ПОЛИХРОМАТИЧЕСКИЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР И УСТРОЙСТВО НА ЕГО ОСНОВЕ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ, ДЛИНОЙ ВОЛНЫ И МОЩНОСТЬЮ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G02F1/33 

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано при разработке акустооптических устройств, предназначенных для управления направлением распространения лазерных пучков, их длинной волны и мощностью, например, в устройствах отображения видеоинформации на экране, лазерных микроскопах, в устройствах для обработки материалов, в том числе биологических.

Известен акустооптический дефлектор (см. G.Coquin, J.Griffin. Acoustic Beam Steering. IEEJ. V-SU-17, 1970, N1, p.38), где на одном из торцов звукопровода закреплена периодическая последовательность одиночных пьезоэлектрических элементов с металлическими электродами, посредством которых к пъезоэлементам подключены отдельные фазовращатели. Эти фазовращатели служат для подведения к пьезоэлементам высокочастотной мощности и для обеспечения требуемого закона сканирования возбуждаемого акустического пуска в зависимости от частоты. Способность такого преобразователя возбуждать объемные акустические волны, изменяющие свое направление с частотой, используется в указанной работе для так называемой автоподстройки под угол Брэгга, что позволяет расширить полосу частот акустооптического взаимодействия. Чтобы точно выполнялось условие Брэгга при вариации частоты, необходимо изменять сдвиг фазы между соседними пьезоэлементами по определенному закону. Недостатками такого многоэлементного преобразователя 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 многоэлементный электроакустический преобразователь объемных акустических волн, содержащий звукопровод с пьезоэлектрическим слоем, заключенным между последовательностью пар металлических электродов, расположенных друг над другом, а 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. А.С. № 839073, 13.02.1981 г.). Такой преобразователь образует многозвенную фильтрующую цепь - фильтр верхних частот, в которой распространяется бегущая электромагнитная волна с частотно-зависимым 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 преобразователя 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.

Известен также многоэлементный электроакустический преобразователь объемных акустических волн для акустооптических устройств, состоящий 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. № 989520, опубл. 15.01.1983 г.). Такая система 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. Преобразователь имеет трехлепестковую диаграмму направленности, один из лепестков которой используется для автоподстройки под угол Брэгга.

Главным недостатком такого многоэлементного преобразователя является невозможность осуществления точной автоподстройки под угол Брэгга в рабочей полосе частот вследствие невозможности практической реализации оптимального сдвига фазы на период (0,5π для систем типа НЧ) из-за приближения к частоте отсечки, когда резко возрастают потери в системе при распространении в ней электромагнитной волны.

Известно устройство (Акустический дефлектор. Петров В.В., Григорьев М.А., Толстиков А.В., патент РФ №216032), в котором 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 эффективности акустооптического взаимодействия при расширении полосы рабочих частот.

Устройство сложно в изготовлении и в управлении, так как содержит два входа для сигналов управления, связанных нелинейной зависимостью, которая не идентична для разных светозвукопроводов.

Известен многоэлементный электроакустический преобразователь объемных акустических волн для акустооптических устройств, принимаемый далее за прототип (РФ 2085983), содержащий последовательность пьезоэлемснтов, образованных пьезослоем, заключенным между перекрывающимися участками верхних и нижнего электродов, прикрепленных посредством нижнего электрода к звукопроводу, верхние электроды представляют собой последовательность полосок, меандр или гребенку, нижний электрод выполнен в виде полуплоскости, при этом пьезослой выполнен переменной толщины вдоль последовательности пьсзоэлементов, начало каждого предыдущего пьезоэлемента последовательности расположено относительно начала последующего на расстоянии, увеличивающемся в направлении увеличения толщины пьезослоя, а длина полосок, штырей меандра и гребенки увеличивается от штыря к штырю в направлении увеличения толщины пьезослоя, причем расстояние между началом одного пьезоэлемента и началом соседнего с ним, а также длина соответствующих полоски, штыря меандра или гребенки определяется частотой, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента. Расстояние 1 между началом одного пьезоэлемента и началом соседнего с ним определяется формулой

где h₁ - толщина середины первого пьезоэлемента, являющаяся резонансной для верхней частоты рабочего диапазона;

h - толщина середины пьезоэлемента, для которого определяется расстояние I;

λ₀ - длина волны света в вакууме;

n₀- показатель преломления света в звукопроводе.

Длина полоски одного пьезоэлемента выбирается равной Λ/4, а длина штырей меандра и гребенки этого же пьезоэлемента равной Λ/2, где Λ - длина электромагнитной волны в верхнем электроде на частоте, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента.

