НЕКОЛЛИНЕАРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Российский патент 2003 года по МПК G02F1/11 

Изобретение относится к устройствам фильтрации оптического излучения и может быть использовано в качестве перестраиваемого узкополосного фильтра в измерителях длины волны световых колебаний, анализаторах спектра оптического излучения или спектрометрах.

Известны устройства, применяемые для целей фильтрации оптического излучения, на основе использования селективности анизотропного брэгговского рассеяния света на акустических волнах. В этих устройствах на акустооптический дефлектор падает световой поток со сплошным спектром, а дифрагирует лишь та составляющая, длина волны которой удовлетворяет условию Брэгга на данной акустической частоте. При фиксированном угле падения света и изменении частоты ультразвука происходит перестройка фильтра, так как брэгговское условие становится справедливым уже для другой длины волны света. В акустооптических (АО) фильтрах используются как коллинеарная, так и неколлинеарная геометрия взаимодействия света и звука в анизотропных средах.

Известна конструкция неколлинеарного оптического фильтра на основе анизотропного парателлурита (см. Балакший В.И., Парыгин В.Н.. Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь. - 1985, - 280 с., с. 237). Фильтр включает в себя (см. фиг.1,а,б) последовательно по свету расположенные поляризатор, светозвукопровод в виде параллелепипеда, выполненного на основе анизотропного кристалла, на нижней грани которого размещен пьезопреобразователь, а на верхней грани - поглотитель ультразвуковых волн.

Светозвукопровод фильтра выполнен из парателлурита, в котором угол между волновым вектором ультразвука К и направлением [110] составляет α=9,7^o, а угол падения света равен 20^o. Выбранная ориентация ТеO₂ обеспечивает коллинеарность падающего и дифрагированного света в светозвукопроводе фильтра, однако на выходе за счет разной поляризации они разделяются, причем угол пространственного разделения составляет Δθ≈6^o. Последнее и обеспечивает возможность работы фильтра без выходного поляроида. Данный фильтр в диапазоне длин волн света, равных λ=450-750 нм, обеспечивал полосу пропускания Δλ=40 нм; коэффициент пропускания фильтра составил 95% при электрической мощности, равной 0,3 Вт.

Недостатком выбранного аналога является конструкторская сложность изготовления, обусловленная главным образом необходимостью применения в составе фильтра анизотропного кристалла ТеO₂ и, соответственно, необходимостью его ориентации, контроля кристаллографических осей, обработки граней и т.д.

Признаками аналога, общими с заявляемым устройством, являются включенные в состав оптического фильтра поляризатор, светозвукопровод в виде параллепипеда, на нижней грани которого размещен преобразователь, а на верхней грани - поглотитель ультразвука.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство-прототип: неколлинеарный оптический фильтр на парателлурите, описанный в (Утида Санто. Перестраиваемый акустооптический фильтр на основе ТеO₂. - ТИИЭР. - 1974, - т.62, - 9, - с.113-114). Устройство-прототип (см. фиг.2,а,б) в своем составе содержит последовательно по свету расположенные поляризатор, светозвукопровод в виде параллепипеда на основе анизотропного кристалла и анализатор, причем на нижней грани светозвукопровода расположен пьезопреобразователь из ниобата лития, возбуждающий акустическую волну, а на верхней грани - поглотитель ультразвука.

Светозвукопровод прототипа выполнен на основе анизотропнного ТеO₂, поэтому благодаря высокому АО качеству последнего эффективность фильтра превышает 90% при длине АО взаимодействия, равной 1 см, и управляющей мощности ~1 Вт. Угол падения света на грань светозвукопровода составляет ~20^o. Полоса пропускания фильтра в видимом диапазоне длин волн изменяется от Δλ=0,8 нм до Δλ=2,5 нм.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является конструкторско-технологическая сложность фильтра, связанная с необходимостью использования в его составе в качестве возбудителя ультразвука пленочного или пластинчатого пьезопреобразователя микронной толщины, а также использование для осуществления неколлинеарной дифракции только анизотропных кристаллов. Кроме того, в прототипе полоса пропускания фильтра обратно пропорциональна протяженности (по свету) преобразователя, которая по тем же технологическим причинам не может быть выполнена длиннее единиц сантиметров, что, как следствие, ограничивает полосы пропускания большинства неколлинеарных оптических фильтров значениями, равными единицам и десяткам нм.

