Акустооптическое устройство 2D отклонения и сканирования неполяризованного лазерного излучения на одном кристалле Российский патент 2021 года по МПК G02F1/11 

Изобретение относится к лазерной технике и акустооптике, в частности, оно может быть отнесено к акустооптическим (АО) устройствам двухкоординатного отклонения лазерных пучков.

АО-устройства двухкоординатного (2D) отклонения и сканирования лазерного излучения (АО-дефлекторы) широко применяются в различных областях фотоники: для многоканальных оптических коммутаторов в волоконно-оптических линиях связи, систем определения локальных координат микрообъектов в микроэлектронике и клеточной инженерии, систем оптических ловушек, систем стабилизации лазерного пучка, систем поиска и слежения за движущимися объектами, в лазерных технологиях и полиграфии, в акустооптических процессорах и т.д.

Из уровня техники известно устройство АО-блока 2D-отклонения лазерного пучка на основе двух последовательно расположенных однокоординатных дефлекторов изготовленных из монокристаллов парателлурита (Н. Shinada, K. Sumi, Т. Shiina. Two-dimensional acousto-optic deflector using on-axis anisotropic Bragg diffraction for internal drum scanning exposure systems // Optical Engineering. - 2017. - V. 56 - P. 085107).

Недостатком устройства является сложность конструкции АО-блока отклонения; включающего дополнительно две линзы и призму. Существенным недостатком блока является низкая лазерная стойкость, связанная с применением монокристаллов парателлурита в качестве АО-материала, и возможность использовать только поляризованное излучение.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является АО устройстве 2D-отклонения лазерного излучения в системе мягкой диафрагмы, выполненное на одном АО-элементе на основе кварца (RU 2622243 С1 опублик. 13.06.2017).

Недостатком прототипа является различная эффективность дифракции в каждом из двух ортогонально расположенных однокоординатных акустических каналов для поляризации лазерного излучения в плоскости дифракции и ортогональной плоскости. В плавленом кварце величина АО-качества М₂ для дифракции на продольной акустической волне для поляризации света, перпендикулярной направлению акустической волны, примерно в 5 раз выше величины М₂ для ортогональной поляризации света. Это обстоятельство препятствует эффективному 2D-отклонению неполяризованного излучения.

Недостатком прототипа является также низкая эффективность кварца, требующая высокой управляющей ВЧ-мощности, приводящей к перегреву АО-кристалла. Известно, что типичное однокоординатное АО устройство на основе кварца при работе на длине волны 1,06 мкм потребляет управляющую ВЧ мощность 20-40 Вт при эффективности дифракции порядка 75%. Для уменьшения температуры применяют охлаждение (водяное охлаждение, термоэлектрическое), которое эффективно работает до значений ВЧ-мощности порядка 60 Вт. При большей мощности перегрев АО устройства приводит к развитию температурных градиентов, изменению оптических, акустических и фотоупругих свойств АО материала вплоть до его разрушения.

Технической задачей изобретения является создание нового типа 2D АО-устройства, конструктивно выполненного на одном кристалле для управления мощный неполяризованным лазерным излучением видимого и ближнего ИК-диапазона длин волн.

Техническим результатом изобретения является обеспечение работоспособности 2D АО-устройства на основе одного монокристалла с неполяризованным мощным лазерным излучением видимого и ближнего ИК-диапазонов длин волн.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Двухкоординатное акустооптическое устройство состоит из светозвукопровода, выполненного из монокристалла группы калий-редкоземельных вольфраматов с общей химической формулой KRE(WO₄)₂, где RE=Y, Yb, Gd и Lu и имеющего входную оптическую грань с антиотражающим покрытием, перпендикулярную диэлектрической оси Np монокристалла, выходную оптическую грань с антиотражающим покрытием, параллельную входной оптической грани, первую акустическую грань, параллельную диэлектрической оси Np монокристалла и составляющую угол от минус 55 до минус 30 градусов к диэлектрической оси Nm монокристалла, вторую акустическую грань параллельную диэлектрической оси Np монокристалла и составляющую угол от плюс 30 до плюс 60 градусов к диэлектрической оси Nm монокристалла и угол от 80 до 100 градусов к первой акустической грани, первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи на основе монокристаллов ниобата лития, присоединенные к первой и второй акустическим граням соответственно, а также из первой и второй электрических согласующих систем, выходы которых присоединены ко входам первого и второго пьезопреобразователей соответственно, а входы к выходам системы управления, причем в лазерном источнике выход излучения лазерного пучка направлен во входную оптическую грань.