Недостатком устройства является малая полихроматичность из-за невозможности согласовать электроакустический преобразователь объемных акустических волн для акустооптических устройств с источником питания электроакустический преобразователь в требуемом диапазоне с одновременным обеспечением автоподстройки угла Брэгга в рабочей полосе частот и сложность изготовления верхних электродов, требующих соблюдения и сохранения во время работы точных геометрических размеров полос и расстояния между ними. Последнее накладывает ограничение на температурный диапазон использования дефлектора.

Целью настоящего изобретения является увеличение эффективности акустооптического взаимодействия при расширении полосы рабочих частот дефлектора, расширение оптического диапазона работы устройства и упрощение его конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве акустооптический дефлектор выполнен на кристалле двуокиси теллура (TeO₂), имеющем форму шестигранника (призмы), у которой на одной из граней установлено средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые внутри кристалла, а на противоположной ей грани установлен поглотитель ультразвука, при этом ультразвуковые колебания внутри кристалла распространяются под углом Брегга к направлению распространения оптического пучка. Для этого передняя грань наклонена к оси падающего пучка под углом ϕ, который выбирается из диапазона: 9,3°≤ϕ≤10,5°, а грань кристалла, на которой установлено средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые внутри кристалла, изготовлена под углом β1 к передней грани кристалла, под углом β2 к выходной грани кристалла и под углом β3 к оси 001 кристалла, причем указанные углы выбираются из следующих диапазонов: 95,5°≤β1≤96,5°, 85°≤β2≤93,5°, 5,5≤β3β7°, а средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые внутри кристалла выполнено из ниобата лития (LiNbO₃) и имеет форму шестигранника, например прямоугольного параллелепипеда, одна грань которого - “крыша” наклонена в сторону входной грани кристалла так, что со стороны входной грани кристалла прямоугольный параллелепипед имеет высоту h, а со стороны выходной грани кристалла - высоту H, при этом длина основания прямоугольный параллелепипед меньше размера кристалла вдоль направления распространения оптического сигнала, а ширина его меньше размера кристалла в направлении, перпендикулярном направлению распространения оптического сигнала, а указанные высоты выбираются из следующих диапазонов: 15 мкм≤h≤18 мкм, 32 мкм≤H≤36 мкм, при этом на наружную поверхность грани, наклоненной к входной грани кристалла, установлено не менее одного электрода, а электроды вытянуты в направлении, перпендикулярном направлению распространения пучка, и имеют ширину, при которой высота слоя ниобата лития под электродом меняется незначительно (менее 3-5 мкм), а расстояние между электродами таково, что высота слоя ниобата лития под электродом у двух соседних электродов отличается не менее чем вдвое.

Предложено конкретное решение для широкополосного АОД, работающего в диапазоне длин волн 0,4 мкм≤λ≥0,7 мкм, у которого минимальная высота параллелепипеда из ниобата лития равна 15 мкм, максимальная 33 мкм, а на наклонной грани параллелепипеда из ниобата лития установлены два электрода. Первый со стороны входной грани имеет ширину 1,5 мм, второй - 2 мм при длине обоих электродов 8 мм и расстоянии между ними 3,5 мм. На первый электрод поступает сигнал с частотой, находящейся в диапазоне: 92-180 МГц, а на второй - 55-92 МГц. Каждый электрод имеет независимый токоподвод, соединенный с соответствующим выходом блоком управления.

Предложено использовать описанный выше дефлектор для создания полихроматического двухкомпонентного АОД и полихроматического акустооптического фильтра (АОФ). Для этого в полихроматическом двухкомпонентном АОД устанавливается по ходу луча второй дефлектор, аналогичный первому и который повернут на 90 градусов вокруг направления распространения пучка, диффрагированного в первый порядок. В АОФ кристалл двуокиси теллура несколько видоизменен в части значений углов ϕ, β1, β2, β3, а именно: ϕ=0°, 80,5°≤β1≤82°, 105°≤β2≤106°, 7,8≤β3≤8,1°. Указанные изменения вызваны необходимостью компенсации дисперсии, возникающей при акустооптическом взаимодействии. Кроме этого пьезопреобразователь изготовлен без наклона внешней грани и толщина его не превосходит 15 мкм, а на его наружной грани установлен один электрод, на который из блока управления подается высокочастотный сигнал с частотой из диапазона 90-190 МГц.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен чертеж двухкомпонентного полихроматического АОД, основой которого является однокомпонентный дефлектор. На фиг.2 представлен чертеж АОФ. На фиг.3 представлена схема полихроматического излучателя, построенного на базе двухкомпонентного полихроматического АОД и полихроматического АОФ.