В прототипе для возбуждения сдвиговых волн используется определенного среза пьезопреобразователь на основе LiNbO₃, толщина которого составляет единицы микрон.

Изготовление (ориентация, полировка, шлифовка, металлизация), а также крепление и акустическое и электрическое согласование со светозвукопроводом таких преобразователей является сложной технологической задачей, технологические трудности решения которой резко возрастают с увеличением центральной частоты АО взаимодействия и расширения полосы рабочих частот (см.: Шермергор Т.Д., Стрельцова Н.Н. Пленочные пьезоэлектрики. - М.: Радио и связь. - 1986, - 136 с.). Что касается диапазона длин волн света, в котором может осуществляться перестройка фильтра прототипа, то он ограничен не только полосой управляющих частот ультразвука, но и связан с постоянством двулучепреломления используемого материала светозвукопровода. Как известно, практический выбор анизотропных кристаллов для АО фильтров ограничен двумя-тремя наименованиями: LiNbO₃, TeO₂, SiO₂, PbMoO₄.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является упрощение конструкции фильтра, главным образом, его пьезопреобразователя, а также обужение его полосы пропускания.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается: а) в существенном конструкторско-технологическом упрощении изготовления преобразователя ультразвуковых волн, поскольку в предлагаемом фильтре пластинчатый или пленочный на основе ZnO пьезопреобразователи заменяются преобразователем, выполненным в виде набора металлических электродов; б) в значительном уменьшении полосы пропускания фильтра, которая в предлагаемой конфигурации преобразователя непосредственно не ограничивается его протяженностью, а определяется числом металлических электродов.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что светозвукопровод предлагаемого фильтра выполнен на основе кристалла, на верхней грани которого дополнительно размещен второй поглотитель ультразвука, а преобразователь выполнен в виде решетки противофазно возбуждаемых металлических электродов типа встречно-штыревых.

Для достижения технического результата в неколлинеарном оптическом фильтре, содержащем последовательно по свету включенные поляризатор, светозвукопровод в виде параллелепипеда и анализатор, причем на нижней грани светозвукопровода расположен преобразователь с возможностью возбуждения ультразвуковых волн с разными направлениями распространения фазовой и групповой скоростей, а на верхней грани светозвукопровода размещен поглотитель ультразвука, светозвукопровод фильтра выполнен на основе изотропного пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого дополнительно размещен второй поглотитель ультразвука, а преобразователь выполнен в виде решетки противофазно возбуждаемых металлических электродов типа встречно-штыревых.

Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим принцип работы многоэлементных с противофазным возбуждением ультразвука решеткой металлических электродов преобразователей типа встречно-штыревых (ВШП), которые могут непосредственно с поверхности пьезоэлектрика возбуждать, наряду с поверхностными, и поперечные объемные ультразвуковые волны (см. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер с англ. - М.: Радио и связь. - 1990, - 416 с., с.384).

В пояснение принципа работы ВШП и заявляемого фильтра рассмотрим эквидистантный ВШП-преобразователь, расположенный на поверхности изотропного пьезоэлектрика, предположив, что его ширина L составляет много периодов d (см. фиг.3), а высота в направлении оси Y значительно превосходит его остальные геометрические размеры.

