КОЛЛИНЕАРНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР
COLLINEAR ACOUSTOOPTICAL FILTER

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к оптическим системам и приборам, и предназначено для выделения узкого спектрального участка оптического излучения с электронной перестройкой основной длины волны.
Для обеспечения узости интервала пропускания целесообразно обращение к коллинеарной анизотропной дифракции света на ультразвуке, когда волновые вектора оптических и акустической волн параллельны или антипараллельны. Однако обеспечить подобное коллинеарное акустооптическое взаимодействие в техническом плане довольно непросто, т.к. пьезопреобразователь, возбуждающий ультразвуковую волну, будучи размещенным на пути падающего светового луча, затеняет область взаимодействия и затрудняет необходимый ввод света.
Известна схема фильтра, состоящего из звукопровода в форме прямоугольной трапециевидной призмы и пьезопреобразователя. Акустооптическое коллинеарное взаимодействие в указанном фильтре реализуется вдоль у-оси кристалла ниобата лития в форме [1]. Свет под углом Брюстера проникает в кристалл через одну из граней анизотропной призмы и, отразившись сначала от противоположной параллельной исходной грани, а потом от боковой скошенной грани, распространяется вдоль у-оси кристалла. Ультразвук возбуждается пьезопреобразователем продольных волн, размещенным на большей из двух параллельных граней. Отразившись от скошенной грани, продольная волна трансформируется в поперечную, которая далее распространяется вдоль у-оси кристалла.
К недостаткам такой конструкции можно отнести: во-первых, нежелательный энергетический снос ультразвука вдоль выбранного направления кристалла ниобата лития из-за наличия анизотропии акустических волн, заключающейся в неколлинеарности волнового и энергетического векторов акустического сигнала, что неизбежно приводит к уменьшению области акустооптического взаимодействия и, как следствие, - к снижению эффективности дифракции; во-вторых, эффективная работа фильтра возможна с использованием падающего света только одной поляризации. Наконец, к последнему недостатку можно отнести тот факт, что дифракция света происходит не только на попутной свету ультразвуковой волне, но и еще на отраженном от выходной грани акустическом пучке. Последнее ведет к появлению дополнительных нежелательных (паразитных) окон пропускания АОФ.
Известна схема фильтра, состоящего из пьезопреобразователя и звукопровода, выполненного на основе кристалла кварца [2].
В приведенной схеме трансформированный из продольного в поперечный ультразвуковой пучок после прохождения области акустооптического взаимодействия отражается в сторону противоположной скошенной гранью.
К преимуществу такого АОФ по сравнению с предыдущим можно отнести то, что дифракции света на стоячей акустической волне не возникает, но по-прежнему остается недостаток наличия акустической анизотропии пучка ультразвука. Кроме того, эффективность дифракции в кварце ниже, чем, скажем, в кристалле ниобата лития. Поэтому для обеспечения одинаковой узости полосы пропускания фильтра на основе кварца по сравнению с ниобатом лития габариты рассматриваемого прибора должны превосходить в несколько раз размеры последнего.
Известен фильтр, состоящий также из звукопровода, пьезопреобразователя и поляризатора, в котором падающий обыкновенно-поляризованный свет дифрагирует на встречной продольно-поляризованной акустической волне в необыкновенную волну [3]. Последняя выводится из области акустооптического взаимодействия, благодаря энергетическому сносу дифрагированного необыкновенного света. Несмотря на небольшой угол между волновым и энергетическим вектором необыкновенно-поляризованной оптической волны, возможен случай выделения дифрагированного излучения из исходного без применения анализатора, при подходящем выборе образца кристалла, его ориентации, а также апертур светового и звукового пучков.
Несмотря на то, что в рассмотренном АОФ исключен недостаток снижения эффективности дифракции по причине наличия акустической анизотропии, по-прежнему остается нежелательный факт дифракции света на отраженном от входной грани акустическом пучке.
