного пьезопреобразователя 2 с частотой на двух противоположных гранях светозвукопровода 1, перпендикулярных грани с многоэлементным пьезопреобразователем 2, выполнены дополнительные электроды 5 и 6. При приложении к этим электродам разности потенциалов, изменяющейся по заданному закону при изменении частоты, под воздействием обратного пьезоэффекта размеры светозвукопровода 1 будут изменяться, приводя к изменению шага l многоэлементного пьезопреобразователя 2.

В акустооптическом дефлекторе по п. 2 (фиг. 1) дополнительные электроды 5 и 6 выполнены на гранях светозвукопровода 1, параллельных полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2. В этом случае увеличение или уменьшение шага l происходит при увеличении или уменьшении электрического напряжения, приложенного к дополнительным электродам 5 и 6, под воздействием продольного обратного пьезоэффекта. При реализации акустооптического дефлектора в СВЧ диапазоне световой пучок необходимо направлять на светозвукопровод 1 в непосредственной близости от пьезопреобразователя 2 для уменьшения влияния затухания акустических волн на дифракционную эффективность и разрешающую способность. Для этой цели в варианте акустооптического дефлектора по п. 2 формулы в каждом из дополнительных электродов 5 и 6 предусмотрен прямоугольный прорез, ширина D которого совпадает с длиной b полосок 3 - элементов пьезопреобразователя 2. Глубина прореза определяется технологическими соображениями и углом падения светового пучка на акустооптический дефлектор. При обеспечении внешнего электрического контакта между частями электрода, разделенными прорезом, глубина прореза может достигать ширины узкой стороны полосы 5 (или 6).

В акустооптическом дефлекторе по п. 3 (фиг. 2) дополнительные электроды 5 и 6 выполнены на гранях светозвукопровода 1, перпендикулярных полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2. При этом увеличение или уменьшение шага l многоэлементного пьезопреобразователя 2 происходит при уменьшении или увеличении электрического напряжения, приложенного к дополнительным электродам 5 и 6, под воздействием поперечного обратного пьезоэффекта.

Величина абсолютного приращения δ размера светозвукопровода 1 вдоль длины DL пьезопреобразователя 2 определяется соотношениями (см., например, Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Том III, Электричество, Изд. "Наука", Москва, 1977, стр. 158) :
δL = -(L/B)d_ijϕ, - для поперечного (2) и
δB = d_ijϕ - для продольного обратного пьезоэффекта (3),
где L и B - длины ребер 7 и 4 светозвукопровода 1, соответственно перпендикулярного и параллельного полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2, d_ij - пьезомодуль, характеризующий соответствующий срез твердотельного светозвукопровода; ϕ - разность потенциалов, прикладываемая к электродам. Величина абсолютного приращения δ не зависит от размеров самого светозвукопровода и определяется лишь приложенным к электродам электрическим напряжением и величиной пьезомодуля d_ij. При этом объем светозвукопровода не изменяется, а следовательно, относительное изменение одного из размеров светозвукопровода влечет за собой соответствующее относительное изменение других его размеров.

Достоинством предложенного технического решения в сравнении с прототипом является возможность увеличения дифракционной эффективности при расширении полосы рабочих частот акустооптического дефлектора.

Примеры конкретного исполнения предложенных решений.

Реализация предложенного технического решения предполагает использование в качестве светозвукопровода твердотельного материала, обладающего, наряду с необходимыми упругооптическими свойствами, также хорошим пьезоэффектом, т.е. высоким значением пьезомодуля для используемого среза материала светозвукопровода 1.

Из известных сегодня твердотельных пьезоэлектрических фотоупругих материалов наиболее отвечающим указанным требованиям является кристалл ниобата лития. На основе этого материала возможно создание акустооптических дефлекторов, работающих на радиочастотах вплоть до 10 ГГц. Наивысшее значение пьезомодуля для ниобата лития d₁₅ = 2.3 • 10^-6 ед. CGSE. При приложении к дополнительным электродам электрического напряжения ± 10000 вольт (или ± 33,3 ед. CGSE) абсолютное изменение размера δ светозвукопровода 1 вдоль линии, перпендикулярной электродам 5 и 6, составит в соответствии с формулой (3) δ = -(≈ 0.77 мкм).

Расчеты показывают, что при создании акустооптического дефлектора на центральную частоту 9 ГГц с полосой частот в 2 ГГц и дифракционной эффективностью 1% на 1 Ватт подводимой СВЧ мощности требуется реализация многоэлементного противофазного пьезопреобразователя 2 с периодом 1.86 микрон и общей длиной DL около 100 микрон. При этом согласно формуле (1) для снятия ограничения на длину DL пьезопреобразователя 2, а следовательно, на дифракционную эффективность требуемое изменение шага l в полосе частот 2.0 ГГц должно составлять 0.03 микрона.

Пример конкретного выполнения акустооптического дефлектора по п. 2. формулы.