Каждая пара электродов ВШП может рассматриваться как источник объемных акустических волн, причем каждая пара электродов ВШП возбуждает поперечную звуковую волну, сдвинутую по фазе на 180^o по сравнению с соседней. В данном случае эти электроды представляют собой систему противофазных ненаправленных излучателей (встречающуюся в радионавигационных устройствах) с большой базой, поскольку d≫Λ, где - длина волны ультразвуковых колебаний.

При этом полная мощность волн, генерируемых в объем пьезоэлектрического кристалла решеткой ВШП, будет относительно большей в том случае, если волны, возбуждаемые отдельными электродами, будут суммироваться когерентно. Если d - период расположения электродов ВШП, то это условие будет удовлетворяться для поперечной объемной волны, распространяющейся под углом θ к поверхности расположения ВШП, так что длина генерируемой волны
Λ = dcosθ. (2)
Отсюда где f - частота, V - скорость объемной волны.

Таким образом, в данном случае направление фазовой скорости возбуждаемых объемных волн перпендикулярно плоскости расположения ВШП, а направление групповой скорости составляет угол θ к этой плоскости, то есть в изотропном пьезокристалле искусственно создана акустическая анизотропия.

Угловое распределение амплитуды звукового поля S(ϕ, Z), излучаемого решеткой ВШП, в дальней зоне описывается выражением


ϕ = 90^°-θ,
в котором S_n - есть амплитуды генерируемых объемных звуковых волн по направлениям ϕ_n; эти направления определяются как

их общее число (2|n|+1) определяется из условия а амплитуды S_n изменяются по закону При этом амплитуды S_n, соответствующие n=±1, значительно превосходят остальные, поэтому выражением (3) можно записать в виде

где



Каждый из двух лепестков диаграммы направленности (ДН) S(ϕ, Z) ВШП в пределах

по направлениям ϕ_±, изменяющихся с частотой как содержит суммарной мощности Р_ак≡(S₀)² звука, возбуждаемой в плоскости расположения ВШП.

В свою очередь в приближении "плоского поля" взаимосвязь между мощностью акустических колебаний Р_ак и тангенциальной Е_х составляющей электрического поля Е₀, действующего на верхней грани пьезоэлектрического кристалла, может быть выражена посредством

где k - коэффициент электромеханической связи, ε - диэлектрическая проницаемость кристалла в направлении приложенного поля, (m-1)ab - площадь "излучения" с полем Е_х. Последнее может быть рассчитано по формуле

где G(Δ) - параметр, определяемый выражением
- эллиптический интеграл первого рода; P_m(cosΔ) - полином Лежандра.

Вышеприведенное рассмотрение проведено в предположении, что во ВШП возбуждается только поперечная ультразвуковая волна. Причина последнего заключается в том, что а) для распространенного изотропного пьезоэлектрика, каким является LiNbO₃ Z среза в направлении оси Z тангенциальным полем Е_х, в основном и возбуждается поперечная волна, поскольку для данного среза коэффициент электромеханической связи близок к максимально возможному (k=0,6); б) при дифракции света на поперечных ультразвуковых волнах, в том числе неколлинеарной дифракции, дифрагированный свет, как известно, изменяет поляризацию на ортогональную даже в изотропных пьезоэлектриках. Таким образом, в заявляемом устройстве с изотропным светозвукопроводом и преобразователем типа ВШП искусственно реализован "анизотропный" снос ультразвука, обеспечивающий возможность неколлинеарной дифракции света на звуке и, как следствие, обеспечивающий достижение заявляемого технического результата.

Заявляемый неколлинеарный оптический фильтр приведен на фиг.4,а и б; в него входят расположенные на одной оптической оси следующие элементы: поляризатор - 1, преобразователь - 2, светозвукопровод - 3, поглотители - 4 и анализатор - 5.

