Акустооптическое устройство для отклонения оптического излучения и сдвига его частоты Советский патент 1985 года по МПК G02F1/33 

Изобретение относится к акустооптическим устройствам, предназначенным для отклонения оптического излучения и сдвига его частоты в оптических системах обработки информации, лазерных допплеровских измерителях скорости, системах оптической фильтрации и т.п. Известны устройства отклонения оптического излучения . Наиболее близким к изобретению 1ахническим решением является акус ооптическое устройство, содержащее источник оптического излучения и акустооптическую ячейку, выполнен ную в виде кристалла из фотоупругого материала с пьезоэлектрическим преобразователем звука на одном из торцов кристалла и поглотителем на противоположном торце. Пьезопреобра зователь электрически связан с гене ратором высокочастотной мощности Однако такое устройство имеет сравнительно низкую стабильность уг ла отклонения, связанную, в частное ти, с зависимостью скорости звука в кристалле от температуры и имеющую для кристаллов TeOj, например, значение порядка 10 - 10 1/.град у срезов с большим значением акусто оптического качества. Помимо воздей ствия окружающей среды, на температуру кристалла оказьшает влияние также мощность, вьщеляемая пьезопреобразователем, которая в непрерывном режиме может достигать 2-5 Вт. Кроме того, зависимость скорости звука от давления также является дестабилизирующим фактором например, при действии вибрации. Различные способы,применяемые дл термостабилизации,приводят к усложне и увеличению размеров акустооптическ устройств, что неизбежно ведет к изменению оптического тракта в целом. В то же время стабильность угл отклонения является весьма важным параметром в системах обработки информация, в лазерных допплеровских измерителях скорости.Цель изобретения - повышение ст бильности угла отклонения оптического излучения при действии темпер туры и вибрации на акустооптическу ячейку. Для достижения поставленной цел в изв стном устройстве поглотитель занимает часть торца кристалла, а на остальной части торца расположен второй пьезоэлектрический преобразователь, и часть объема кристалла, заключенная между поглотителем и первым преобразователем, размещена в оптическом канапе источника излучения, причем устройство дополнительно содержит узкополосный усилитель, вход которого подключен ко второму преобразователю, а выход к первому преобразователю. Дополнительное повышение стабильности угла отклонения оптического излучения может быть достигнуто, если торцы кристалла с расположенными на них пьезоэлектрическими преобразователями зажаты в устройстве, жестко фиксирующем длину кристалла. Наряду с углом отклонения в предложенном устройстве может быть стабилизирована частота сдвига оптического излучения в отклоненном пучке. Для этого на грани кристалла, параллельной направлению распространения оптического излучения, расположен третий пьезоэлектрический преобразователь, свободная поверхность которого и противолежащая этому преобразователю грань кристалла зажаты механическими фиксаторами, причем устройство дополнительно содержит генератор .высокой частоты и частотный детектор, один вход которого подключен к узкополосному усилителю, другой вход - к выходу генератора высокой частоты, а выход - к третьему пьезоэлектрическому преобразователю. На фиг.1 и фиг.2 показаны два варианта выполнения акустооптического устройства. Устройство (см.фиг.1) содержит источник 1 оптического излучения, кристалл 2 из фотоупругого материала, первый пьезоэлектрический преобразователь 3, поглотитель 4, второй пьезоэлектрический преобразователь.5, узкополосный усилитель 6 с коэффициентом усиления, превышающем потери преобразования .в канале указанных преобразователей, и фиксаторы 7 длины, выполненные из материала с малым коэффициентом температурного расширения (например, инвара или кварца). Источник 1 оптического излучения расположен под брегговским углом к направлению распространения звука в

кристалле, (в некоторых случаях этот угол может быть другим, например, в раман-натовском режиме).

Устройство работает следующим образом..

При включении усилителя 6 на обкладка преобразователя 3 возникает mjMOBoe напряжение, которое преобразуется в акустические колебания, распространяющиеся вдоль кристалла 2 и возбуждающие на преобразователе 5 электрическое напряжение. По окончании переходного процесса в цепи усилителя 6 устанавливаются одночастотные электрические колебания, а в кристалле 2 - акустическая волна с частотой f, для которой суммарный набег фаз (в усилителе и акустической ячейке) кратен 2П , что можно представить в виде следующего выраженин:

