АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СВЧ ДЕФЛЕКТОР

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам управления параметрами лазерного излучения на основе объемных акустических волн и может быть использована в СВЧ измерителях радиотехнического назначения, а именно в акустооптических анализаторах спектра, в частотомерах, в демодуляторах частотомодулированных и фазомодулированных сигналов, а также в системах радиосвязи и радиолокации.
4
Известен акустооптический дефлектор (АОД) [Бондаренко B.C., Зоренко В.П., Чкалова В.В. Акустооптические модуляторы света. - М.: Радио и связь. - 1988.-136 с.] со звукопроводом в виде параллелепипеда на основе повеллита (молибдата кальция СаМоO), протяженная грань которого вырезана вдоль кристаллографического направления Z, а две другие грани ориентированы вдоль направлений Х и Y, причем свет в звукопроводе распространяется вдоль оси X, а звук вдоль оси Z, который, в свою очередь, возбуждается пленочным пьезопреобразователем путем подачи на него через коаксиальный СВЧ разъем и микрополосковую согласующую цепь возбуждающего СВЧ сигнала.
В данном аналоге пленочный пьезопреобразователь со звукопроводом согласуется акустически путем помещения между ними одного или нескольких металлических слоев, а с коаксиальным СВЧ трактом он же согласуется электрически с помощью микрополосковой цепи, расположенной вне звукопровода на отдельной плате. Именно возможность согласования пьезопреобразователя с СВЧ трактом в конечной полосе частот и ограничивает в целом полосу рабочих частот дефлектора.
Признаками, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются: звукопровод дефлектора выполнен в виде параллелепипеда, гранями, ориентированными вдоль кристаллографических осей X, Y, Z, звук в котором распространяется вдоль одной из осей, а свет распространяется ей перпендикулярно, причем звук возбуждается с помощью пьезопреобразователя путем подачи на него через коаксиальный СВЧ разъем возбуждающего СВЧ сигнала.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является, с одной стороны, конструктивная сложность, обусловленная тем, что согласующая цепь располагается на отдельной микрополосковой плате, а, с другой стороны, малая полоса рабочих частот, которая ограничивается условиями согласования пленочного пьезопреобразователя с коаксиальным СВЧ трактом.
Известен акустооптический дефлектор [Янг Э.Х., Яо Шикай. Расчет акустооптических устройств//ТИИЭР. - 1981. - т.69. - №1. - с.62-74.], который в своем составе содержит следующие основные элементы: акустооптическую среду (пьезокристалл), нижний электрод и металлические слои, пьезоэлектрический слои, верхний металлический электрод с его активной частью. Металлические слои обеспечивают акустическое согласование пьезоэлектрического слоя (преобразователя) с акустооптической средой, а электрическое согласование преобразователя с СВЧ трактом осуществляется с помощью согласующей цепи на полосковых линиях; эта цепь состоит из входного коаксиального СВЧ разъема и системы микрополосковых линий с низким и высоким импедансом. Лазерное излучение подается на одну из граней пьезокристалла под углом Брэгга, а дифрагирует через его противоположную грань.
Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с признаками заявляемого акустооптического дефлектора, являются: на акустооптическую среду, представляющую собой оптически прозрачный кристалл с расположенным на ее верхней грани пьезоэлектрическим преобразователем, возбуждающий электрический сигнал подается через СВЧ цепь, причем модулируемое лазерное излучение подается на одну из рабочих граней под углом Брэгга, а дифрагирует через противоположную грань кристалла.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является необходимость в данном аналоге согласования преобразователя как «по звуку», так и «по СВЧ», в результате чего нет возможности получить полосу рабочих частот АОД, достаточной для использования его в панорамных акустооптических измерителях радиосигналов. Конструктивно упомянутая необходимость выражается в наличии между преобразователем и акустической средой дополнительных металлических слоев субмикронной толщины, а между преобразователем и коаксиальным СВЧ разъемом системы микрополосковых линий с низким и высоким импедансом.
3
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический дефлектор на основе ниобата лития LiNbO, работающий в режиме дифракции Брэгга [Краковский В.А. Изв. ВУЗов, Физика ТГУ. - 1997. - т.40. - №5.- с.27-34.].
Устройство прототипа изображено на фиг.1, где позиции на чертеже обозначают: 1 - корпус, 2 - коаксиальный СВЧ разъем, 3 -пьезопреобразователь, 4 - плата с согласующей цепью, 5 - светозвукопровод; 6 - модулируемое лазерное излучение, 7 - первая рабочая грань, 8 - вторая рабочая грань.