Принцип работы заявляемого неколлинеарного оптического фильтра (см. фиг. 4) и обеспечиваемый им технический эффект заключаются в следующем. Исследуемое световое излучение подается на вход поляризатора 1, проходя который на светозвукопровод 3, оно под углом θ₀ ≈ 0 падает с определенной ориентацией электрического вектора светового поля. В светозвукопроводе 3 преобразователь 2 в виде решетки ВШП возбуждает акустическую волну с частотой f₀, которая распространяется в направлении оси Z кристалла с поляризацией вдоль оси Y. За счет противофазного характера возбуждения в изотропном светозвукопроводе имеет место "анизотропный" снос ультразвука: направление фазовой скорости распространения совпадает с направлением оси Z, групповая же скорость составляет с этой осью угол Величина этого угла определяется геометрией расположения электродов ВШП.

Прошедшее поляризатор 1 световое излучение, падая на боковую грань светозвукопровода под углом θ₀ ≈ 0, дифрагирует на первом из лучей распространяющегося в теле светозвукопровода 3 ультразвука. Особенностью выбранной геометрии АО взаимодействия является то, что при угле падения света θ₀ = 0 угол θ_п = θ_б = λf₀/2nV и угол отклонения от оси Z ультразвукового пучка ϕ₊ = V/f₀d изменяются с частотой в противоположные стороны, например с увеличением частоты θ_п увеличивается (см. фиг.4), а угол ϕ₊ уменьшается. Таким образом, дифракция света на звуке будет иметь место только вблизи f₀, и условия для ее существования будут нарушаться при отклонении частоты управляющего сигнала от f₀.

Соответственно, при фиксированной частоте управляющего воздействия f₀ спектральная область дифрагированного по направлению θ_д света будет также резко обуженной. При дифракции часть светового излучения шириной Δλ с центральной длиной волны λ₀ будет изменять поляризацию на ортогональную и отклоняться по направлению θ_д на угол, равный 2θ_б.
Эта часть излучения распространяется в теле светозвукопровода 3 неколлинеарно с падающим светом. Поэтому для разделения падающего излучения от полезно продифрагировавшего в предлагаемом фильтре нет необходимости применения анализатора. Однако в данном случае его наличие объясняется стремлением не только разделить падающее и дифрагированное излучение, но и обеспечить работу фильтра в расширенном динамическом диапазоне уровней входных оптических сигналов. Назначение поглотителей 4 состоит в обеспечении для преобразователя 2 режима бегущих волн по направлениям ϕ₊ и ϕ_- и, соответственно, предотвращения попадания в область АО взаимодействия переображенного ультразвука.

Таким образом, в предлагаемом неколлинеарном оптическом фильтре обеспечивается конструкторско-технологическое упрощение его изготовления за счет выполнения преобразователя ультразвуковых волн в виде ВШП, а также за счет применения в качестве светозвукопровода изотропного пьезоэлектрика, вместо анизотропного кристалла, необходимого (в прототипе) для неколлинеарной дифракции. Что касается диапазона перестройки световых волн в заявляемом оптическом фильтре, то он ограничивается диапазоном прозрачности используемого пьезоэлектрика и потенциально, например для светозвукопровода из LiNbO₃, может составить (0,4-4) мкм, что в несколько раз превышает диапазон длин волн прототипа.

Предлагаемый неколлинеарный оптический фильтр может быть реализован в первую очередь, если его светозвукопровод будет выполнен на основе такого материала, как LiNbO₃ Z среза, для которого коэффициент электромеханической связи является одним из максимальных и составляет величину, равную 0,6. При этом коэффициент преобразования электрической мощности в звуковую может составить величину порядка ~(5-20) дБ. Нижнее значение указанной величины относится к оптимистическим теоретическим оценкам (см. Васильковский С.А., Демидов В. П. Генерация сдвиговых волн парой поверхностных электродов // Радиотехника и электроника. - 1982, - т.27, - 2, - с.392), а верхнее значение - к экспериментальным данным, относящимся к устройствам СВЧ-диапазона длин волн (см. , например, Роздобудько В.В. Исследование АЧХ акустооптического СВЧ-дефлектора с возбуждением звука системой встречно-штыревых преобразователей // Радиоэлектроника. - 1991, - 9, - с.42-46).