На фиг.1, фиг.2 и фиг.3 обозначено:

1 - первый кристалл двуокиси теллура (ТеО₂),

2 - направление распространения входного пучка,

3 - угол между направлением распространения входного пучка и нормалью к входной грани кристалла,

4 - входная грань кристалла,

5 - угол между входной гранью кристалла и гранью, соединенной с пьезопреобразователем,

6 - поглотитель,

7 - угол между осью [001] кристалла и гранью, соединенной с пьезопреобразователем,

8 - направление оси [001] кристалла,

9 - угол между выходной гранью кристалла и гранью, соединенной с пьезопреобразователем,

10 - электроды пьезопреобразователя,

11 - боковая грань кристалла, противоположная грани с пьезопреобразователем,

12 - направление распространения пучка, диффрагированного в первый порядок, при отклонении его на край диапазона сканирования в “+”,

13 - полный угол сканирования,

14 - направление распространения пучка, диффрагированного в первый порядок, при отклонении его на край диапазона сканирования в “-”,

15 - выводы электродов 10,

16 - высота пьезопреобразователя со стороны выходной грани,

17 - высота пьезопреобразователя со стороны входной грани,

18 - пьезопреобразователь из ниобата лития (LiNbO₃),

19 - длина электродов 10,

20 - поперечный размер электродов 10,

21 - входная грань кристалла для АОФ,

22 - кристалл для АОФ,

23 - направление распространения пучка на входе,

24 - угол между направлением распространения входного пучка и нормалью к входной грани кристалла 21,

25 - выходная грань кристалла,

26 - угол между входной гранью кристалла и гранью, соединенной с пьезопреобразователем,

27 - угол между осью [001] кристалла 8 и гранью, соединенной с пьезопреобразователем,

28 - угол между выходной гранью кристалла и гранью, соединенной с пьезопреобразователем,

29 - грань, соединенная с пьезопреобразователем,

30 - электрод пьезопреобразователя,

32 - высота пьезопреобразователя,

33 - боковая грань кристалла, противоположная грани 29,

34 - направление распространения пучка на выходе АОФ,

35 - проекция кристалла АОФ,

36 - вывод электрода 30,

37 - вывод общего электрода,

38 - пьезопреобразователь из ниобата лития (LiNbO₃),

39 - звукопоглотитель,

40 - просветляющее покрытие,

41 - выходная грань кристалла,

42 - второй кристалл, аналогичный первому, повернутый на 90 градусов вокруг направления распространения пучка, диффрагированного в первый порядок 22,

43 - многоволновый источник непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона,

44 - полихроматический АОФ,

45 - полихроматический дефлектор по координате Х(У),

46 - полихроматический дефлектор по координате У(Х),

47 - линия связи между входом для сигнала синхронизации работой многоволнового источника непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона и выходом средства синхронизации в блоке управления,

48 - линия связи между входом пьезопробразователя полихроматического АОФ и первым управляемым генератором высокочастотного сигнала,

49 - линия связи между первым входом пьезопробразователя полихроматического дефлектора по координате Х(У) и вторым управляемым генератором высокочастотного сигнала,

50 - линия связи между вторым входом пьезопробразователя полихроматического дефлектора по координате Х(У) и третьим управляемым генератором высокочастотного сигнала,

51 - линия связи между первым входом пьезопробразователя полихроматического дефлектора по координате У(Х) и четвертым управляемым генератором высокочастотного сигнала,

52 - линия связи между вторым входом пьезопробразователя полихроматического дефлектора по координате У(Х) и пятым управляемым генератором высокочастотного сигнала,

54 - первый генератор высокочастотного сигнала, работающий в диапазоне 90-190 МГц,

55, 57 - второй и четвертый генераторы высокочастотного сигнала, работающие в диапазоне 92-180 МГц,

56, 58 - третий и пятый генераторы высокочастотного сигнала, работающие в диапазоне 55-92 МГц,

59 - средство синхронизации работы генераторов высокочастотного сигнала и многоволнового источника непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона,

60 - элемент, управляющий работой средства синхронизации,

61 - блок управления, включающий: элемент, управляющий работой средства синхронизации, средство синхронизации и управляемые генераторы высокочастотного сигнала.

