УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОТ МИКРООБЪЕКТОВ
DEVICE FOR VISUALIZING ACOUSTIC FIELDS OF MICROOBJECTS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для получения информации о структуре акустических полей при разработке акустоэлектронных приборов, для контроля интенсивности акустических полей при физических исследованиях волновых процессов в акустике, для визуализации структур объектов, непрозрачных для видимого света.
Известно устройство для визуализации акустических полей, отраженных от исследуемого объекта (Патент США №3831135, G01S 9/66), содержащее акустооптическую ячейку Брэгга, в которой в качестве фотоупругой среды используется вода, источник когерентного оптического излучения (лазер), оптическую систему на основе сферических линз для формирования падающего на ячейку светового пучка, оптическую систему обработки дифрагированного в ячейке пучка света и устройство регистрации изображения объекта. В данном устройстве визуализации отраженные от исследуемого объекта акустические волны, распространяющиеся в разных направлениях, попадают в жидкую фотоупругую среду (воду), в которой происходит взаимодействие падающего пучка света с акустическими волнами, несущими информацию об объекте. В результате акустооптического взаимодействия информация об объекте преобразуется из акустической формы в оптическую. Необходимым условием визуализации исследуемого объекта с приемлемым разрешением является осуществление акустооптического взаимодействия с упругими волнами, распространяющимися в максимально большом телесном угле. Чтобы обеспечить выполнение условия Брэгга и получить дифракционную картину для акустических волн, распространяющихся в широком угловом спектре, в данном устройстве падающий световой пучок с помощью сферической линзы оптической системы формируется коническим.
Недостаток устройства заключается в невысокой разрешающей способности и невозможности использования данного устройства для исследования акустических микрообъектов. Поскольку, как известно (Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.), в воде и других жидких средах акустические волны высоких частот очень сильно затухают, то в данном устройстве используются акустические волны относительно низкой частоты (250 кГц) и соответственно большой длины, которые не могут обеспечить высокой разрешающей способности. Кроме того, в данном устройстве взаимодействуют расходящийся акустический и сходящийся световой пучки. И поэтому другим недостатком устройства является низкая светосила. Причина низкой светосилы в том, что интенсивность дифрагированного света пропорциональна интенсивности падающего света, а интенсивность света на участке сходящегося пучка, для которого выполняется условие Брэгга, гораздо меньше, чем у квазиплоской световой волны. Помимо этого интенсивность дифрагированного света также уменьшается при снижении интенсивности акустической волны и длины акустооптического взаимодействия. У той части расходящейся акустической волны, которая участвует в акустооптическом взаимодействии, интенсивность значительно меньше, чем у квазиплоской волны. Длина взаимодействия также много меньше, чем в случае квазиплоской акустической волны. Поэтому интенсивность дифрагированного светового пучка невысока.
Известно также устройство для визуализации акустических полей (Патент США №3794975, G06K 9/00), содержащее акустооптическую ячейку на основе жидкой фотоупругой среды (вода), источник когерентного оптического излучения (лазер), оптическую систему для формирования падающего на ячейку светового пучка, состоящую из двух сферических и цилиндрической линз, оптическую систему обработки дифрагированного пучка света и устройство регистрации изображения объекта. В жидкой фотоупругой среде ячейки находится сферическая акустическая линза, удаленная от расположенного на торце акустооптической ячейки пьезоэлектрического преобразователя на расстояние, равное фокусному расстоянию акустической линзы. С помощью этой линзы расходящаяся акустическая волна от каждой точки преобразователя трансформируется в квазиплоскую акустическую волну, с которой и взаимодействует падающий пучок света.
