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

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

Известна конструкция коллинеарного фильтра видимого диапазона на основе анизотропного кварца (см. Волошинов В.Б., Николаев И.В., Парыгин В.Н. Коллинеарная акустооптическая фильтрация в кварце. - Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3.- Физ., астр., - 1980, - т.21, 2, - с. 42-46). Фильтр включает в себя коллиматор, ирисовую диафрагму, фокусирующую линзу, поляризатор, разделительную призму-куб, анализатор, объектив и акустооптический дефлектор (АОД) на основе анизотропного кристалла в виде прямоугольного параллелепипеда на стоячих акустических волнах.

В фильтре падающее и дифрагированное излучение разделяется призмой-кубом и регистрируется с помощью анализатора и объектива.

Недостатком выбранного аналога является конструкторская сложность устройства, заключающаяся в сложности его изготовления, обусловленная необходимостью применения в составе фильтра анизотропного кристалла, необходимость его ориентации, контроля кристаллографических осей, обработки граней и т.д.

Признаками аналога общими с заявляемым устройством являются включенные в состав оптического фильтра поляризатор, акустооптический дефлектор на основе пьезоэлектрического кристалла, выполненного в виде прямоугольного параллелепипеда и анализатор.

Известен также коллинеарный фильтр на анизотропном кристалле СаМоО₄ (см. Yarris S. E., Nieh S.T.K., Fiegelson R.S. CaMoO₄ electronically tunable optical filter. - Appl. Phys. Letts. -1970, -v. 17, - 5, - р.223-225).

Фильтр имеет в своем составе поляроид, кристалл СаМоO₄ в виде параллелепипеда со скошенными боковыми гранями, на верхней грани которого размещен пьезопреобразователь, а на нижней грани поглотитель, причем падающий на одну из боковых граней свет и возбуждаемый в кристалле звук распространяются коллинеарно.

Недостатком второго аналога является конструкторская сложность устройства, заключающаяся в сложности его изготовления, обусловленная необходимостью применения в составе фильтра анизотропного кристалла, необходимость его ориентации, контроля кристаллографических осей, обработки граней и т.д.

Признаками данного аналога, общими с заявляемым оптическим фильтром, являются последовательно по свету включенные поляроид, кристалл в виде параллелепипеда, на одной из боковых граней которого размещен преобразователь, а на другой поглотитель ультразвука, а также анализатор.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: коллинеарный оптический фильтр на кристаллическом кварце, описанный в книге Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Сов. Радио, - 1978, 112с. - на стр.82.

Устройство прототип (см.фиг.1) в своем составе содержит последовательно по свету расположенные поляризатор, светозвукопровод в виде прямоугольного параллелепипеда на основе анизотропного кристаллического кварца и анализатор, причем на одной из боковых граней светозвукопровода расположен пьезопреобразователь с возможностью возбуждения поперечных ультразвуковых волн из ниобата лития. На нижней грани светозвукопровода расположен поглотитель ультразвука, назначение которого состоит в обеспечении в светозвукопроводе режима бегущей волны.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является конструкторская сложность коллинеарного оптического фильтра, заключающаяся в необходимости использования в его составе пленочного или пластинчатого пьезопреобразователя микронной протяженности, а также использование только анизотропных кристаллов.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно по свету расположенные поляризатор, светозвукопровод в виде прямоугольного параллелепипеда и анализатор, причем на одной из боковых граней светозвукопровода расположен пьезопреобразователь с возможностью возбуждения поперечных ультразвуковых волн с разными направлениями распространения фазовой и групповой скорости ультразвука, а на нижней грани светозвукопровода размещен поглотитель ультразвука.

В основе принципа работы фильтра прототипа лежит одна из особенностей анизотропной дифракции света на звуке и заключается она в том, что существует частота звука, при которой волновые векторы падающей и дифрагированной световых волн, а также звуковой волны оказываются коллинеарными; дифрагированная волна распространяется в том же направлении, что и падающая. При этом выполняются соотношения
k_п+K=k_д и f = ϑ/λ₀(n₁-n), (1)
где k_п и k_д - волновые векторы падающего и дифрагированного света, а К - волновой вектор звука;
n и n₁ - коэффициенты преломления светозвукопровода для падающего и дифрагированного света.

Каждой частоте звука f - частоте управления - соответствует длина волны света, для которой выполняется условие коллинеарной дифракции: Именно такая геометрия АО взаимодействия позволяет выделить (отфильтровать) из всех длин волн света волну λ₀(f).
Устройство-прототип работает следующим образом. Исследуемое световое излучение подается на поляризатор, проходя который оно поляризуется на входе светозвукопровода вдоль оси [001]. Поляризованный свет в теле светозвукопровода анизотропно дифрагирует на распространяющемся под углом ϕ к грани размещения пьезопреобразователя ультразвуковой волне и превращается в обыкновенный луч света, поляризованный по оси [100].

Ультразвуковой сигнал управления фильтра подается на пьезопреобразователь. При этом из всех длин волн света, подаваемых на боковую грань светозвукопровода, на выход фильтра через анализатор вследствие ортогональности падающего и дифрагированного излучения проходит излучение, длина волны света которого удовлетворяет соотношению (1). Оптическая полоса пропускания фильтра прототипа определяется расходимостями света и звука, разрешение зависит от протяженности АО взаимодействия, а коэффициент передачи (прозрачность) определяется уровнем подаваемой на пьезопреобразователь ультразвуковой мощности и эффективностью АО взаимодействия.

