АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР Российский патент 2006 года по МПК G02F1/33 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам оптической обработки сигналов на объемных акустических волнах (ОАВ) и может быть использовано в акустооптических анализаторах спектра, измерителях параметров радиосигналов СВЧ-диапазона, а также в системах связи и радиолокации.

Известна конструкция акустооптического дефлектора (АОД) СВЧ-диапазона на основе монолитного блока (кристалла) из прозрачного материала с пьезоэлектрическим преобразователем (см. Терпин Т.М. Спектральный анализ сигналов оптическими методами. - ТИИЭР. - 1981. - т.69. - № 1. - с.92-108). АОД имеет пьезоэлектрический преобразователь, прикрепленный к одной из боковых граней блока, а его противоположная боковая грань, служащая для устранения отражений и эффективного акустического согласования, сужена и нагружена на поглощающую нагрузку. Преобразователь расположен между двумя пластинами электродов и колеблется с приложенным напряжением. Эти колебания механически передаются в пластину кристалла.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является, с одной стороны, низкая эффективность ввода излучения через входную грань кристалла, а с другой стороны, конструкторско-технологическая сложность, связанная с изготовлением пьезоэлектрического преобразователя.

В данном аналоге геометрия кристалла такова, что потери излучения на входной грани для длины волны оптического излучения λ=0,6328 мкм составляют не менее (10-15)%, а расположенные под малым углом (определяемым точностью изготовления параллельных граней) грани кристалла создают смещение переотраженного луча и появление повторной дифракции, что приводит к возникновению фоновых засветок.

Признаками, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются следующие: АОД выполнен на основе кристалла - светозвукопровода (СЗП), одна грань которого сужена и, для устранения отражений звуковых волн, нагружена на поглощающую нагрузку.

Известна конструкция акустооптического дефлектора на основе анизотропного кристалла, выполненного в виде прямоугольного параллелепипеда, входящего в состав коллинеарного фильтра оптического диапазона (см. Волошинов В.Б., Николаев И.В., Парыгин В.Н. Коллинеарная акустооптическая фильтрация в кварце. - Вести. Моск. ун-та. Сер.3. - Физ., астр., - 1980. - т.21. - № 2. - с.42-46). Дифракция излучения в АОД происходит на стоячих акустических волнах.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является неоптимальная геометрия кристалла акустооптического дефлектора, приводящая к снижению точности позиционирования дифрагированного лазерного луча, причем отраженное излучение от внутренних боковых граней такого кристалла повторно дифрагирует на акустических волнах, что приводит к появлению дополнительного «ложного» сигнала.

Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с признаками заявляемого устройства, являются следующие: оба они выполнены с использованием СЗП, на одной из граней которого размещен пьезопреобразователь, возбуждающий объемные акустические волны, а на противоположной грани кристалла имеется звукопоглощающее покрытие, уменьшающее отражение звуковых волн от грани.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический дефлектор, работающий в режиме дифракции Брэгга, и используемый в составе акустооптического анализатора спектра, который описан в работе: А.Корпел. Акустооптика: Обзор основных принципов. - ТИИЭР, - 1981. - т.69. - № 1. - с.55-62.

Устройство-прототип (см. фиг.1) в своем составе содержит светозвукопровод 2, выполненный в виде параллелепипеда, на одной из граней которого расположен пьезоэлектрический преобразователь 1, а на противоположной грани расположен звукопоглощающий слой 3 для устранения влияния отраженных звуковых волн.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым изобретением, являются следующие: АОД содержит светозвукопровод, выполненный в виде призмы, состоящей из нижней грани, на которой размещен пьезопреобразователь, возбуждающий ультразвуковой пучок с углом сноса у и верхней грани с нанесенным на ней звукопоглотителем, а также двумя боковыми светопрозрачными гранями, свет на первую из которых подается под углом Θ_П=90°-γ-Θ_Б(f₀), где Θ_Б(f₀) - угол Брэгга на управляющей частоте f₀, а дифрагирует через вторую боковую грань под углом Θ_∂=90°+γ-Θ_Б(f₀).