Недостатком устройства является невысокая разрешающая способность и невозможность его использования для исследования акустических микрообъектов из-за применения в устройстве акустооптической ячейки на основе жидкой фотоупругой среды, в которой могут распространяться без значительного затухания только акустические волны с длиной большей характерных размеров исследуемого акустического объекта. Кроме того, применение в устройстве оптической системы формирования падающего на акустооптическую ячейку пучка света не обеспечивающей, в том числе и из-за использования коллиматора на основе сферических линз, равномерной засветки всего окна акустооптической ячейки светом равной максимальной для данного оптического когерентного источника интенсивности, не позволяет получить яркую дифракционную картину с максимальной разрешающей способностью для заданной длины акустической волны.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для визуализации пространственно-неоднородных акустических полей от микрообъектов (Патент РФ №2470268, G01H 9/00). Устройство содержит акустооптическую ячейку Брэгга, образованную двумя последовательно акустически соединенными посредством сопряженных торцевых поверхностей сферической формы одинакового радиуса кристаллическими звукопроводами с отличающимися значениями скорости распространения акустических волн. Устройство также содержит источник когерентного оптического излучения (лазер), предназначенную для формирования падающего на ячейку светового пучка оптическую систему, образованную либо цилиндрической линзой, ось которой перпендикулярна плоскости, образованной продольной осью звукопроводов и направлением излучения лазера, либо дефлектором, плоскость сканирования светового пучка которого совпадает с плоскостью, образованной продольной осью звукопроводов и направлением излучения лазера, оптическую систему обработки дифрагированного пучка света и устройство регистрации изображения объекта.
Несмотря на использование для акустооптического взаимодействия в данном устройстве кристаллической среды с низким коэффициентом затухания упругих волн, у которых длина много меньше характерных размеров исследуемого акустического микрообъекта, это устройство визуализации имеет невысокую разрешающую способность, что обусловлено конструкцией оптической системы формирования падающего на акустооптическую ячейку светового пучка. Кроме того, отсутствие полной засветки падающим оптическим пучком окна акустооптической ячейки в устройстве визуализации данной конструкции не позволяет получить максимальную яркость изображения исследуемого акустического объекта.
Техническая проблема заявляемого изобретения заключается в необходимости получения яркого изображения высокого разрешения при визуализации акустических полей от микрообъектов.
Поставленная проблема решается тем, что в устройстве для визуализации акустических полей от микрообъектов, содержащем акустооптическую ячейку Брэгга, образованную имеющими отличающиеся значения скорости распространения акустических волн двумя звукопроводами, акустически соединенными последовательно посредством сопряженных выпуклой и вогнутой торцевых сферических поверхностей одинакового радиуса, в которой акустический микрообъект находится на плоской торцевой поверхности одного звукопровода, а акустооптическое взаимодействие осуществляется в другом звукопроводе, источник когерентного оптического излучения, оптические системы для формирования падающего на ячейку Брэгга светового пучка и обработки дифрагированного в ячейке светового пучка, а также устройство регистрации изображения объекта, оптическая система формирования падающего на ячейку Брэгга светового пучка содержит две цилиндрические линзы, оси которых перпендикулярны направлению излучения оптического когерентного источника и лежат в плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, причем фокусные расстояния линз и расстояние между ними выбраны так, что линзы формируют коллимированный в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, пучок света шириной, равной размеру оптической грани звукопровода, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, а также содержит третью цилиндрическую линзу с осью, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, фокусное расстояние f которой составляет величину
,
1
2
где d - поперечный размер луча оптического когерентного источника, l - размер звукопровода, на плоской торцевой поверхности которого находится акустический микрообъект, в направлении излучения оптического когерентного источника, R - радиус сферических сопряженных торцевых поверхностей звукопроводов, ν - скорость распространения акустической волны в звукопроводе, на плоской торцевой поверхности которого находится акустический микрообъект, ν - скорость распространения акустической волны в звукопроводе, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие, n - показатель преломления света в этом звукопроводе.