Кроме того светозвукопровод выполнен из монокристалла калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO₄)₂ или кристалла калий-иттриевого вольфрамата KY(WO₄)₂ или кристалла калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO₄)₂ или кристалла калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO₄)₂.

Также пьезопреобразователи присоединены к светозвукопроводу методом склейки или методом прямой сварки диэлектриков или методом вакуумной диффузионной сварки с образованием двойных сплавов или методом атомной диффузионной сварки одноименных металлов.

Для того чтобы двухкоординатное АО-устройство, выполненное на одном монокристалле, имело возможность работать с неполяризованным лазерным излучением необходимым условием для каждого из двух акустических каналов в едином АО кристалле является следующее: эффективности дифракции для двух ортогональных поляризаций лазерного излучения, поляризованного в плоскости дифракции и ортогонально ей должны быть равными.

Светозвукопровод акустооптического устройства изготавливается из АО-кристалла группы калий-редкоземельных вольфраматов KRE(WO₄)₂, где RE=Y, Yb, Gd и Lu. Эти кристаллы обладают высокой лазерной стойкостью, соизмеримой с кварцем. По литературным данным АО-качество М₂ этих кристаллов в отдельных срезах в несколько раз превышает АО-качество кварца, что позволяет в несколько раз понизить управляющую ВЧ мощность при сохранении той же дифракционной эффективности и решить проблему перегрева АО устройства (М.М. Mazur et al. Elastic and photo-elastic characteristics of laser crystals potassium rare-earth tungstates KRE(WO₄)₂, where RE=Y, Yb, Gd and Lu // Ultrasonics. - 2014. - V. 54. - P. 1311).

Для уменьшения управляющей ВЧ-мощности пьезопреобразователи могут быть присоединены к светозвукопроводу по оригинальной вакуумной технологии с образованием двойных сплавов (RU 2461097 С1 опублик. 10.02.2019). Пьезопреобразователь к пьезопоглотитель также могут быть присоединены к светозвукопроводу, методом атомной диффузионной сварки одноименных металлов (Т. Shimatsu, М. Uomoto, Atomic diffusion bonding of wafers with thin nanocrystalline metal films // J. Vac. Sci. Technol. В. - 2010. - V. 28. - P. 706), или методом прямой сварки (K. Eda et al. Direct Bonding of Piezoelectric Materials and Its Applications // Proc. 2000 IEEE Ultrasonics Symposium - 2000 - P. 299), обеспечивающими акустический контакт соединяемых поверхностей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена величина АО-качества М₂ монокристалла KY(WO₄)₂ для двух ортогональных поляризаций лазерного излучения Ng, Nm в зависимости от угла с диэлектрической осью Nm для квазисдвиговой акустической моды, распространяющейся в плоскости симметрии кристалла, на фиг. 2 - схема АО-устройства на едином кристалле из группы калий-редкоземельных вольфраматов KRE(WO₄)₂ для 2D отклонения и сканирования неполяризовнных мощных лазерных пучков, на фиг. 3 - пример лазерной системы с двухкоординатным сканированием пучка.

