ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМОЕ ДИФРАКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRO-DRIVEN DIFFRACTION DEVICE

Изобретение относится к оптотехнике, в частности к оптоэлектронике, акустооптическим и акустоэлектронным устройствам, в том числе микромеханическим и микрооптическим устройствам.
Аналогом предлагаемого устройства является широкоизвестный акустооптический преобразователь [1], используемый для модуляции и сканирования света. Он может представлять собой стержень из прозрачного материала, в котором пьезоэлектрически возбуждают продольную акустическую волну. В стержне возникает пространственная периодическая модуляция показателя преломления вещества, что приводит к дифракции проходящего по стержню света.
Недостатками аналога являются значительные массогабаритные параметры устройств и большое значение потребляемой мощности.
Прототипом предлагаемого изобретения является тонкопленочный микроволновод для модуляции света [2]. Прототип содержит микроволноводы в виде тонкопленочных свободных полосок, закрепленных над подложкой концами, в которых возбуждают упругие изгибные волны.
Однако в публикации [2] о прототипе нет сведений о способе возбуждения упругих волн. Недостатком такого устройства является отсутствие в нем упорядоченной структуры, свойственной дифракционной решетке, и конструктивных элементов, обеспечивающих приемлемую в практических применениях светосилу.
Задачей, решаемой данным изобретением, является преодоление недостатков прототипа, разработка эффективного метода возбуждения упругих волн в акустическом тонкопленочном микромеханическом волноводе, обеспечение возможности возбуждения разных мод колебаний, обеспечение возможности электрического изменения постоянной дифракционной решетки.
Задача решается тем, что в электроуправляемом дифракционном устройстве, содержащим периодический рельеф, который создается упругой изгибной волной в полоске с зеркальной поверхностью, закрепленной концами над подложкой, преобразователь электрического переменного напряжения в упругие волны, подключаемый электродами к источнику переменного напряжения, согласно изобретению один или оба конца полоски соединить с подложкой через пьезопреобразователь и закрепить на подложке массив одинаковых параллельных упомянутых полосок, образующих одномерную матрицу, причем их поверхности должны лежать в одной плоскости.
Предлагается также, что пьезоэлемент преобразователя поляризован перпендикулярно поверхностям электродов, а его толщина не более четверти длины упругой волны в пьезоэлементе.
Предлагается также, что упомянутые пьезопреобразователи на противоположных концах полосок подсоединены к двум разным источникам переменного напряжения, причем упомянутые источники имеют возможность перестройки фазы выходного напряжения.
Предлагается, что упомянутый пьезоэлемент состоит из двух частей, расположенных по разным сторонам продольной плоскости симметрии полоски, причем направления поляризации этих частей противоположны.
Новым является предложение, чтобы один или оба конца полоски соединить с подложкой через пьезопреобразователь и закрепить на подложке массив одинаковых параллельных упомянутых полосок, образующих одномерную матрицу, причем их поверхности должны лежать в одной плоскости.
Новым является предложение, чтобы пьезоэлемент преобразователя был поляризован перпендикулярно поверхностям электродов, а его толщина была не более четверти длины упругой волны в пьезоэлементе.
Новым является предложение, чтобы упомянутые пьезопреобразователи на противоположных концах полосок были подсоединены к двум разным источникам переменного напряжения, причем упомянутые источники имеют возможность перестройки фазы выходного напряжения.
Новым является предложение, чтобы упомянутый пьезоэлемент состоял из двух частей, расположенных по разным сторонам продольной плоскости симметрии полоски, причем направления поляризации этих частей были противоположны.
1~
2~
~
На фиг.1 в качестве примера показано устройство по п.1 формулы изобретения, на фиг.2 - вид со стороны торца на одиночную полоску, соединенную с подложкой пьезопреобразователем, на фиг.3 - вид со стороны торца на одиночную полоску, соединенную с подложкой пьезопреобразователя, состоящего из двух частей. Обозначения на чертежах: 1 - полоска с зеркальной поверхностью, 2 - конец полоски, закрепленный на пластине 3 через пьезопреобразователь, который включает в себя пьезоэлемент 4 и электроды 5 и 6 со стороны одного конца полоски и электроды 7 и 8 - со стороны другого. Электроды 5 и 6 подсоединены электрически к источнику переменного напряжения U, электроды 7 и 8 подсоединены к источнику переменного напряжения U. На фиг.2 и 3 стрелками показаны направления поляризации пьезоэлемента. На фиг.3 пьезоэлемент состоит из частей 9 и 10, имеющих встречные направления поляризаций. На фиг.1: l - толщина пьезоэлемента 4, Δl - знакопеременное изменение толщины пьезоэлемента при включении напряжения U.