В основу принципа работы прототипа положено свойство оптического излучения дифрагировать на периодической структуре, возникающей вследствие упругооптического эффекта при распространении в твердом теле ультразвуковой волны. Особенность такого взаимодействия состоит в том, что угол дифракции оптического излучения зависит от частоты возбуждаемого акустического сигнала.

Устройство-прототип работает следующим образом. На одной из граней светозвукопровода, являющимся акустическим кристаллом, располагается пьезоэлектрический преобразователь. Качество работы АОД во всем рабочем диапазоне определяется тем, насколько широк спектр излучения плоских волн преобразователя, с тем, чтобы удовлетворить условию дифракции Брэгга на всех частотах.

СЗП дефлектора представляет собой кристалл с параллельными гранями, на одной из которых лазерное излучение падает под углом Θ_П=90°-γ-Θ_Б(f₀), где Θ_Б(f₀) - угол Брэгга на управляющей частоте f₀ (см. фиг.1); дифрагированное на звуковом аналоге входного радиосигнала лазерное излучение интегрирующей линзой фокусируется в «пятно», распределение интенсивности в котором I_Д1(х). Из-за разницы в коэффициентах преломления окружающей среды и светозвукопровода на границах их раздела имеют место переотражения и, как следствие, при такой геометрии кристалла, повторная дифракция падающего пучка света. На фиг.1 путь повторно продифрагировавшего луча света показан тонкой линией; распределение интенсивности второго луча в плоскости приема обозначено как I_Д2(х).

Падающее излучение, в общем случае, имеет эллиптическую Р¹ поляризацию со степенью поляризации составляющих мощности . Интенсивность излучения, в общем случае, пропорциональна сумме квадратов взаимно перпендикулярных составляющих вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны , а в случае, когда К≫1 {К≪1), , здесь и - параллельная и перпендикулярная составляющие напряженности электрического поля для плоскости падения светового луча соответственно, и - параллельная и перпендикулярная составляющие мощности излучения для плоскости падения соответственно. Для оптимального акустооптического взаимодействия направление вектора поляризации должно быть перпендикулярно направлению распространения ультразвуковых волн (перпендикулярно плоскости падения). Поэтому далее будем рассматривать только одну поляризационную составляющую мощности , которая определяет значение полной мощности Р₀₀ оптического излучения .

На входной грани происходит частичное отражение падающего излучения. Зная коэффициент пропускания для входной грани, легко определить мощность Р₂₀ луча вошедшего в СЗП после преломления (см. Саржевский А.М. Оптика. Т.2: Учеб. пособие для студ. ун-тов. - Минск: Университетское, 1986. - 319 с.):

где α₁ и β₁ - углы падения и преломления соответственно (см. фиг.2).

Коэффициент пропускания входной грани определяется углом падения и имеет максимальное значение при нормальном падении (см. формулу 1). При других значениях угла падения увеличивается коэффициент отражения, а коэффициент пропускания уменьшается.

Кроме низкой эффективности ввода излучения в СЗП, такая геометрия кристалла приводит к повторной дифракции оптического излучения из-за внутренних переотражений. Мощность луча {Р₃) внутри кристалла, отраженного от входной грани до повторной дифракции определяется по формуле (см. Саржевский А.М. Оптика. Т.2: Учеб. пособие для студ. ун-тов. - Минск: Университетское, 1986. - 319 с.):

где α₃ - угол внутреннего падения луча на входную грань; β₃ - угол преломления луча на входной грани; n₁ - показатель преломления среды, в которой распространяется падающее оптическое излучение; n₂ - показатель преломление СЗП, а Р₂ определяется из соотношений:

где α₂ и β₂ - углы падения излучения внутри кристалла и преломления соответственно; n₃ - показатель преломления среды, в которой распространяется дифрагированное оптическое излучение после СЗП. Значение мощности P₁ определяется через значение дифракционной эффективности АОД.