На фигурах обозначены: собственная поляризация 1 по оси Ng, собственная поляризация 2 по оси Nm, диэлектрическая ось 3 монокристалла Np, диэлектрическая ось 4 монокристалла Nm, диэлектрическая ось 5 монокристалла Ng, светозвукопровод 6, входная оптическая грань 7, выходная оптическая грань 8, первая акустическая грань 9, первый пьезопреобразователь 10, первая электрическая согласующая система 11, вторая акустическая грань 12, второй пьезопреобразователь 13, вторая электрическая согласующая система 14, лазерный источник 15, входной лазерной пучок 16, система 17 управлений. ВЧ-кабели 18, 19, пучок 20 нулевого порядка дифракции, дифрагировавший пучок 21, углы 22, 23 отклонения лазерного пучка по двум координатам.

Далее приведен пример реализации устройства на основе кристалла KY(WO₄)₂. При распространении произвольно поляризованного лазерного пучка в направлении диэлектрической оси 3 монокристалла Np, он раскладывается на два независимых пучка, имеющие поляризации по собственным осям 4 и 5 монокристалла Nm и Ng. В общем случае эффективность АО-дифракции каждой из собственных поляризаций 1 и 2 на одной и той же акустической моде в монокристалле различна. Для обеспечения акустооптической дифракции неполяризованного излучения необходимо выполнить условие равенства акустооптического качества М₂ для этих поляризаций. На Фиг. 1 показана зависимость акустооптического качества в монокристалле KY(WO₄)₂ от направления распространения квазисдвиговой акустической волны в плоскости NmNg, являющейся плоскостью симметрии монокристалла. Величина угла волнового вектора ультразвука с осью Nm положительна, если вектор лежит в первом квадранте координатной плоскости NmNg и отрицательна, если вектор лежит в четвертом квадранте. Кривые для собственных поляризаций 1 и 2 имеют несколько точек пересечения. Максимальные значения акустооптического качества соответствуют точкам в направлениях минус 40,6 градусов и 54,7 градусов. Величина АО-качества М₂ для данных направлений составляет 7,9×10^-15 и 4,8×10^-15 с³/кг соответственно, что в несколько раз больше, чем в кварце.

На Фиг. 2 показан чертеж устройства. Светозвукопровод 6 имеет две оптические грани 7 и 8, ортогональные оси 3 монокристалла, и две акустические грани 9 и 12, параллельные оси 3 монокристалла. Акустическая грань 9 составляет с осью 4 монокристалла угол минус 35,3 градуса, следовательно, расположенный на грани пьезопреобразователь 10 возбуждает волну в направлении 54,7 градусов к оси 4. Акустическая грань 12 составляет с осью 4 монокристалла угол 49,4 градуса, следовательно, расположенный на грани пьезопреобразователь 13 возбуждает волну в направлении минус 40,6 градусов к оси 4. Угол между акустическими гранями составляет 84,7 градуса. Различие между величинами АО-качества М₂ для выбранных направлений может быть скомпенсировано мощностью управляющих сигналов.

Интервал углов между акустическими гранями и осью монокристалла Nm определяется погрешностью литературных данных фотоупругих констант и допустимой разницей величины акустооптического качества для двух собственных поляризаций кристалла. Например, если величина акустооптического качества для одной из поляризаций на 20% меньше, чем для другой, эффективность дифракции при оптимальной мощности ультразвука для этой поляризации снижается на 2%.

На Фиг. 3 показан пример сканирующей системы на основе 2D АО-устройства неполяризованного лазерного излучения. Лазерный источник 15 генерирует лазерный пучок 16, который падает на входную оптическую грань 7 светозвукопровода 6 АО-устройства в пересекает область пересечения акустических пучков, возбуждаемых в монокристалле пьезопреобразователями 9 и 12. Система 17 управления содержит два генератора радиосигналов, которые присоединены ВЧ-кабелями 18, 19 к системам 11, 14 согласования Акустическая волна, возбуждаемая в светозвукопроводе 6 пьезопреобразователем 10, отклоняет дифрагировавший лазерный пучок 21 в направлении, ортогональном грани 9 монокристалла, на угол 22, пропорциональный частоте сигнала, формируемого первым генератором системы 17 управления. Акустическая волна, возбуждаемая в светозвукопроводе 6 пьезопреобразователем 13, отклоняет дифрагировавший лазерный пучок 21 в направлении, ортогональном грани 12 монокристалла, на угол 23, пропорциональный частоте сигнала, формируемого вторым генератором системы 17 управления. Частоты радиосигналов могут быть различны. Таким образом, осуществляется независимое 2D-отклонение лазерного пучка.