Третья цилиндрическая линза, ось которой перпендикулярна плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, расположена от передней оптической грани звукопровода, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие, на расстоянии L, определяемом выражением
L=f(s±d)/d-l,
где s - размер оптической грани звукопровода, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие, вдоль продольной оси звукопроводов, а знаки «+» или «-» выбираются в случае использования собирающей или рассеивающей линзы соответственно.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - оптическая схема заявляемого устройства визуализации, фиг. 2 - фотография электродов пьезоэлектрического преобразователя, являющегося источником исследуемого акустического поля в примере практической реализации устройства, фиг. 3 - фотография изображения двух элементов преобразователя при оптической апертуре падающего пучка света 0,6 мм, фиг. 4 - фотография изображения двух элементов преобразователя при оптической апертуре падающего пучка света 6 мм.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - акустооптическая ячейка Брэгга, 2 - звукопровод, на плоской торцевой поверхности которого находится акустический объект, 3 - звукопровод, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие, 4 - акустический объект в виде девяти элементов, 5 - сопряженные сферические поверхности звукопроводов, 6 - акустическая поглощающая нагрузка, 7 - источник когерентного оптического излучения, 8, 9 - цилиндрические линзы коллиматора, формирующие ленточный оптический пучок шириной, равной размеру оптической грани звукопровода, в котором происходит акустооптическое взаимодействие в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, 10 - цилиндрическая линза с осью перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, 11 - оптическая система обработки дифрагированного в ячейке светового пучка, 12 - устройство регистрации изображения объекта, 13 - луч оптического когерентного источника, 14 - коллимированный в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, световой пучок, 15 - падающий на акустооптическую ячейку пучок света, 16 - пучок дифрагированного света, 17 - световой пучок, формирующий в устройстве регистрации изображение объекта.
Предлагаемое устройство для визуализации акустических полей от микрообъектов (фиг. 1) включает источник когерентного оптического излучения 7, оптическую систему формирования падающего на ячейку Брэгга светового пучка 15, состоящую из цилиндрических линз 8, 9 и 10, акустооптическую ячейку Брэгга 1, оптическую систему обработки 11 дифрагированного в ячейке светового пучка 16 и устройство регистрации изображения объекта 12. Акустооптическая ячейка Брэгга 1 образована последовательно акустически соединенными звукопроводами 2 и 3 с отличающимися значениями скорости распространения акустических волн в них. На торцевой поверхности звукопровода 3 расположена акустическая поглощающая нагрузка 6, предназначенная для предотвращения отражения акустических волн от торцевой грани звукопровода 3, дифракция света на которых вносит помехи в получаемое изображение акустического объекта 4. Торцевые сопряженные поверхности 5 звукопроводов 2 и 3 имеют сферическую форму одинакового радиуса R. При этом торцевая сферическая поверхность 5 звукопровода 2, на плоской противоположной торцевой поверхности которого расположен акустический объект 4, является вогнутой, а поверхность звукопровода 3, в котором происходит акустооптическое взаимодействие, выпуклой для случая, когда скорость распространения акустической волны в звукопроводе 2 больше скорости распространения акустической волны в звукопроводе 3. Этот случай показан на фиг. 1. Случай, когда скорость распространения акустической волны в звукопроводе 2 меньше скорости распространения акустической волны в звукопроводе 3 и торцевая сферическая поверхность 5 звукопровода 2 является выпуклой, а звукопровода 3 вогнутой, на фиг. 1 не показан. Расстояние от плоской торцевой поверхности звукопровода 2, на которой расположен акустический объект 4, до сферической поверхности 5 сопряжения звукопроводов 2 и 3 равно фокусному расстоянию акустической линзы, образованной сферической поверхностью 5 сопряжения звукопроводов 2 и 3 с отличающимися скоростями упругих волн. Оптическая система формирования падающего на акустооптическую ячейку Брэгга 1 светового пучка 15 включает цилиндрические линзы 8 и 9, расположенные так, что их оси лежат в плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника 7 и продольной осью звукопроводов 2 и 3, а также цилиндрическую линзу 10 с осью, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника 7 и продольной осью звукопроводов 2 и 3. Причем фокусные расстояния линз 8 и 9, а также расстояние между ними выбраны так, что эти линзы формируют коллимированный в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника 7 и продольной осью звукопроводов 2 и 3, пучок света 14 шириной, равной размеру оптической грани звукопровода 3, в направлении, перпендикулярном продольной оси звукопроводов 2 и 3. Фокусное расстояние цилиндрической линзы 10 с осью, перпендикулярной плоскости, образованной продольной осью звукопроводов 2 и 3 и направлением излучения оптического когерентного источника 7, составляет величину