При реализации акустооптического дефлектора по п. 2 формулы (фиг. 1) используется продольный обратный пьезоэффект, то есть рассматривается изменение размера светозвукопровода 1 в направлении, совпадающем с направлением приложенного электрического поля. Для создания акустооптического дефлектора на центральную частоту 9 ГГц с полосой частот 4 ГГц необходимо создание противофазного многоэлементного пьезопреобразователя 2 с шагом l = 1.86 микрона и длиной DL около 10 микрон. При этом дифракционная эффективность окажется примерно равной 0.06% на 1 Ватт подводимой СВЧ мощности. Приложение к электродам 5 и 6 электрического напряжения ± 10000 вольт приведет к абсолютному изменению размера L светозвукопровода 1 на δ = 1.54 микрона. Как показывают расчеты с использованием соотношения (1), требуемое изменение шага l пьезопреобразователя 2, необходимое для снятия ограничения на длину DL пьезопреобразователя 2 для работы в полосе 4 ГГц, составляет примерно 0.14 микрона. При длине L ребра 7 светозвукопровода 1, равной L - 20 микрон, изменение длины DL на δ = 1.54 микрона даст изменение шага l многоэлементного пьезопреобразователя 2 на 0.14 микрон, то есть равное требуемому изменению шага l для снятия ограничения на длину DL пьезопреобразователя 2. Это означает, что длина DL в приведенном примере может быть увеличена до размера ребра 7 светозвукопровода 1 (L = 20 микрон), то есть в два раза. При этом дифракционная эффективность увеличится до значения 0.12%, т.е. в два раза в сравнении с прототипом. Если дифракционную эффективность увеличить не в два, а в полтора раза за счет увеличения длины DL пьезопреобразователя 2 до размеров 15 микрон, то произойдет также увеличение полосы частот акустооптического взаимодействия с 4 ГГц до 4.6 ГГц в сравнении с прототипом.

Пример конкретного выполнения акустооптического дефлектора по п. 3. формулы.

В варианте акустооптического дефлектора по п. 3 формулы (фиг. 2) используется поперечный обратный пьезоэффект. Это означает, что рассматривается изменение размера светозвукопровода 1 в направлении, перпендикулярном приложенному электрическому полю, то есть вдоль ребра длиной L. В этом случае значение абсолютного приращения δ оказывается пропорциональным отношению длин ребер (L/B). Для акустооптического дефлектора, выполненного согласно п. 3 формулы, при длине ребра 7 L = 1 миллиметр, а ребра 4 В = 95 микрон согласно соотношению (2) при изменении напряжения на электродах в пределах ± 10000 абсолютное изменение δ L составит (0.77•2•L/B) = 16.2 микрона. Это эквивалентно изменению шага l на 0.03 микрона, требуемому для реализации полосы частот 2 ГГц без ограничений на длину DL пьезопреобразователя 2, а следовательно, на дифракционную эффективность. Таким образом, в приведенном примере длина DL пьезопреобразователя 2 может быть увеличена в пределах длины L ребра 7 светозвукопровода 1 до 1000 микрон (от 100 микрон), то есть в десять раз, что эквивалентно увеличению в 10 раз дифракционной эффективности при сохранении полосы рабочих частот.

Как следует, например, из работы (М.А. Григорьев, В.В.Петров, А.В.Толстиков. "Анализ эффективности многоэлементных электроакустических преобразователей, обеспечивающих автоподстройку звукового пучка в брэгговских акустооптических устройствах", ч. 1. Известия ВУЗов, Радиофизика, т.XXVIII, N 7, 1985 г. стр. 908-921), полоса частот акустооптического взаимодействия обратно пропорциональна корню квадратному из длины многоэлементного пьезопреобразователя. Это означает, что если в приведенном примере длину DL пьезопреобразователя увеличить не в десять, а в пять раз, то дифракционная эффективность также увеличится в пять раз по сравнению с прототипом, при этом полоса частот увеличится с 2 ГГц до 2,8 ГГц, то есть в 1.4 раза.

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано при создании акустооптических устройств обработки радиосигналов. Акустооптический дефлектор содержит твердотельный светозвукопровод из пьезоэлектрического фотоупругого материала, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем, элементы которого выполнены в виде последовательности полосок, параллельных одному из ребер прямоугольного параллелепипеда. На двух противоположных гранях светозвукопровода, перпендикулярных грани с многоэлементным пьезопреобразователем, выполнены дополнительные электроды, причем каждый электрод имеет форму полосы, одна из широких сторон которой совпадает с ребром прямоугольного параллелепипеда, соединяющим две грани, на одной из которых расположена полоса, а на другой расположен многоэлементный пьезопреобразователь. Дополнительные электроды могут быть выполнены на гранях светозвукопровода, параллельных полоскам-элементам пьезопреобразователя, причем в каждом электроде имеется прямоугольный прорез, ширина которого совпадает с длиной полоски-элемента пьезопреобразователя, а центр прореза лежит на оси симметрии пьезопреобразователя. Кроме того, дополнительные электроды выполнены на гранях светозвукопровода, перпендикулярных полоскам-элементам пьезопреобразователя. Техническим результатом изобретения является увеличение эффек- тивности акустооптического взаимодействия при расширении полосы рабочих частот. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Акустооптический дефлектор, содержащий твердотельный светозвукопровод из пьезоэлектрического фотоупорного материала, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем, элементы которого выполнены в виде последовательности полосок, параллельных одному из ребер прямоугольного параллелепипеда, отличающийся тем, что на двух противоположных гранях светозвукопровода, перпендикулярных грани с многоэлементным пьезопреобразователем, выполнены дополнительные электроды, причем каждый электрод имеет форму полосы, одна из широких сторон которой совпадает с ребром прямоугольного параллелепипеда, соединяющим две грани, на одной из которых расположена полоса, а на другой расположен многоэлементный пьезопреобразователь. 2. Акустооптический дефлектор по п.1, отличающийся тем, что дополнительные электроды выполнены на гранях светозвукопровода, параллельных полоскам-элементам пьезопреобразователя, причем в каждом электроде имеется прямоугольный прорез, ширина которого совпадает с длиной полоски-элемента пьезопреобразователя, а центр прореза лежит на оси симметрии пьезопреобразователя. 3. Акустооптический дефлектор по п.1, отличающийся тем, что дополнительные электроды выполнены на гранях светозвукопровода, перпендикулярных полоскам-элементам пьезопреобразователя.