Скорость акустической квазисдвиговой моды в монокристаллах KRE(WO₄)₂ существенно меньше, чем в кварце, что позволяет достигать больших углов отклонения лазерного луча. В отличие от известных АО-материалов, моноклинные двуосные кристалла группы KRE(WO₄)₂ обладают специфической комбинацией и анизотропией оптических акустических и фотоупругих свойств, что позволяет решить проблему создания двухкоординатного АО дефлектора на едином кристалле для сканирования мощного неполяризованного лазерного излучения.

Изобретение относится к лазерной технике и акустооптике, в частности, оно может быть отнесено к акустооптическим (АО) устройствам двухкоординатного отклонения лазерных пучков. Техническим результатом изобретения является обеспечение работоспособности 2D АО-устройства на основе одного монокристалла с неполяризованным мощным лазерным излучением видимого и ближнего ИК-диапазонов длин волн. Указанный технический результат достигается следующим образом. Двухкоординатное акустооптическое устройство состоит из светозвукопровода, выполненного из монокристалла группы калий-редкоземельных вольфраматов с общей химической формулой KRE(WO₄)₂, где RE=Y, Yb, Gd и Lu, и имеющего входную оптическую грань с антиотражающим покрытием, перпендикулярную диэлектрической оси Np монокристалла, выходную оптическую грань с антиотражающим покрытием, параллельную входной оптической грани, первую акустическую грань, параллельную диэлектрической оси Np монокристалла и составляющую угол от минус 55 до минус 30 градусов к диэлектрической оси Nm монокристалла, вторую акустическую грань, параллельную диэлектрической оси Np монокристалла и составляющую угол от плюс 30 до плюс 60 градусов-диэлектрической оси Nm монокристалла и угол от 80 до 100 градусов к первой акустической грани, первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи на основе монокристаллов ниобата лития, присоединенные к первой и второй акустическим граням соответственно, в также из первой и второй электрических согласующих систем, выходы которых присоединены ко входам первого и второго пьезопреобразователей соответственно, а входы к выходам системы управления, причем в лазерном источнике выход излучения лазерного пучка направлен во входную оптическую грань. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухкоординатное акустооптическое устройство, состоящее из светозвукопровода, выполненного из монокристала группы калий-редкоземельных вольфраматов KRE(WO₄)₂ и имеющего входную оптическую грань с антиотражающим покрытием, перпендикулярную диэлектрической оси Np монокристалла, выходную оптическую грань с антиотражающим покрытием, параллельную входной оптической грани, первую акустическую грань, параллельную диэлектрической оси Np монокристалла и составляющую угол от минус 55 до минус 30 градусов к диэлектрической оси Nm монокристалла, вторую акустическую грань, параллельную диэлектрической оси Np монокристалла и составляющую угол от плюс 30 до плюс 60 градусов к диэлектрической оси Nm монокристалла и угол от 80 до 100 градусов к первой акустической грани, первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи на основе монокристаллов ниобата лития, присоединенные к первой и второй акустическим граням соответственно, а также из первой и второй электрических согласующих систем, выходы которых присоединены к входам первого и второго пьезопреобразователей соответственно, а входы к выходам первого и второго генераторов системы управления, причем в лазерном источнике выход излучения лазерного пучка направлен во входную оптическую грань.

2. Устройство по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из монокристалла калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO₄)₂, или кристалла калий-иттриевого вольфрамата KY(WO₄)₂, или кристалла калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO₄)₂, или кристалла калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO₄)₂.

3. Устройство по п. 1, в котором пьезопреобразователи присоединены к светозвукопроводу методом склейки, или методом прямой сварки диэлектриков, или методом вакуумной диффузионной сварки с образованием двойных сплавов, или методом атомной диффузионной сварки одноименных металлов.