АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНИЗОТРОПНЫЙ ДЕФЛЕКТОР Российский патент 2012 года по МПК G02F1/33 

Изобретение относится к устройствам для модуляции и сканирования оптического излучения на основе дифракции Брэгга на акустических волнах.

Известны акустооптические дефлекторы для сканирования лазерного луча, содержащие акустооптический элемент и пьезопреобразователь, соединенные слоем адгезионного вещества (Патент Японии №55 - 17363, заявл. 19.03.1976, №51 - 30156. Опубл. 10.05.1980, кл. G02F 1/33).

Разрешающая способность такого дефлектора обратно пропорциональна расходимости лазерного луча, падающего на акустический пучок.

Для увеличения разрешающей способности акустооптического дефлектора с анизотропной дифракцией можно использовать дифракцию второго порядка. При этом углы дифракции лазерного пучка увеличиваются в 1,5-2,0 раза (Патент США №4118113, заявл. 05.11.1976, №739230. Опубл. 03.10.1978, кл. 350/358, МПК G02F 1/33). Однако при этом необходима круговая поляризация падающего лазерного пучка. Неравномерность эффективности дифракции такого дефлектора значительная.

Если разрешающая способность дефлектора оказывается недостаточной, то для ее увеличения применяют оптическую систему, которая уменьшает расходимость падающего лазерного луча за счет увеличения его ширины, а затем уменьшает ширину выходящего дифрагированного луча до прежнего размера. Для уменьшения потерь оптического излучения на отражение оптические поверхности дефлектора и оптической системы обычно просветляют.

Недостатками известного акустооптического дефлектора являются потери оптического излучения при отражении от входной и выходной поверхностей акустооптического элемента, а также необходимость применения оптической системы, уменьшающей расходимость лазерного луча, падающего на акустический пучок, с целью увеличения разрешающей способности дефлектора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является акустооптический дефлектор (А.с. СССР №501377, заявл. 22.07.1974, №2047790/26-25. Опубл. 30.01.1976, МПК G02F 1/33, G02F 1/11), который выбран в качестве прототипа. У акустооптического дефлектора входная поверхность акустооптического элемента выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера и угла дифракции Брэгга, а выходная поверхность - под углом, равным разности между углом Брюстера и углом дифракции Брэгга. Ширина лазерного пучка внутри такого дефлектора увеличивается примерно в n раз, где n - показатель преломления материала акустооптического элемента, и, следовательно, также увеличивается разрешающая способность дефлектора.

Дефлектор имеет малые световые потери, так как падающий и дифрагированный лазерные пучки падают под углом Брюстера соответственно к входной и выходной поверхностям акустооптического элемента. Но падающий и дифрагированный пучки не коллинеарны, что затрудняет юстировку дефлектора в составе оптической схемы.

Такой дефлектор принципиально пригоден только для узкополосной изотропной дифракции, при которой не происходит изменения состояния поляризации падающего лазерного пучка. При использовании широкополосной анизотропной дифракции, где происходит поворот плоскости поляризации дифрагированного лазерного пучка относительно падающего пучка, угол Брюстера для дифрагированного пучка располагается в плоскости, ортогональной плоскости падающего лазерного пучка. При этом падающий и дифрагированный лазерные пучки находятся в двух скрещенных плоскостях, что крайне затрудняет юстировку дефлектора в составе оптической схемы и приводит к введению дополнительных оптических элементов для компенсации двумерных угловых рассогласований падающего и дифрагированного лазерных пучков.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности акустооптического анизотропного дефлектора с одновременным уменьшением потерь оптического излучения на отражение при прохождении через акустооптический элемент дефлектора и упрощение устройства на основе акустооптических дефлекторов.

Технический результат достигается тем, что в акустооптическом анизотропном дефлекторе, содержащем акустооптический элемент и пьезопреобразователь, входная поверхность акустооптического элемента выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме или разности угла Брюстера и угла падения Брэгга для данного материала, акустооптический элемент выполнен из анизотропного материала, его выходная поверхность просветлена под длину волны лазерного пучка и установлена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера, угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брегга.