В прототипе для возбуждения сдвиговых волн используются определенного среза пьезопреобразователи на основе LiNbО₃, толщина которых составляла 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 направленно предлагаемое изобретение, является упрощение изготовления коллинеарного оптического фильтра, а также расширение диапазона рабочих длин волн света.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в упрощении изготовления преобразователя ультразвуковых волн, выполненных в виде набора металлических электродов, а также в выполнении светозвукопровода на основе изотропного кристалла.

Для достижения технического результата в коллинеарном оптическом фильтре, содержащем последовательно по свету расположения поляризатор, светозвукопровод в виде прямоугольного параллелепипеда и анализатор, причем на одной из боковых граней светозвукопровода расположен преобразователь с возможностью возбуждения поперечных ультразвуковых волн с разными направлениями распространения фазовой и групповой скорости ультразвука, а на нижней грани светозвукопровода размещен поглотитель ультразвука, светозвукопровод фильтра выполнен на основе изотропного пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого дополнительно размещен 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 объемные поперечные ультразвуковые волны (см. Д. Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, - 1990, - 416 с., на стр.384).

В пояснение работы заявляемого фильтра рассмотрим работу эквидистантных ВШП - преобразователя, расположенного на поверхности изотропного пьезоэлектрика, предположим, 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 большей базой, поскольку d>>Λ, где Λ = ϑ/f - 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 объемной поперечной волны, распространяющейся под углом θ к поверхности расположения ВШП, так что длина генерируемой волны
Λ = dcosθ. (2)
Отсюда где f - частота, ϑ - скорость объемной волны.

Таким образом, в данном случае направление фазовой скорости возбуждения 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 выражение (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_x составляющей электрического поля Е₀, действующего на верхней грани пьезоэлектрического кристалла, может быть выражена

где k - коэффициент электромеханической связи, ε_x/ - диэлектрическая проницаемость кристалла в направлении приложенного поля, (m-1)•ab - площадь "излучения" с полем Е_x.

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 посредством ВШП возбуждается только поперечная ультразвуковая волна. Причина последнего заключается в том, что:
а) для распространенного изотропного пьезоэлектрика каким является LiNbO₃Z среза в направлении оси Z тангенциальным полем Е_x 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 коллинеарной 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 коллинеарной дифракции света на звуке и как следствие обеспечивающий достижение заявляемого технического результата.

На фиг.1 схематически показана схема коллинеарного оптического фильтра, являющегося наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству. Сущность изобретения, а также принцип функционирования заявляемого фильтра поясняется чертежами. На фиг.2 представлена схема заявляемого коллинеарного оптического фильтра. Позиции на фиг.2 обозначают: 1 - поляризатор, 2 - преобразователь, 3 - светозвукопровод, 4 - поглотитель, 5 - анализатор. На фиг.3 поясняется работа преобразователя типа ВШП при возбуждении им объемных ультразвуковых волн.

Принцип работы заявляемого коллинеарного оптического фильтра заключается в следующем.

Исследуемое световое излучение подается на вход поляризатора 1, проходя который на светозвукопровод 3 оно падает с определенной ориентацией электрического вектора светового поля. В светозвукопроводе 3 преобразователь 2 в виде решетки ВШП возбуждает сдвиговую 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 его 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 дифрагирует на одном из лучей распространяющегося в теле светозвукопровода 3 ультразвука. При дифракции часть излучения с центральной длиной волны λ₀ изменяет поляризацию на ортогональную.

Эта часть излучения распространяется в теле светозвукопровода 3 коллинеарно с падающим светом. Разделение падающего излучения от полезно продифрагировавшего осуществляется с помощью анализатора 5. Назначение поглотителей 4 состоит в обеспечении для преобразователя 2 режима бегущих волн и, соответственно, предотвращения попадания в область АО взаимодействия переотраженного ультразвука.

Таким образом, в предлагаемом коллинеарном оптическом фильтре обеспечивается упрощение его изготовления за счет выполнения преобразователя ультразвуковых волн в виде ВШП, а также за счет применения в качестве светозвукопровода изотропного пьезоэлектрика.

Что касается диапазона перестройки световых волн в заявляемом 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 коллинеарный 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, предназначенные 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 превышающие рабочие частоты, являющиеся предельными для ПАВ и ПАВ устройств, т. е. частоты (1,5-2,0)ГГц.

В частности, чтобы возбудить ВШП объемные волны 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, - 59, - 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 и заявляемый фильтр и в массовом количестве.

В качестве поглотителя звука 4 в заявляемом устройстве целесообразно использование металл с акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению светозвукопровода. Для светозвукопровода из LiNbО₃ 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 Аl-LiNbО₃ и возвращаться в область взаимодействия света и звука.

Коллинеарный оптический фильтр содержит последовательно по свету включенные поляризатор, светозвукопровод в виде прямоугольного параллелепипеда и анализатор, причем на одной из боковых граней светозвукопровода расположен преобразователь с возможностью возбуждения поперечных ультразвуковых волн с разными направлениями распространения фазовой и групповой скоростей, а на нижней грани светозвукопровода размещен поглотитель ультразвука. Светозвукопровод фильтра выполнен на основе изотропного пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого дополнительно размещен 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. 3 ил.

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