1~
Функционирует устройство следующим образом. При включении переменного напряжения U пьезоэлемент (фиг.1) периодически изменяет свою толщину с частотой напряжения, изменяется расположение в пространстве конца полоски, закрепленной на элементе. В полоске возбуждается бегущая упругая волна, направление которой показано горизонтальной стрелкой. Амплитуда колебаний в волне примерно равна Δl, круговая частота ω равна частоте переменного напряжения, длина волны в полоске определяется выражением
в
где с - скорость волны в полоске.
Если не учитывать резонансные явления, то амплитуду волны можно определить выражением
33
0
где d - пьезомодуль материала пьезоэлемента, Е - амплитудное значение напряженности электрического поля в пьезоэлементе, U - амплитуда переменного напряжения. Примем: l=200 мкм,  (пьезополимер пористый полипропилен), ; получим Δl=0.18 мкм. Такое значение амплитуды обеспечит эффективное применение устройства во многих приложениях. Граничную частоту работы устройства можно найти из условия, что по толщине пьезоэлемента должно расположиться не более четверти продольной длины волны в его материале
р
где с - скорость звука в пьезополимере. Обычное значение для полимеров скорости звука
,
получим:
0
6
-5
f=2.5·10 Гц и Λ=4·10 м (при достижимом значении
).
При включении напряжения между электродами пьезоэлемента на фиг.3 в полоске возбуждается крутильная упругая волна. В первом приближении амплитуду угла кручения можно рассчитать по формуле
где а - ширина полоски. Считая а=50 мкм, получим: α=±7.2мрад=±0.4°.
2~
Если бегущая волна отразится от второго конца полоски, то упорядоченная картина рельефа изгибной волны нарушится. Чтобы уменьшить амплитуду отраженной волны, необходимо подать на электроды 7 и 8 пьезоэлементов переменное напряжение U с такой амплитудой и фазой, при которых пьезопреобразователь возбудит в полоске упругую волну, равную по амплитуде пришедшей и противоположную ей по фазе. В результате интерференции волн они погасят друг друга, и в полосках реализуется режим бегущих волн. Возможно и такое включение указанных напряжений, при которых в полоске возбудится стоячая волна, амплитуда которой, как известно, в 4 раза больше амплитуды бегущей при равенстве интенсивностей волн.
Режим бегущей волны дает возможность плавного изменения ее длины в полоске путем непрерывного и плавного изменения частоты переменного напряжения, то есть плавного электроуправляемого изменения постоянной дифракционной решетки, функцию которой выполняет данное устройство. Возможности плавной перестройки частоты способствует также пьезовозбуждение упругой волны непосредственно на конце полоски, так как благодаря этому не возникают резонансные эффекты при передаче мощности колебаний от источника переменного напряжения к упругой волне во всем диапазоне частот от нуля до той, при которой в пьезоэлементе не возникнет режим стоячей волны, то есть пока по толщине пьезоэлемента не станет укладываться четверть длины волны. Перечисленные в этом абзаце факторы обеспечат устройству возможность плавной и широкодиапазонной длины волны дифрагировавшего света.
Рельеф, возникающий на полоске при появлении бегущей изгибной волны, является синусоидальным. Дифракция света на синусоидальном рельефе имеет своеобразный характер. При нормальном падении света на такой рельеф в дифракционной картине наблюдаются только два дифракционных максимума - +1 и -1, что упрощает использование подобной дифракционной решетки в качестве монохроматора - отсутствуют обычно имеющие место наложения различных спектральных порядков.
Крутильная волна дает в матрице полосок своеобразную картину рельефа, которая также является периодической и дифракционно-активной. Особенностью полосок с крутильной модой является возможность получения малых скоростей упругих волн при большей механической жесткости и прочности полосок.
Использование массива отдельных сравнительно узких полосок для увеличения светосилы дифракционной решетки вместо, например, одной широкой полоски диктуется тем, что при изменении температуры эксплуатации вследствие различных термических расширений полосок и подложки возникает поперечное коробление поверхностей полосок, приводящее к нарушению их плоскостности и ухудшению дифракционных качеств устройства. Этот эффект не возникает в продольном направлении полосок, так как существуют возможности по поддержанию натяга полосок постоянным.
Результаты анализа и расчетов, таким образом, подтверждают решение задач, поставленных при создании изобретения.
Для изготовления устройства могут быть, например, применены следующие материалы: подложка - стеклянная, полоска - металлическая, из тантала или титана, электроды - из алюминия, пьезоэлемент - из пьезокерамики или пьезополимера. Изготовление устройства может быть проведено методами, используемыми в технологии микросхем и в технологии микромеханических устройств.
Устройство может найти применение, например, в микромеханических акустооптических устройствах оптической обработки информации, в различных измерительных преобразователях.
Источники информации
1. Физическая энциклопедия. / Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Сов. энциклопедия. T.1. 1988.
2. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Использование упругих волн в тонкопленочных микроволноводах для модуляции света. // Междунар. конф. "Прикладная оптика-96" (17-20 сент. 1996 г., Россия, Санкт-Петербург): Тез. докл. - СПб.: ГОИ, 1996. - С.246.