Выполнение акустооптического элемента из анизотропного материала позволило расширить полосу рабочих частот и, следовательно, увеличить его разрешающую способность.

Просветление выходной поверхности дефлектора под длину волны лазерного пучка позволило избежать световых потерь для дифрагированного лазерного пучка с повернутой по отношению к падающему пучку поляризацией.

Выполнение выходной поверхности дефлектора по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера, угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брегга, позволило обеспечить коллинеарность падающего и дифрагированного лазерных пучков, что упрощает устройства на основе акустооптических дефлекторов.

Заявителем и авторами не обнаружено в патентной и научно-технической литературе акустооптических дефлекторов, выполненных подобным образом.

На фиг.1 и 2 изображены соответственно предлагаемый акустооптический анизотропный дефлектор и геометрия анизотропного акустооптического взаимодействия несимметричного типа в одноосном кристалле для «высокочастотной» ветви дифракции.

На фиг.1 введены обозначения:

- β - угол Брюстера;

- φ - Брегговский угол падения лазерного луча к волновому фронту акустической волны;

- ψ - угол дифракции Брегга;

- α - угол между поверхностью, на которой закреплен пьезопреобразователь, и оптической осью [001] кристалла акустооптического элемента;

- σ_ак - угол отклонения вектора потока энергии акустического пучка от волнового вектора;

- γ_К - угол коррекции направления;

- I_n - падающий на акустооптический дефлектор лазерный луч;

- I_q - дифрагированный лазерный луч;

- I_O - недифрагированный лазерный луч;

- [001] и [110] - направления кристаллографических осей кристалла акустооптического элемента.

На фиг.2 введены обозначения:

- К_а, K_n и K_q соответственно волновые вектора для акустической волны, падающего и дифрагированного лазерных лучей;

- n_o и n_e - главные показатели преломления кристалла акустооптического элемента для «обыкновенного» и «необыкновенного» световых лучей.

Плоскополяризованный луч лазера I_n, электрический вектор которого расположен в плоскости чертежа, с угловой расходимостью θ₁ падает на входную поверхность акустооптического элемента (фиг.1) под углом Брюстера β, определяемым из условия tgβ=n, преломляется на входной поверхности и распространяется внутри акустооптического элемента, имея угловую расходимость θ₂: .

Затем луч падает на акустический пучок под Брегговским углом падения ϕ к волновому фронту акустической волны и дифрагирует под углом Ψ к волновому фронту акустической волны, изменяя поляризацию и образуя с направлением распространения недифрагированного луча I_O угол ϕ+ψ, преломляется на выходной поверхности и выходит коллинеарно с падающим на дефлектор лучом лазера. Угловая расходимость дифрагированного луча на выходе дефлектора θ₃ после преломления на выходной поверхности равна угловой расходимости θ₁. В процессе дифракции участвовал луч с угловой расходимостью θ₂, поэтому разрешение дефлектора увеличено в n раз по сравнению с дефлекторами, у которых нормальное падение падающего луча к входной грани дефлектора.

Благодаря тому что луч лазера I_П заданной поляризации падает на акустооптический элемент под углом Брюстера к его входной поверхности, а выходная грань акустооптического элемента просветлена под поляризацию дифрагированного луча лазера I_q, потери на отражение от входной и выходной поверхностей практически очень малы.

На фиг.1 показано падение лазерного луча сверху на фронт акустической волны под углом падения ϕ. Для этого случая выходная поверхность акустооптического элемента должна быть установлена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом ∈, равным сумме угла Брюстера β, угла коррекции направления γ_К и разности угла дифракции Брегга ψ, т.е. ∈=β+γ_К-ψ, чтобы дифрагированный лазерный луч I_q был коллинеарен падающему на дефлектор лазерному лучу I_П.

Дифракция возможна и при падении лазерного луча снизу на фронт акустической волны под углом падения ϕ. Для этого случая выходная поверхность акустооптического элемента должна быть выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом ∈, равным сумме угла Брюстера β, угла коррекции направления γ_К и сумме угла дифракции Брегга ψ, т.е. ∈=β+γ_К+ψ, чтобы дифрагированный лазерный луч I_q был коллинеарен падающему на дефлектор лазерному лучу I_П.