Необходимым условием для повторной дифракции является падение излучения к волновому фронту звуковой волны под углом равным углу Брэгга. Как следует из выражения (2) и фиг.2, угол падения Θ_{падения} (луч Р₃, см. фиг.2) на частоте f₀ равен углу Брэгга. Таким образом, происходит повторная дифракция и появляется дополнительный сигнал в плоскости приемника с распределением интенсивности I_Д2{х) (см. фиг.1), который вносит в распределение I_Д1(х) основного сигнала искажение.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является наличие, вследствие переотражений и повторной дифракции, дополнительного оптического сигнала I_Д2{х) в плоскости приема. Это, в свою очередь, приводит к снижению точности позиционирования дифрагированного луча и ухудшает параметры акустооптической аппаратуры, например, анализаторов спектра радиосигналов. Отмеченный недостаток прототипа является следствием особенностей принципа его функционирования и дополнительно поясняется фиг.2, на которой изображен путь прохождения оптического излучения в СЗП.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности позиционирования дифрагированного пятна I_Д1(х) (см. фиг.1) света в диапазоне частот управляющих сигналов и увеличения дифракционной эффективности акустооптического дефлектора.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в увеличении точности позиционирования дифрагированного пятна и измерения частоты управляющего сигнала, а также увеличении дифракционной эффективности АОД. Сопоставительные численные данные для прототипа и заявляемого устройства получены для АОД на основе LiNbO₃ Z-среза с параметрами: λ=0,6328 мкм; f₀=1750 МГц; υ=3,6·10³ м/с; K=400.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что первая грань светозвукопровода по отношению к плоскости размещения пьезопреобразователя выполнена с углом наклона, равным , вторая грань с углом наклона, равным .

Для достижения технического результата в АОД, содержащем светозвукопровод, выполненный в виде призмы, состоящей из нижней грани, на которой размещен пьезопреобразователь, возбуждающий ультразвуковой пучок с углом сноса γ и верхней грани с нанесенным на ней звукопоглотителем, а также двумя боковыми светопрозрачными гранями, свет на первую из которых подается под углом Θ_П=90°-γ-Θ_Б(f₀), где Θ_Б(f₀) - угол Брэгга на управляющей частоте f₀, а дифрагирует через вторую боковую грань под углом Θ_∂=90°+γ-Θ_Б(f₀), причем первая грань светозвукопровода по отношению к плоскости размещения пьезопреобразователя выполнена с углом наклона, равным , а вторая грань с углом наклона, равным .

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», т.к. в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.

Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим принцип работы предлагаемого АОД и сопоставим его с работой прототипа и аналогов.

Сущность предлагаемого изобретения, а также работа АОД поясняется чертежами. На фиг.1 изображено устройство прототипа, где позиции на чертеже обозначают: 1 - ВШП, 2 - светозвукопровод АОД, 3 - переотражающая грань СЗП. На фиг.2 поясняется работа прототипа. На фиг.3 представлен предлагаемый АОД, где позиции на чертеже обозначают: 1 - ВШП, 2 - СЗП, 3 - переотражающая грань СЗП. На фиг.4 поясняется работа заявляемого устройства.

Работа заявляемого АОД и обеспечиваемый им технический эффект заключается в следующем (фиг.4). Управляющий радиосигнал подается на ВШП 1, который в теле светозвукопровода 2 преобразуется в свой акустический аналог. Оптическое излучение, падающее под прямым углом на входную грань СЗП, имеет минимальные потери, а уровень мощности после первой дифракции равен

где η - коэффициент, определяющий эффективность дифракции оптического излучения на ультразвуковых волнах; Р₀₀ - мощность падающего оптического излучения; - мощность отраженного от входной грани излучения, которая определяется согласно выражению

где n₁ - показатель преломления среды, в которой распространяется падающее оптическое излучение; n₂ - показатель преломления СЗП.

Значение P₁ является максимальным по сравнению с другими случаями падения излучения под другими углами на входную грань. Для данной геометрии кристалла, мощность оптического излучения Р₃ (см. фиг.4), падающая на акустическую волну при повторной дифракции определяется по формуле

где P₂ - мощность луча внутри кристалла, отраженного от его выходной грани; углы α₂, α₃, β₂ и β₃ определяются по формулам:

α₂=Θ_Г1,

α₃=2Θ_Г1,

Угол падения Θ_{падения} (см. фиг.4) повторно отраженной волны к волновому фронту акустической волны, на центральной частоте f₀, равен ≈3Θ_Б. При таком угле падения повторная дифракция будет отсутствовать.