Однокомпонентный полихроматический дефлектор включает кристалл двуокиси теллура (TeO₂) 1, на переднюю грань которого 4 падает входной пучок 2 под углом 3 (ϕ) к направлению нормали к передней грани кристалла 4. На грани кристалла 29 установлено средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые внутри кристалла 18, которое выполнено из ниобата лития (LiNbO₃) и имеет форму прямоугольного параллелепипеда, одна грань которого - “крыша” наклонена в сторону входной грани кристалла так, что со стороны входной грани кристалла 4 прямоугольный параллелепипед имеет высоту 17 (h), а со стороны выходной грани кристалла 41 - высоту 16 (H), при этом длина прямоугольного параллелепипеда меньше размера кристалла вдоль направления распространения оптического сигнала, а ширина его меньше размера кристалла в направлении, перпендикулярном направлению распространения оптического сигнала, а указанные высоты выбираются из следующих диапазонов: 15 мкм≤h≤18 мкм, 32 мкм≤Н≤36 мкм, на наружную сторону прямоугольного параллелепипеда, наклоненную в сторону входной грани кристалла 4, установлено не менее одного электрода 10, при этом электроды вытянуты в направлении, перпендикулярном направлению распространения пучка, и имеют ширину, при которой высота слоя ниобата лития под электродом меняется незначительно (менее 3-5 мкм), а расстояние между электродами таково, что высота слоя ниобата лития под электродом отличается у двух соседних электродов не менее чем вдвое. На переднюю 4 и заднюю 41 грани кристалла нанесено просветляющее покрытие 40. Передняя грань кристалла 4 наклонена к грани 29 на угол 5(β1). Задняя грань кристалла 41 наклонена к грани 29 на угол 9 (β2). Ось 8 кристалла 001 наклонена к грани 29 на угол 7(β3), причем указанные углы выбираются из следующих диапазонов: 95,5°≤β1≤96,5°, 85°≤β2≤93,5°, 5,5≤β3≤7°. На грани 11, противоположной грани 29, установлен поглотитель 6. Пучок 22 выходит из АОД перпендикулярно выходной грани 41 (направление распространения пучка, диффрагированного в первый порядок, для центра диапазона работы высокочастотного генератора). Электроды 10 шириной 20 имеют раздельные выводы 15. Пьезопреобразователь 38 имеет общий вывод 37, через который он соединен с кристаллом 1. Конкретная реализация однокомпонентного полихроматического дефлектора имеет два электрода на наружной поверхности пьезопреобразователя. Первый электрод через свой токоподвод подключен к выходу первого высокочастотного генератора, работающему в диапазоне частот 92-180 МГц, а второй электрод через свой токоподвод подключен к выходу второго высокочастотного генератора, работающему в диапазоне частот 55-92 МГц. Вторые выводы генераторов соединены с общим электродом.

Двухкомпонентный полихроматический АОД включает кристалл 1 с описанными выше элементами и второй кристалл 42, аналогичный первому и установленный после кристалла 1 по ходу пучка 22. Второй дефлектор имеет элементы, аналогичные элементам первого дефлектора. Так, на его переднюю грань падает пучок 22 под углом ϕ к направлению нормали к передней грани кристалла. На грани кристалла 29 установлено средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые внутри кристалла, которое выполнено из ниобата лития (LiNbO₃) и имеет форму прямоугольного параллелепипеда, одна грань которого наклонена в сторону входной грани кристалла так, что со стороны входной грани кристалла прямоугольный параллелепипед имеет высоту h, а со стороны выходной грани кристалла - высоту H. При этом длина прямоугольного параллелепипеда меньше размера кристалла вдоль направления распространения оптического сигнала, а ширина его 19 меньше размера кристалла в направлении, перпендикулярном направлению распространения оптического сигнала, а указанные высоты выбираются из следующих диапазонов: 15 мкм≤h≤18 мкм, 32 мкм≤Н≤36 мкм. На наружную сторону прямоугольного параллелепипеда, наклоненную в сторону входной грани кристалла, установлено не менее одного электрода, при этом электроды вытянуты в направлении, перпендикулярном направлению распространения пучка, и имеют ширину 20, при которой высота слоя ниобата лития под электродом меняется незначительно (менее 3-5 мкм), а расстояние между электродами таково, что высота слоя ниобата лития под электродом у двух соседних электродов отличается не менее чем вдвое. На переднюю и заднюю грани кристалла нанесено просветляющее покрытие. Аналогично и передняя грань кристалла наклонена к грани с пьезопреобразователем на угол β1. Задняя грань кристалла наклонена к указанной выше грани на угол β2. Ось кристалла 001 наклонена к грани с пьезопреобразователем на угол β3, причем указанные углы выбираются из следующих диапазонов: 95,5°≤β1≤96,5°, 85°≤β2≤93,5°, 5,5°≤β3≤7°. На грани кристалла, противоположной грани с пьезопреобразователем, установлен поглотитель. Пучок 38, диффрагированный в первый порядок, выходит из АОД перпендикулярно выходной грани и отклоняется на угол 13 при подаче на один из раздельных электродов 15 сигнала с верхней или нижней частотой диапазона в положения 12 и 14. Электроды 10 шириной 20 имеют раздельные выводы 15. Пьезопреобразователь 38 имеет общий вывод 37, через который он соединен с кристаллом 1.