3
Устройство-прототип в своем составе содержит металлический корпус 1 с коаксиальным СВЧ разъемом 2, внутрь которого помещена цепь согласования 4 и светозвукопровод 5, выполненный из пьезокристалла ниобата лития (LiNbO) (Х(Z-α))-среза в виде призмы, на верхнюю грань (X(Y-α)) которой нанесен пьезопреобразователь 3 в виде двухэлектродной щелевой линии, возбуждающей за счет обратного пьезоэффекта с поверхности ниобата лития объемные акустические волны, на которые под углом Брэгга подается модулируемое лазерное излучение 6 через первую ((Z-α)Х) рабочую грань 7, а дифрагирует через противолежащую первой вторую рабочую грань светозвукопровода 8.
3
Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым устройством, являются следующие: акустооптический СВЧ дефлектор, в своем составе содерит металлический корпус с коаксиальным СВЧ разъемом, внутрь которого помещен светозвукопровод, выполненный из пьезокристалла ниобата лития (LiNbO) (Х(Z-α))-среза в виде призмы, на верхнюю грань (X(Y-a)) которой нанесен пьезопреобразователь в виде двухэлектродной щелевой линии, модулируемое лазерное излучение подается на первую ((Z-α)X) рабочую грань под углом Брэгга, а дифрагирует через противолежащую первой вторую рабочую грань светозвукопровода.
Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является величина полосы рабочих частот, недостаточная для использования АОД в составе панорамных акустооптических измерителей параметров радиосигналов, ограничиваемая, помимо селективности процесса АО взаимодействия, величиной полосы пропускания его согласующей цепи.
Задачей, на решение которой направлено предполагаемая полезная модель, является увеличение полосы рабочих частот акустооптического СВЧ дефлектора.
Заявляемый технический результат в предполагаемой полезной модели достигается за счет того, что на выход двухэлектродной щелевой линии пьезопреобразователя, первым электродом которой является заземленная металлизированная поверхность, окаймляющая верхнюю грань светозвукопровода, а сигнальный ее электрод выполнен в виде металлического полоска, нанесенного перпендикулярно оси Х светозвукопровода, сигнал на который подается с внутренней жилы коаксиального СВЧ разъема, включенного перпендикулярно сигнальному электроду, включена согласованная нагрузка, волновое сопротивление которой равно волновому сопротивлению подводящего СВЧ тракта.
3
Для достижения технического результата в акустооптическом СВЧ дефлекторе, в своем составе содержащем металлический корпус с коаксиальным СВЧ разъемом, внутрь которого помещен светозвукопровод, выполненный из пьезокристалла ниобата лития (LiNbO) (X(Z-α))-cpeзa в виде призмы, на верхнюю грань (X(Y-α)) которой нанесен пьезопреобразователь в виде двухэлектродной щелевой линии, модулируемое лазерное излучение подается на первую ((Z-α)X) рабочую грань под углом Брэгга, а дифрагирует через противолежащую первой вторую рабочую грань светозвукопровода, на выход двухэлектродной щелевой линии пьезопреобразователя, первым электродом которой является заземленная металлизированная поверхность, окаймляющая верхнюю грань светозвукопровода, а сигнальный ее электрод выполнен в виде металлического полоска, нанесенного перпендикулярно оси Х светозвукопровода, сигнал на который подается с внутренней жилы коаксиального СВЧ разъема, включенного перпендикулярно сигнальному электроду, включена согласованная нагрузка, волновое сопротивление которой равно волновому сопротивлению подводящего СВЧ тракта.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, также видно, что оно соответствует критерию «существенные отличия», поскольку в аналогах не обнаружены заявляемые новые признаки.
Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и техническим результатом рассмотрим принцип работы предлагаемого АОД и сопоставим его с работой прототипа и аналогов.
Сущность и работа предполагаемой полезной модели поясняется фиг.2, где позиции на чертеже обозначают: 1 - корпус; 2 - коаксиальный СВЧ разъем; 3 - светозвукопровод; 4 - пьезопреобразователь; 5 - модулируемое лазерное излучение; 6 - первая рабочая грань; 7 - вторая рабочая грань; 8 - заземленный электрод; 9 - сигнальный электрод; 10 - внутренняя жила коаксиального СВЧ разъема; 11 - согласованная нагрузка.