,
1
2
где d - поперечный размер луча 13 оптического когерентного источника 7, l - размер звукопровода 2 в направлении излучения оптического когерентного источника 7, R - радиус сферических сопряженных торцевых поверхностей 5 звукопроводов 2 и 3, ν - скорость распространения акустической волны в звукопроводе 2, ν - скорость распространения акустической волны в звукопроводе 3, n - показатель преломления света в звукопроводе 3. Цилиндрическая линза 10 расположена от передней оптической грани звукопровода 3, на которую падает пучок света 15, на расстоянии L:
L=f(s±d)/d-l,
где s - размер звукопровода 3 вдоль продольной оси звукопроводов 2 и 3. Знак «+» в этом выражении используется при подсчете расстояния L для собирающей цилиндрической линзы 10. Знак «-», если линза 10 - рассеивающая. Оптическая система обработки 11 дифрагированного пучка света 16 в простейшем случае состоит из одной сферической оптической линзы или более сложной системы в виде сферического объектива. Устройство регистрации изображения объекта 12 может быть выполнено в виде экрана или фотоприемника, в качестве которого, например, может быть использована плоская ПЗС матрица, присоединенная к компьютеру, на экране монитора которого можно наблюдать картину исследуемого акустического поля.
Устройство работает следующим образом. Исследуемый акустический объект 4 располагают на плоской торцевой поверхности звукопровода 2. Каждая точка акустического объекта 4 создает в упругой среде звукопровода 2 расходящуюся сферическую акустическую волну, которая, пройдя сферическую границу раздела 5 звукопроводов 2 и 3, преобразуется в квазиплоскую акустическую волну в звукопроводе 3. При этом каждой точке акустического объекта 4 соответствует свое направление распространения квазиплоской акустической волны в обладающем фотоупругими свойствами звукопроводе 3. Узкий световой пучок круглого сечения 13 от оптического когерентного источника 7, пройдя систему двух цилиндрических линз 8 и 9, преобразуется в ленточный коллимированный пучок 14 шириной, равной размеру звукопровода 3, в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной продольной осью звукопроводов 2 и 3 и направлением излучения оптического когерентного источника 7. Затем ленточный пучок 14 попадает на цилиндрическую линзу 10, пройдя которую трансформируется в клиновидный пучок света 15. Установленное согласно формуле изобретения значение фокусного расстояния линзы 10 определяет минимальный угол расхождения лучей в клиновидном пучке 15, при котором обеспечивается выполнение условия Брэгга акустооптического взаимодействия с квазиплоскими акустическими волнами от любой точки акустического объекта 4, расположенного на плоской торцевой поверхности звукопровода 2. При этом яркость пучка дифрагированного света 16, несущего информацию об объекте 4, расположенном в любом месте плоской торцевой поверхности звукопровода 2, оказывается максимально возможной. Выбор оптимального, в соответствии с формулой изобретения, расстояния от линзы 10 до передней оптической грани звукопровода 3, на которую падает пучок света 15, позволяет полностью и в то же время без потерь энергии оптического излучения осветить оптическую апертуру звукопровода 3 и получить максимальную разрешающую способность устройства визуализации. Световой пучок 15, сформированный оптической системой формирования излучения оптического когерентного источника 7, падает на оптическую грань звукопровода 3, в котором происходит акустооптическое взаимодействие светового пучка 15 с квазиплоскими акустическими волнами от акустического объекта 4. В результате акустооптического взаимодействия образуется пучок дифрагированного света 16. Необходимость выполнения условия Брэгга, заключающегося в том, что для осуществления эффективного акустооптического взаимодействия свет должен падать на акустическую волну под определенным углом, зависящим от длины световой и акустической волн, приводит к тому, что каждой квазиплоской акустической волне данной частоты соответствует свой квазиплоский пучок дифрагированного света. Пучок дифрагированного света 16, несущий информацию о каждой точке акустического объекта 4, падает на оптическую систему обработки 11 дифрагированного светового пучка 16 и формирует изображение акустического объекта 4 в устройстве регистрации изображения 12, расположенном в фокальной плоскости сферической линзы системы 11. При этом каждой точке акустического объекта 4 соответствует своя точка изображения. Таким образом, формируется яркое стигматическое изображение объекта 4.