Полихроматический АОФ на базе однокомпонентного полихроматического дефлектора включает кристалл 22 из двуокиси теллура, который несколько видоизменен в части значений углов ϕ, β1, β2, β3. Указанные углы выбираются из следующих диапазонов: ϕ=0°, 80,5°≤β1≤82°, 105°≤β2≤106°, 7,8°≤β3≤8,1°. Пучок 23 падает под углом 24 (ϕ) к передней грани 21 кристалла. На грани 29 кристалла 22 установлено средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые внутри кристалла 38, которое выполнено из ниобата лития (LiNbО₃) и имеет форму прямоугольного параллелепипеда высотой не более 15 мкм. При этом длина прямоугольного параллелепипеда меньше размера кристалла вдоль направления распространения оптического сигнала, а ширина его меньше размера кристалла в направлении, перпендикулярном направлению распространения оптического сигнала. На наружную сторону прямоугольного параллелепипеда установлен электрод 30, при этом на переднюю 21 и заднюю 25 грани кристалла нанесено просветляющее покрытие 40. Передняя грань кристалла 21 наклонена к грани 29 на угол 26 (β1). Задняя грань кристалла 25 наклонена к грани 39 на угол 28 (β2). Ось 8 кристалла 001 наклонена к грани 29 на угол 27(β3). На грани 33, противоположной грани 29, установлен поглотитель 39. Пучок 23 выходит из АОД в направлении 34. Электрод 30 имеет вывод 36 и общий вывод 37, через который кристалл 22 соединен пьезопреобразователем.

Устройство на базе совместного использования и полихроматического АОФ и двухкомпонентного полихроматического АОД содержит оптически соединенные многоволновый источник непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона 43, полихроматический АОФ 44, полихроматический дефлектор по координате Х(У) 45 и полихроматический дефлектор по координате У(Х) 46. Многоволновый источник непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона содержит дополнительный вход для сигнала, синхронизирующего его работу с работой фильтра и дефлекторов. Вход пьезопреобразователя 36, 37 полихроматического АОФ 44 подключен по линии связи 48 к выходу высокочастотного генератора 54, работающего в диапазоне частот 90-190 МГц. Первые электроды пьезопреобразователя полихроматического дефлектора по координате Х(У) 44 и полихроматического дефлектора по координате У(Х) 45 по соответствующим линиям связи 49, 51 соединены с выходами управляемых высокочастотных генераторов 55, 57, работающих в диапазоне частот 92-180 МГц. Вторые электроды каждого пьезопреобразователя полихроматического дефлектора по координате Х(У) 44 и полихроматического дефлектора по координате У(Х) 45 по соответствующим линиям связи 50, 52 соединены с выходами управляемых высокочастотных генераторов 56, 58, работающих в диапазоне частот 55-92 МГц. Управляемые высокочастотные генераторы 54, 55, 56, 57, 58 имеют входы для сигналов управления, которые соединены со средством синхронизации 59, управляющим элементом 60, входящими в блок управления 61.