, (11

f

ЭА где 5д - набег фаз в электрических цепях t - частота колебаний V - скорость звука в кристалл Ь - длина кристалла; N - целое число (номер моды). При этом в части объема кристалла, заключенной между преобразователями 3 и 5, возникает стоячая акустическая волна, а в части объема кристалла, заключенной между преобразователем 3 и поглотителем 4, распространяется бегущая акустическая вол на, причем длина и частота этих вол одинаковы. Бегущая акустическая вол на создает в части кристалла динами ческую решетку с периодом, равным Р длине акустической волны. На этой рещетке происходит диД)ракция оптического излучения от источника 1, при которой часть светового излучения отклоняется на угол & , опр деляемый выражением где ЛСБ - длина волны света, J6 - длина волны звука. Для предлагаемого устройства уго отклонения может быть записан в сле :1ующем ввде:

гин- f

(г}

эл

Sin Э Я сб

2J7U

Из выражения (2) видно, что в предложенном устройстве угол отклонения не зависит от скорости звука в кристалле при работе на одной определенной моде (N const).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет существенно уменьшить влияние температуры и вибраций на угол отклонения. Фиксация длины кристалла с помощью устройства 7 (фиг.1) дополнительно увеличивает стабильность угла отклонения. Как видно из выражения (2), угол отклонения зависит от длины кристалла L Зависимость длины от температуры, как правило, слабее, чем зависимост скорости звука от температуры. Например в ТеО для срезов с большим акустооптическим качеством

.., J:L,O--«rpwA

L грИА Поэтому использование указанной фиксации длины позволяет дополнительно увеличить стабильность угла отклонения в несколько раз. Помимо стабилизации угла отклонения в некоторых системах необходимо стабилизировать также и частоту сдвига между падающим и отклоненным оптическим излучениями. Устройство, отвечающее указанным требованиям, представлено на фиг.2, которое дополнительно содержит третий пьезоэлектрический преобразователь 8, свободная поверхность которого и противоположная этому преобразователю грань кристалла зажаты механическими фиксаторами 9, генератор высокой частоты 10 и частотный детектор 11. В этом варианте также может использоваться устройство 7, жестко фиксирующее длину кристалла, которое на фиг.2 не показано. Для достижения стабильности сдвига.частоты отклоненного луча в данном варианте используется зависимость в некоторых фотоупругих материалах (например в ТеОз) .скорости распространения звуковых волн от приложенных к кристаллу деформаций сжатия. В данном случае упранление величиной деформации сжатия осугцествляется путем подачи соот})етствую1цого напряжения на пьедопрообразователь 8.- Выбором соответствунлцих параметров схемы (в частности крутизны характеристики частотного детектора) можно добиться высокой стабильности скорости звука. Частота сдвига оптического излучения зависит от частоты акустической волны, которая практически не меняется. Таким образом, данньй вариант позволяет стабилизировать не только угол отклонения,но и сдвиг частоты оптического измерения.

Устройство было создано в Институте радиотехники и электроники АН СССР на основе кристалла TeOj. По сравнению с прототипом устройство по П.1 имеет стабильность угла отклонения вьппе «в 10 раз, а по П.2 «в 15 раз. Стабильность параметров устройства по п.З

10 вьгае, чем у прототипа

40 раз.

1. АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛОНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СДВИГА ЕГО ЧАСТОТЫ, содержащее источник оптического излучения и акустооптическую ячейку, выполненную в виде кристалла из фотоупругого материала с первым пьезоэлектрическим преобразователем на одном торце и поглотителем на противоположном торце, отличающееся тем, что, с целью стабилизации угла отклонения оптического излучения на выходе акусто- оптической ячейки, поглотитель занимает часть.торца кристалла, а на остальной части торца расположен второй пьезоэлектрический преобразователь, и часть объема кристалла.заключенная между поглотителем и первым преобразователем, размещена в оптическом канале источника излучения, . причем устройство содержит узкополосный усилитель, вход которого подключен ко второму преобразователю, а выход - к первому преобразователю.2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что торцы кристалла с расположенными на них пьезоэлектрическими преобразователями зажаты в устройстве, жестко фиксирующем длину кристалла.3.Устройство- по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что, с целью стабилизации частоты оптического излучения в отклоненном пучке, на грани кристалла, параллельной направлению распространения оптического излучения, расположен третий пьезоэлектрический преобразова- . тель,свободная поверхность которогои противолежащая этому преобразователю грань кристалла зажаты механическим фиксатором, причем устройство дополнительно содержит генератор высокой частоты и частотный детектор, один вход которого подключен к узкополосному усилителю, другой вход - к выходу генератора высокой, . частоты, а выход - к третьему пьезоэлектрическому преобразователю.S(Л

//77/777/7/7////77

г /