Угол дифракции Брегга ψ и Брегговский угол падения ϕ, а также угол α между поверхностью, на которой закреплен пьезопреобразователь, и оптической осью [001] кристалла акустооптического элемента могут быть вычислены из геометрии анизотропного акустооптического взаимодействия несимметричного типа в одноосном кристалле, приведенной на фиг.2 (Ю.Н.Тищенко, А.В.Трубецкой. Некоторые вопросы создания и исследования акустооптического дефлектора на монокристаллах ТеО₂. Автометрия, №1, 1979 г., с.87-95).

Угол коррекции направления γ_К в радианах может быть вычислен из соотношения

,

где значения угла (ϕ+ψ) даны в радианах, ϕ - угол падения Брегга и ψ - угол дифракции Брэгга для данного дефлектора, n₀ - главный показатель преломления кристалла акустооптического элемента для «обыкновенного» светового луча.

Для длины лазерного излучения 1,064 мкм и «высокочастотной» ветви дифракции при центральной частоте акустических волн, равной 80 МГц, угол α примерно равен 6,44°. При этом Брегговский угол падения ϕ равен 3,31°, угол дифракции Брегга ψ равен 0,047°. Угол Брюстера для монокристалла ТеО₂, имеющего показатель преломления n₀=2,204, равен 65,61°. Угол коррекции направления γ_К при этом равен 0,733°.

При изменении частоты акустических волн в пределах 64…96 МГц, т.е. изменение частоты в полосе 32 МГц, угол сканирования дифрагированного лазерного луча на выходе дефлектора составит ±3,3 градуса относительно лазерного луча, дифрагировавшего на центральной частоте акустических волн 80 МГц. Полный угол сканирования равен 6,6 градуса.

При разработке предлагаемого дефлектора следует учесть, что в кристалле TeO₂ при угле α между поверхностью, на которой закреплен пьезопреобразователь, и оптической осью [001] кристалла, не равном нулю, вектор потока энергии акустического пучка отклонен от волнового вектора на угол σ_ак, что увеличивает длину акустооптического элемента.

Таким образом, выполнение акустооптического элемента из анизотропного материала, просветление его выходной поверхности под длину волны лазерного пучка и установление ее по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера, угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брегга, позволило увеличить разрешающую способность акустооптического анизотропного дефлектора с одновременным уменьшением потерь оптического излучения на отражение при прохождении через акустооптический элемент дефлектора и упростить устройства на основе акустооптических дефлекторов.

Акустооптический дефлектор относится к устройствам для модуляции и сканирования оптического излучения на основе дифракции Брэгга на акустических волнах. Акустооптический анизотропный дефлектор содержит акустооптический элемент и пьезопреобразователь, входная поверхность акустооптического элемента выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме или разности угла Брюстера и угла падения Брэгга для данного материала, а акустооптический элемент выполнен из анизотропного материала, его выходная поверхность просветлена под длину волны лазерного пучка и установлена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера и угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брегга. Технический результат заключается в увеличении разрешающей способности дефлектора при одновременном уменьшении потерь оптического излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Акустооптический анизотропный дефлектор, содержащий акустооптический элемент и пьезопреобразователь, входная поверхность акустооптического элемента выполнена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме или разности угла Брюстера и угла падения Брэгга для данного материала, отличающийся тем, что акустооптический элемент выполнен из анизотропного материала, его выходная поверхность просветлена под длину волны лазерного пучка и установлена по отношению к поверхности, на которой закреплен пьезопреобразователь, под углом, равным сумме угла Брюстера и угла коррекции направления и разности или сумме угла дифракции Брэгга.

2. Акустооптический анизотропный дефлектор по п.1, отличающийся тем, что угол коррекции направления γ_K определен из выражения:
, где значения угла (φ+ψ) даны в радианах, φ - угол падения Брэгга и ψ - угол дифракции Брэгга для данного дефлектора, n₀ - главный показатель преломления кристалла акустооптического элемента для «обыкновенного» светового луча.