Однокомпонентный полихроматический дефлектор работает следующим образом. При подаче высокочастотного сигнала через один из токоподводов 15 к соответствующему электроду 10 и общему электроду 37 в кристалле 1 (звукопроводе) с помощью пьезопробразователя 18 возбуждается ультразвуковая волна, распространяющаяся от грани 29 к звукопоглотителю 6. При распространении пучка по направлению 2 под углом 3 (9,3°≤ϕ≤10,5°) относительно нормали к передней грани кристалла, наклоненной к грани с пьезопреобразователем 29 на угол 5 (95,5°≤β1≤96,5°), и при наклоне оси кристалла [001] 8 к грани, соединенной с пьезопреобразователем 29, на угол 7(5,5°≤β3≤7°) выполняется условие диффракции Брегга для определенного диапазона длин волн оптического сигнала λ₁-λ₂. Пучок, взаимодействуя со звуковой волной, распространяющейся внутри кристалла от грани 29 к поглотителю 6, отклонится на угол, соответствующий первому дифракционному максимуму. При изменении значения частоты высокочастотного сигнала положение первого дифракционного максимума будет меняться, а при изменении амплитуды высокочастотного сигнала будет изменяться мощность оптического сигнала на выходе АОД. При изменении длины волны оптического сигнала на входе АОД так, что λ≥λ₂ или λ≤λ₁, условие для диффракции Брегга может быть выполнено для другой полосы значений частоты высокочастотного сигнала. В этом случае подключается соответствующий электрод пьезопреобразователя к другому высокочастотному генератору, который имеет на выходе сигнал с полосой частот, при которой выполняется условие Брегга для λ≥λ₂ или λ≤λ₁. Выбор генератора и соответствующего ему электрода может быть произведено вручную или автоматически в блоке управления. Так обеспечивается полихроматичность однокоординатного дефлектора и высокая эффективность его работы. Задняя грань кристалла 41 наклонена к грани с пьезопреобразователем 29 на угол 9 (85°≤β2≤93,5°), что обеспечивает выход пучка 22 из АОД перпендикулярно выходной грани 41 (направление распространения пучка, диффрагированного в первый порядок, для центра частотного диапазона высокочастотного сигнала).

Работа двухкоординатного дефлектора, состоящего из двух идентичных полихроматичных однокоординатных дефлекторов, описывается аналогично. Управление работой второго дефлектора производится независимо от первого. Второй дефлектор повернут на 90° вокруг направления распространения пучка, вышедшего из первого дефлектора и диффрагированного в первый порядок, для центра частотного диапазона высокочастотного сигнала. В этом случае при подаче высокочастотного сигнала через один из токоподводов 15 к соответствующему электроду 10 и общему электроду 37 во втором кристалле 42 с помощью пьезопробразователя 18 возбуждается ультразвуковая волна, распространяющаяся от грани 29 к звукопоглотителю 6 второго дефлектора. При взаимодействии пучка, вышедшего из первого дефлектора с ультразвуковой волной, возбуждаемой во втором кристалле, происходит изменение направления распространения пучка в плоскости, ортогональной направлению распространения пучка после первого дефлектора.

Устройство на базе совместного использования полихроматического АОФ 44, двух идентичных, однокоординатных, полихроматических АОД 45 и 46, образующих двухкоординатный полихроматический АОД, и многоволнового источника непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона 43 работает следующим образом. Многоволновый источник непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона 43 генерирует оптический сигнал либо непрерывно после включения системы, либо импульсно, при поступлении по линии 47 на его вход синхронизирующего сигнала из блока управления 61 с выхода средства синхронизации работы генераторов высокочастотного сигнала и многоволнового источника непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона 59. При выборе оператором вручную или автоматически по заданной программе в блоке управления 61 вырабатывается соответствующий набор команд управления и синхронизации работой высокочастотных генераторов 54-58. В зависимости от выбранной длины волны оптического сигнала подается питание с генератора 54 по линии 48 соответственно на электроды пьезопреобразователя АОФ. В зависимости от выбранной длины волны оптического сигнала устанавливается частота сигнала генератора 54. Выбранная спектральная составляющая излучения поступает на вход двухкоординатного дефлектора. В зависимости от выбранного направления излучения и длины волны пучка, поступающего на вход двухкоординатного дефлектора, подаются высокочастотные сигналы с генераторов 55, 56 по линиям 49 или 50 соответственно на электроды пьезопреобразователя первого дефлектора 44, а с генератора 57 или 58 по линии 51 или 52 соответственно на электроды пьезопреобразователя второго дефлектора 44. В зависимости от заданного направления излучения оптического сигнала устанавливается частота сигналов генератора 55 или 56 для первого дефлектора 44 и 57 или 58 для второго дефлектора 45. Для задания уровня мощности оптического сигнала используется любой из выше названных генераторов. Работа устройства, в части совместной работы многоволнового источника излучения оптического диапазона, АОФ, двухкоординатного дефлектора, синхронизована по времени средством синхронизации 59.