Для изготовления преобразователя на основе ВШП может быть использована хорошо освоенная и широко применяемая на практике технология изготовления устройств на ПАВ (см. Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. -М. : Радио и связь. - 1984, - 272 с.; Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М.: Радио и связь. - 1987, - 264 с.). Уместно отметить, что геометрические размеры ВШП, предназначенных для возбуждения объемных волн, могут резко отличаться в сторону увеличения от аналогичных размеров ВШП, предназначенных для ПАВ устройств. Соответственно, заявляемый фильтр может работать с частотами управления, значительно превышающими рабочие частоты, являющиеся предельными для ПАВ и ПАВ устройств, т.е. частоты (1,5-2,0) ГГц.

В частности, при возбуждении ВШП объемных волн в LiNbO₃ Z среза на частоте 2 ГГц расстояние между электродами ВШП может быть порядка (15-30) мкм (см. Белый В.Н. и др. Широкополосный акустооптический дефлектор на объемных акустических волнах // ЖТФ. - 1989, - т.59, - 9, - с.82-85; Роздобудько В.В. Исследование АЧХ акустооптического СВЧ-дефлектора с возбуждением звука системой встречно-штыревых преобразователей // Радиоэлектроника. - 1991, - 9, - с.42-46).

Таким образом, для изготовления ВШП с такими размерами можно использовать хорошо освоенные методы фотолитографии, которые применяются в полупроводниковой промышленности.

Металлические электроды обычно наносят на кристалл напылением в высоком вакууме таких металлов, как золото или алюминий, через соответствующим образом экспонированный шаблон из фоторезиста. Сам шаблон, через который экспонируется фоторезист, изготавливается фотографическим уменьшением чертежа ВШП примерно в 100 раз. Таким сравнительно простым и недорогим фотолитографическим методом можно изготавливать заявляемый фильтр и в массовом количестве.

В качестве поглотителя звука 4 в заявляемом устройстве целесообразно использовать металл с акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению светозвукопровода. Для светозвукопровода из LiNbO₃ хорошим поглотителем является алюминий, акустическое сопротивление которого (Z=1,73•10^-3 кг/м²•с) мало отличается от сопротивления упомянутого материала. В результате только незначительная часть мощности ультразвука будет отражаться от границы раздела Al-LiNbO₃ и возвращаться в область взаимодействия света и звука.

Неколлинеарный оптический фильтр содержит последовательно по свету включенные поляризатор, светозвукопровод в виде параллелепипеда и анализатор, причем на нижней грани светозвукопровода расположен преобразователь с возможностью возбуждения ультразвуковых волн с разными направлениями распространения фазовой и групповой скоростей, а на верхней грани светозвукопровода размещен поглотитель ультразвука. Светозвукопровод фильтра выполнен на основе изотропного пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого дополнительно размещен второй поглотитель ультразвука, а преобразователь выполнен в виде решетки противофазно возбуждаемых металлических электродов типа встречно-штыревых. Технический результат - упрощение конструкции фильтра и расширение диапазона его рабочих длин волн света. 4 ил.

Неколлинеарный оптический фильтр, содержащий последовательно по свету включенные поляризатор, светозвукопровод в виде параллелепипеда и анализатор, причем на нижней грани светозвукопровода расположен преобразователь с возможностью возбуждения ультразвуковых волн с разными направлениями распространения фазовой и групповой скоростей, а на верхней грани светозвукопровода размещен поглотитель ультразвука, отличающийся тем, что светозвукопровод фильтра выполнен на основе изотропного пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого дополнительно размещен второй поглотитель ультразвука, а преобразователь выполнен в виде решетки противофазно возбуждаемых металлических электродов типа встречно-штыревых.