3
3
Работа заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический результат заключается в следующем (фиг.2). Управляющий СВЧ сигнал подается через закрепленный в корпусе 1 коаксиальный СВЧ разъем 2 на вход поверхностного пьезопреобразователя 4, выполненного в виде двухэлектродной щелевой линии, первый электрод 8 которой образован заземленной металлизированной поверхностью, окаймляющей верхнюю грань светозвукопровода 3, а второй электрод 9, который и является сигнальным, выполнен в виде металлического полоска, нанесенного перпендикулярно кристаллографической оси Х светозвукопровода 3, к которому СВЧ сигнал подается с включенной перпендикулярно полоску внутренней жилы 10 коаксиального СВЧ разъема 2. Пьезопреобразователь 4 нанесен на верхнюю грань светозвукопровода 3, выполненого в виде призмы из пьезокристалла ниобата лития (LiNbO) (Х(Z-α))-среза, с поверхности которого возбуждаются за счет обратного пьезоэффекта объемные ультразвуковые волны, распространяющиеся вдоль кристаллографической оси Z-α ниобата лития (LiNbO), на которые через первую рабочую грань (X(Z-α)) 7 под углом Брэгга подается модулируемое лазерное излучение 5, которое дифрагирует через противолежащую первой вторую рабочую грань 8 светозвукопровода 3. На выходе щелевой линии пьезопреобразователя 4 включена согласованная нагрузка 11, сопротивление которой равно волновому сопротивлению подводящего СВЧ тракта, позволяющая согласовать Пьезопреобразователь по СВЧ во всем рабочем диапазоне с подводящим СВЧ трактом. Геометрические размеры щелевой линии выбираются из условия реализации его волнового сопротивления равным волновому сопротивлению подводящего СВЧ тракта. Центральная частота диапазона рабочих частот будет задаваться углом а, а полоса рабочих частот будет задаваться лишь длиной акустооптического взаимодействия, т.е. длиной L щелевой линии пьезопреобразователя 4, и на ее величину не влияет степень согласования пьезопреобразователя с подводящим СВЧ трактом.
3
Б,В
Б,B
3
+
Предлагаемый АОД может быть реализован на основе пьезокристалла ниобата лития (LiNbO) (Х(Z-α))-среза; диапазон рабочих частот АОД будет задаваться значением угла α. Пьезокристалл должен быть вырезан в виде призмы, оптические требования к граням которой должны задаваться в соответствии с требованиями, приведенными в статье [Роздобудько В.В., Бакарюк Т.В. Акустооптический дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука// ПТЭ. 2003. №1. С.74.], при этом две рабочие грани могут быть просветлены для заданной длины волны света, например, с требованиями (⊗ В.008, ρ ≤0,01, по ОСТ 3-1901-95 для λ=0,659 мкм). Жестких требований к точности ориентации осей и направлений в призме из ниобата лития (LiNbO) - не предъявляется.
Не предъявляется также жестких требований к технологии изготовления металлического корпуса АОД. Однако следует иметь в виду, что, вследствие концентрации электрического поля вблизи поверхности щелевой линии, верхняя часть металлического корпуса АОД должна отстоять от нее на расстоянии большем, чем расстояние 2 (b-a) (см. фиг.2).
Для изготовления поверхностного пьезопреобразователя в виде отрезка щелевой линии может быть использована широко применяемая на практике технология изготовления устройств на поверхностных акустических волнах (Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. -М.: Радио и связь.- 1984.-272 с.). Также могут быть использованы методы фотолитографии, которые применяются в полупроводниковой промышленности. Выбор размеров а и b щелевого волновода должен осуществляться, в том числе с учетом размеров апертуры лазерного источника света. Что касается согласованной нагрузки, которой «заканчивается» щелевая линия, то она может быть выполнена по типу нагрузок в микрополосковой СВЧ технике [Микрополосковые устройства СВЧ. Под ред. Г.И. Веселова. - М.: «Высшая школа». - 1988.-280 с.].
Технико-экономические преимущества заявляемого устройства в сопоставлении с аналогами и прототипом заключаются в возможности получения расширенных полос пропускания; в заявляемом АОД реальны полосы рабочих частот равные (1-2) ГГц, тогда как в известных устройствах она не превышает (0,5-1,5) ГГц [см. www.brimrose.com]. В зависимости от соотношений между параметрами АОД его стоимость может составлять (5000-10000) долларов США, в то время как стоимость заявляемой полезной модели не превышает (1000-2000) долларов США [см. www.brimrose.com].
Нельзя также не отметить, что в заявляемом АОД на основе анизотропной дифракции поляризация дифрагированного света ортогональна поляризации падающего, что обеспечивает дополнительные технические преимущества в части увеличения чувствительности акустооптических измерителей, в которых предполагается использовать заявляемый АОД.