Заявляемое устройство обладает новизной и в сравнении с прототипом отличается от него:

- формой кристалла звукопровода из двуокиси теллура,

- углом падения пучка на входную грань кристалла звукопровода,

- размерами пьезопреобразователя,

- числом электродов пьезопреобразователя,

- способом подключения электродов пьезопреобразователя,

- диапазоном работы дифлектора,

- возможностью применения устройства в полихроматическом двухкоординатном акустооптическом дефлекторе, полихроматическом акустооптическом фильтре и многоволновом источнике непрерывного или импульсного излучения оптического диапазона.

Устройство позволяет управлять в широком диапазоне следующими параметрами излучения: направлением распространения пучка, его длиной волны и мощностью излучения, и может найти широкое применение в промышленности, медицине, шоу-бизнесе, например в устройствах отображения видеоинформации на экране, лазерных микроскопах, в устройствах для обработки материалов, в том числе биологических, которые содержат двухкоординатные устройства для управления световым пучком.

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в устройствах отклонения лазерных пучков, управления их длиной волны и мощностью, например, в устройствах отображения видеоинформации на экране, лазерных микроскопах и системах для обработки материалов, в том числе биологических. Дефлектор содержит светозвукопровод из кристалла двуокиси теллура (ТеО₂), имеющего форму шестигранника, на противоположных первой и второй боковых гранях которого размещены соответственно пьезопреобразователь из ниобата лития (LiNbO₃), имеющий форму шестигранника, и звукопоглотитель, электроды и корпус с токоподводами, подключенными к генераторам высокочастотного сигнала или генератору с перестраиваемой частотой высокочастотного сигнала. Пьезопреобразователь соединен с первой гранью кристалла через общий электрод. На наружной боковой грани пьезопреобразователя нанесено не менее двух электродов, которые соединены с токоподводами, которые не связаны друг с другом. Входная грань кристалла наклонена к оси падающего пучка так, что перпендикуляр к ее поверхности образует угол ϕ с осью пучка. Первая грань кристалла образует с входной гранью кристалла угол β1, а с выходной гранью угол β2 и расположена под углом β3 к оси 001 кристалла, указанные углы выбираются из следующих диапазонов: 9,3°≤ϕ≤10,5°; 95,5°≤β1≤96,5°; 85°≤β2≤93,5°; 5,5°≤β3≤7° Наружная боковая грань пьезопреобразователя наклонена в сторону входной грани кристалла так, что размеры ребер h и Н пьезопреобразователя соответственно у входной и выходной граней кристалла выбираются из следующих диапазонов: 15 мкм≤h≤18 мкм, 32 мкм≤Н≤36 мкм, электроды вытянуты в направлении, перпендикулярном оси пучка, и имеют ширину вдоль оси пучка, при которой высота пьезопреобразователя под электродом изменяется в диапазоне 3-5 мкм, а расстояние между электродами выбрано так, что высоты пьезопреобразователя под двумя соседними электродами отличаются не менее чем вдвое. Двухкоординатный преобразователь излучения содержит два последовательно установленных акустооптических дефлектора, при этом второй дефлектор повернут на угол 90° относительно первого дефлектора вокруг оси пучка. Обеспечено увеличение эффективности акустооптического взаимодействия при расширении полосы рабочих частот дефлектора и упрощение конструкции. 5 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Акустооптический дефлектор, содержащий светозвукопровод из кристалла двуокиси теллура (ТеО₂), имеющего форму шестигранника, на противоположных первой и второй боковых гранях которого размещены соответственно пьезопреобразователь из ниобата лития (LiNbО₃), имеющий форму шестигранника, и звукопоглотитель, электроды и корпус с токоподводами, подключенными к генераторам высокочастотного сигнала или генератору с перестраиваемой частотой высокочастотного сигнала, при этом пьезопреобразователь соединен своей первой гранью с первой гранью кристалла через общий электрод, а на второй грани пьезопреобразователя, противоположной первой грани, нанесено не менее двух электродов, которые соединены с токоподводами, которые не связаны друг с другом, при этом входная грань кристалла наклонена к оси падающего пучка так, что перпендикуляр к ее поверхности образует угол ϕ с осью пучка, причем первая грань кристалла образует с входной гранью кристалла угол β1, а с выходной гранью угол β2 и расположена под углом β3 к оси 001 кристалла, указанные углы выбираются из следующих диапазонов 9,3°≤ϕ≤10,5°, 95,5°≤β1≤96,5°, 85°≤β2 ≤93,5°, 5,5°≤β3≤7°, причем вторая грань пьезопреобразователя наклонена в сторону входной грани кристалла так, что размеры ребер h и Н пьезопреобразователя соответственно у входной и выходной