В качестве прототипа настоящего изобретения может послужить коллинеарный акустооптический фильтр на кристалле, форма которого представляет собой усеченный клин [4]. На поверхности кристалла нанесены тонкопленочные зеркала. Фильтр содержит также входной поляризатор и выходной анализатор. Пьезопреобразователь расположен на одной из граней клина. Акустический пучок вводится в пространство взаимодействия через одну из граней кристалла, и, отразившись от противоположной поверхности, имеющей небольшой скос по сравнению с первой, ультразвук возвращается к исходной грани под некоторым углом, после достижения которой снова отражается и т.д. Траектория распространения пучка ультразвука представляет собой ломаную линию. Вдоль этой линии и направляется свет, который проникает в акустооптическую среду через скошенную грань кристалла в месте первого отражения ультразвука. Дальнейшее отражение света от граней кристалла осуществляется благодаря тонкопленочным зеркалам, нанесенным на внешних поверхностях кристалла.
Подобная конструкция устраняет выше оговоренные недостатки работы фильтра: снижение эффективности акустооптического взаимодействия по причине наличия акустической анизотропии и дифракцию света на встречном акустическом пучке. Однако предложенный вариант накладывает исключительные требования к выбору материала кристалла, к его срезу, к подходящему углу между отражающими гранями, чтобы обеспечить на всех отрезках ломаной линии, вдоль которых происходит дифракция, высокие величины эффективных упругооптических коэффициентов, одинаковых направлений волновых векторов необыкновенной и обыкновенной, а также акустической волн, нулевых энергетических сносов, как для света, так и для ультразвука.
Задачей изобретения является создание конструкции АОФ, при которой дифракция света происходит только на определенном одном отрезке бегущего пучка ультразвука с наибольшим возможным перекрытием световой и акустической волн, что позволяет обеспечить высокую точность спектральных измерений, расширить функциональные возможности при проведении измерений и обеспечить высокую надежность к внешним физическим воздействиям.
Технический эффект, который может быть получен при осуществлении изобретения: сужение полосы пропускания, уменьшение габаритов прибора, обеспечение высокой интенсивности дифрагированного светового пучка.
Для достижения поставленной задачи и технического эффекта в коллинеарном акустооптическом фильтре, содержащем звукопровод из анизотропного кристалла, пьезопреобразователь, входной поляризатор и выходной анализатор, в качестве звукопровода выбран анизотропный кристалл в форме призмы, протяженной вдоль кристаллографической оси х, грань кристалла с пьезопреобразователем выполнена со скосом в плоскости ху в сторону положительной оси у, в два раза превышающим скос противоположной ей грани, отражающей ультразвук, скошенной в ту же сторону, причем величина углов скосов граней определена из условия обеспечения отражения ультразвука с последующим распространением вдоль оси х, совпадающей с направлением распространения светового луча, вводимого через одну или другую скошенные грани кристалла.
На чертеже приведен общий вид предлагаемого устройства. Коллинеарный акустооптический фильтр состоит из звукопровода (1), выполненного в виде призмы, протяженной вдоль кристаллографической оси х, пьезопреобразователя (2), расположенного на грани звукопровода (1), скошенной под углом α к оси х в плоскости ху в сторону положительной оси у. Противоположная ей грань, отражающая ультразвук, имеет аналогичный скос под углом, равным α/2. На чертеже обозначены: поз.(3) - ультразвук, который распространяется к торцевой грани, скос которой выполнен под углом, равным α/2, отраженный от этой грани ультразвук обозначен позицией (4), распространяется вдоль оси х кристалла. Поз.(5) обозначен преломленный взаимодействующий световой луч, поз.(6) - входной световой луч, а поз.(7) - дифрагированный луч. Устройство также содержит входной поляризатор (8), выходной анализатор (9), расположенный на оптическом выходе устройства.
Работа устройства осуществляется по следующей схеме: возбуждаемый пьезопреобразователем (2) ультразвук (3) около одной скошенной грани кристалла распространяется к противоположной грани. Отразившись от последней и распространяясь вдоль оси х, ультразвук (4) вступает в дифракцию со световым лучом (5) вводимого в пространство взаимодействия через одну или другую скошенные грани звукопровода. Дифрагированный свет отделяется от остального с помощью анализатора (9).
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №805240, G02F 1/11, опубл. в 1981 г.
2. Патент РФ №2092797 С1, опубл. в 1997 г.
3. Авторское свидетельство СССР №549773, G02F 1/11, G01J 3/18, G02В 5/30, опубл. в 1977 г.
4. Авторское свидетельство СССР №530303, G02F 1/11, опубл. в 1976 г.