2
3
3
1
3
2
0
3
3
3
3
Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого устройства визуализации акустических полей от микрообъектов был изготовлен макет такого прибора. Акустооптическая ячейка Брэгга образована двумя звукопроводами из сапфира (α-AlO) (звукопровод 2) и ниобата лития (LiNbO) (звукопровод 3) с сопряженными сферическими торцевыми поверхностями, образующими акустическую линзу с фокусным расстоянием 14 мм. Соединение звукопроводов осуществлялось с использованием клея, вносящего малые акустические потери. Роль акустического объекта выполнял планарный пьзоэлектрический преобразователь на основе пьезоактивной пленки оксида цинка, фотография фрагмента которого показана на фиг. 2. Излучающие акустические волны элементы образованы областью перекрытия взаимно перпендикулярных электродов, разделенных пьезоэлектрическим слоем. Частота акустических волн составляла 1,1 ГГц. Излучатели квадратной формы со стороной 70 мкм расположены в два ряда с периодом следования 200 мкм. При подаче на пьезоэлектрический преобразователь электромагнитного СВЧ сигнала мощностью 1 Вт в сапфире возбуждалась продольная упругая волна, имеющая скорость ν=11,3⋅10 м/с. Каждой точке акустического источника, расположенного в фокальной плоскости акустической линзы, в кристалле LiNbO Х-среза соответствовала квазиплоская продольная упругая волна, распространяющаяся со скоростью ν=6,57⋅10 м/с преимущественно в направлении оси X. Направление распространения излучения He-Ne лазера (λ=632,8 нм) составляло угол 36° с осью Y кристалла LiNbO. Угловой спектр дифрагированного в кристалле LiNbO когерентного оптического излучения регистрировался в фокальной плоскости варифокального фурье-преобразующего объектива (тип NATONAL CCTV ZOOM LENS 12.5-75 mm) цифровой системы ввода изображения VS-CTT 075-2000. Полученное изображение фрагмента акустического объекта при оптической апертуре падающего пучка света 0,6 мм, характерной для устройства визуализации, взятого за прототип, показано на фиг. 3. Изображение фрагмента того же акустического объекта при оптической апертуре падающего пучка света 6,0 мм, формируемого в оптической системе заявляемого устройства визуализации, показано на фиг. 4. Сравнительный анализ полученных изображений излучателей показывает существенное повышение разрешающей способности устройства. При этом можно отметить, что на изображении акустических излучателей (фиг. 3 и фиг. 4) видно явное несовпадение размеров квадратного излучателя в продольном и поперечном направлениях. Это характерное свойство изменения пропорции продольных и поперечных размеров в изображении исследуемого объекта связано с геометрией процесса формирования изображения при визуализации акустических полей с помощью заявляемого устройства. Данный эффект рассмотрен в работе авторов заявки (Никишин Е.Л., Павлова М.В., Сучилин А.В. Теоретическая и экспериментальная оценка коэффициента анаморфирования в гибридном акустооптическом устройстве визуализации акустических полей // Актуальные проблемы электроники и приборостроения: Материалы междунар. науч.-тех. конф. Саратов, СГТУ, 2016. - Т.1 - с. 427-431).