граней кристалла выбираются из следующих диапазонов 15 мкм ≤h≤18 мкм, 32 мкм≤Н≤36 мкм, электроды вытянуты в направлении, перпендикулярном оси пучка, и имеют ширину вдоль оси пучка, при которой высота пьезопреобразователя под электродом изменяется в диапазоне 3-5 мкм, а расстояние между электродами выбрано так, что высоты пьезопреобразователя под двумя соседними электродами отличаются не менее чем вдвое.2. Акустооптический дефлектор по п.1, отличающийся тем, что минимальная высота h равна 15 мкм, максимальная Н равна 33 мкм, а на наклонной второй грани пьезопреобразователя нанесены два электрода, причем первый, расположенный ближе к входной грани кристалла имеет ширину 1,5 мм, а второй - 2 мм при длине обоих электродов 8 мм и расстоянии между ними 3,5 мм, первый электрод подключен к выходу генератора с частотой сигнала, находящейся в диапазоне (92-180) МГц, а второй (55-92) МГц, причем каждый генератор имеет вход для внешнего управляющего сигнала.3. Двухкоординатное устройство для управления световым пучком, содержащее два последовательно установленных акустооптических дефлектора, каждый из которых выполнен по п.1, при этом второй дефлектор повернут на угол 90° относительно первого дефлектора вокруг оси пучка.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для пьезопреобразователей первого и второго дефлектора используется один генератор с перестраиваемой частотой высокочастотного сигнала в диапазоне (55-180)Мгц, выход которого подключен к токоподводам через фильтры, не пропускающие сигнал с выхода генератора на входы первых электродов дефлекторов в полосе (55-91) МГц, а на входы вторых электродов дефлекторов - в полосе (93-180) МГц.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в каждом акустооптическом дефлекторе минимальная h равна 15 мкм, максимальная Н равна 33 мкм, а на наклонной второй грани пьезопреобразователя нанесены два электрода, причем первый электрод, расположенный ближе к входной грани кристалла, имеет ширину 1,5 мм, а второй - 2 мм при длине обоих электродов 8 мм и расстоянии между ними 3,5 мм, первый электрод подключен к выходу генератора с частотой сигнала, находящейся в диапазоне (92-180) МГц, а второй (55-92) МГц, причем каждый генератор имеет вход для внешнего управляющего сигнала.6. Устройство по любому из пп.3-5, отличающееся тем, что содержит установленные перед первым дефлектором последовательно расположенные многоволновый источник непрерывного или импульсного оптического излучения и акустооптический фильтр.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что первый дефлектор является дефлектором по координате X, второй дефлектор является дефлектором по координате У, а источник оптического излучения имеет дополнительный вход для управляющего сигнала, который подключен к блоку управления, содержащему пять несвязанных друг с другом генераторов высокочастотных колебаний, при этом выходы генераторов соединены с соответствующими входами пьезопреобразователей, а каждый из высокочастотных генераторов имеет вход для управляющего сигнала, который подключен к соответствующему выходу средства синхронизации, установленному в блоке управления.8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что акустооптический фильтр содержит светозвукопровод из кристалла двуокиси теллура (ТеO₂), пьезопреобразователь из ниобата лития (LiNbO₃), звукопоглотитель, электроды и корпус с токоподводами, подключенными к генератору высокочастотного сигнала, при этом пьезопреобразователь установлен на первой грани кристалла и соединен с нею через электрод, звукопоглотитель установлен на второй грани кристалла, противоположной первой, а на наружной поверхности пьезопреобразователя нанесено не менее одного электрода, которые подключены к генератору высокочастотных колебаний с частотой из диапазона: (9-190) МГц, при этом пьезопреобразователь имеет форму прямоугольного параллелепипеда с высотой h≤15 мкм, причем первая грань кристалла образует с входной гранью кристалла угол β4, а с выходной - гранью угол β5 и расположена под углом β6 к оси 001 кристалла, указанные углы выбираются из следующих диапазонов: 80,5°≤β4≤82°, 105°≤β5≤106°, 7,8°≤β6≤8,1°.9. Устройство по любому из пп.3-7, отличающееся тем, что оно предназначено для управления мощностью пучка, длиной волны излучения, направлением распространения по координатам Х, У.10. Устройство отображения видеоинформации на экране, содержащее двухкоординатное устройство для управления световым пучком по любому из пп.3-9.11. Лазерный микроскоп, содержащий двухкоординатное устройство для управления световым пучком по любому из пп.3-9.12. Устройство для обработки материалов, содержащее двухкоординатное устройство для управления световым пучком по любому из пп.3-9.