Таким образом, для данной формы светозвукопровода, как видно из расчета, значительное уменьшение интенсивности повторно дифрагированного светового излучения будет вызвано следующими причинами:

1) угол падения светового луча к волновому фронту акустической волны при повторной дифракции в 3 раза больше оптимального значения - Θ_Б;

2) входная грань СЗП заявляемого АОД увеличивает угол отражения светового луча внутри кристалла от входной его грани по сравнению с прототипом и тогда повторная дифракция в точке 2, находится дальше чем точка 1, а это сопровождается уменьшением мощности акустической волны, вследствие затухания;

3) мощность излучения, участвующая в дифракции для точки 1 увеличивается за счет оптимального ввода излучения в кристалл.

Следовательно, СЗП с непараллельными гранями позволяет повысить мощность излучения участвующего в дифракции, а следовательно, повысить значение дифракционной эффективности АОД и также исключить повторную дифракцию.

Предлагаемый АОД может быть реализован на основе светозвукопровода из пьезокристалла, например, такого как LiNbO₃ Z-среза в форме призмы, для которого коэффициент электромеханической связи является одним из максимальных и составляет величину, равную 0,6.

Для изготовления пьезопреобразователя может быть использована широко применяемая на практике технология изготовления устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (см. Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь. - 1984. - 272 с). Также могут быть использованы хорошо освоенные методы фотолитографии, которые применяются в полупроводниковой промышленности.

В качестве поглотителя звука 3 в заявляемом устройстве целесообразно использовать металл с акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению СЗП. 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 акустооптического взаимодействия.

Изобретение относится к устройствам оптической обработки сигналов на объемных акустических волнах и может быть использовано в акустооптических анализаторах спектра, измерителях параметров радиосигналов СВЧ диапазона, а также в системах связи и радиолокации. Акустооптический дефлектор содержит светозвукопровод, выполненный в виде призмы, состоящей из нижней грани, на которой размещен пьезопреобразователь, возбуждающий ультразвуковой пучок с углом сноса γ и верхней грани с нанесенным на ней звукопоглотителем, а также двумя боковыми светопрозрачными гранями, свет на первую из которых подается под углом Θ_П=90°-γ-Θ_Б(f₀), где Θ_Б(f₀) - угол Брэгга на управляющей частоте f₀, а дифрагирует через вторую боковую грань под углом Θ_∂=90°+γ-Θ_Б(f₀), первая грань светозвукопровода по отношению к плоскости размещения пьезопреобразователя выполнена с углом наклона, равным Θ_Г1=-|γ+Θ_Б(f₀)|, a вторая грань с углом наклона, равным Θ_Г2=-|γ+Θ_Б(f₀)|. Технический результат - увеличение точности позиционирования дифрагированного пятна, увеличение дифракционной эффективности. 4 ил.

Акустооптический дефлектор, содержащий светозвукопровод, выполненный в виде призмы, состоящей из нижней грани, на которой размещен пьезопреобразователь, возбуждающий ультразвуковой пучок с углом сноса γ и верхней грани с нанесенным на ней звукопоглотителем, а также двумя боковыми светопрозрачными гранями, свет на первую из которых подается под углом Θ_П=90°-γ-Θ_Б(f₀), где Θ_Б(f₀) - угол Брэгга на управляющей частоте f₀, а дифрагирует через вторую боковую грань под углом Θ_∂=90°+γ-Θ_Б(f₀), отличающийся тем, что первая грань светозвукопровода по отношению к плоскости размещения пьезопреобразователя выполнена с углом наклона, равным Θ_Г1=-|γ+Θ_Б(f₀)|, a вторая грань с углом наклона, равным Θ_Г2=|γ-Θ_Б(f₀)|.