ГЕНЕРАТОР С ЛАЗЕРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
OSCILLATOR WITH LASER EXCITATION OF QUARTZ RESONATOR

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в устройствах стабилизации частоты.
Известен способ лазерного возбуждения кварцевого резонатора (ЛВКР) [1, 2], в котором с помощью луча гелий-неонового лазера, направляемого на поверхность пьезоэлемента, с нанесенными электродами, возбуждают электрические колебания, равные частоте собственных колебаний КР. При этом на пути следования лазерного луча между лазером и кварцевым пьезоэлементом (КП) располагают акустооптический модулятор, на который подают модулирующее напряжение, кратное гармонике частоты КР, и напряжение частотой 70 МГц. Теплоотвод возникающего неконтролируемого тепла в КП обеспечивают за счет отражения части немодулированного луча от его поверхности и подачи на фотоприемник, а максимум модулированного луча лазера направляют на периферию КП, что позволяет реализовать способ возбуждения наиболее оптимально.
Однако данный способ возбуждения не позволяет в полной мере реализовать генератор с лазерным возбуждением кварцевого резонатора ЛВКР из-за ряда принципиальных недостатков.
К ним относят: 1. Сложность конструктивно-технологического исполнения акустооптического модулятора, требующего дополнительной модуляции от внешнего независимого генератора 70 МГц, что усложняет систему синхронизации его по цепи обратной связи. 2. Значительная неконтролируемая часть тепла за счет фонон-фононного преобразования энергии лазерного луча, вызывающей дрейф стабилизируемой частоты, а при больших мощностях может возникнуть двойникование пьезоэлемента и испарение металлизации с его поверхности. 3. Возрастание уровня шумов на модах кварцевого резонатора из-за неконтролируемой локальной мощности разогрева КП.
В результате такой способ оказался наиболее пригоден только для измерения характеристик пьезоактивности различных КП.
Наиболее близким к заявляемому следует назвать генератор с лазерным возбуждением кварцевого резонатора ЛВКР [3], у которого в вакуумированном стеклянном баллоне размещен КП с электродным покрытием, ударно возбуждаемый лучом гелий-неонового лазера, при этом на пути следования лазерного луча между лазером и КП располагают фокусирующую систему с оптическим модулятором, размещаемых вне стеклянного баллона, прозрачного для данной генерируемой лазером длины волны, с последующим освещением металлизированного пятна, напыляемого на поверхность КП КР, а получаемые собственные колебания КР, снимаемые с электродов КП, подают на усилитель и по цепи обратной связи они вновь поступают на модулятор луча гелий-неонового лазера, что обеспечивает генерирование колебаний, стабилизируемых КР.
Однако данный генератор с ЛВКР не свободен от недостатков, которые присущи как аналогам, так и прототипу.
К ним относят: 1. Сложность конструктивно-технологического исполнения оптического модулятора при серийном изготовлении таких генераторов. 2. Неконтролируемая часть тепла в стеклянном баллоне кварцевого резонатора за счет фонон-фононного преобразования энергии лазерного луча вызывает значительный температурно-динамический коэффициент нестабильности частоты (ТДКЧ), а также температурную нестабильность частоты генератора в целом, значительное время установления частоты с момента включения. 3. Возрастает долговременная нестабильность частоты генератора, вызванная эффектом релаксации электродного пленочного покрытия КП. 4. Низкий коэффициент использования тепловой мощности, рассеиваемой на лазере, т.к. он расположен вне баллона КР.
Цель, на которую направлено данное изобретение, состоит в решении задачи и создании генератора с ЛВКР, лишенного недостатков, свойственных прототипу. Технический результат, который дает осуществление изобретения, состоит в уменьшении долговременной нестабильности частоты за счет отсутствия электродного покрытия на поверхности КП, снижении температурного динамического коэффициента частоты (ТДКЧ) за счет коррекции частоты стабилизируемых колебаний путем напыления на периферии КП двух ВШП, один из которых размещен в области лепестка крепления КП, а второй ВШП расположен относительно первого под углом 90°, а также в уменьшении времени выхода на рабочий режим генератора за счет размещения лазерного диода (ЛД) и управления его световым потоком внутри баллона КР, повышении температурной стабильности частоты генератора за счет исполнения КП двухчастотным и расположения на его периферии нормально к первому или второму ВШП, третьего ВШП, настроенного на частоту температурной моды колебаний, подаваемой на схему регулирования температуры КП и в баллоне КР путем управления по цепи обратной связи интенсивностью излучения ЛД, а уменьшение энергии, рассеиваемой в окружающую внешнюю среду, достигается за счет покрытия внутренней поверхности баллона КР зеркальной пленкой металла и размещения конструкции КП - ЛД на опорном основании с высоким тепловым сопротивлением.
Эта цель достигается тем, что для повышения долговременной и температурной стабильностей частоты, уменьшения ТДКЧ в него введены ЛД, генератор температурной моды колебаний (ГТМК), схема температурной компенсации ТДКЧ, микропроцессор цифровой температурной стабилизации (МПЦТС), электронный модулятор лазерного диода (ЭМЛД), компаратор напряжения, усилитель тока, генератор сигнала стабилизируемой частоты (ГСЧ), мультивибратор, а на свободную поверхность КП нанесены три ВШП, с обратной стороны которого в его центральной части нанесено металлизированное покрытие диаметром около 1,5 мм, причем первый ВШП расположен рядом с контактным лепестком держателя КП, а второй ВШП расположен к нему под углом 90°, третий ВШП расположен встречно к второму, при этом первый и второй ВШП подсоединены соответственно к первому и второму усилителям схемы компенсации ТДКЧ, выходы которых подключены к входам фазового детектора (ФД), а сигнал с выхода ФД поступает на вход третьего усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора напряжения, к второму входу которого подключен выход МПЦТС, выход компаратора напряжения подключен к входу усилителя тока, выход которого подсоединен к первому ЭМЛД, к второму входу которого подсоединен выход мультивибратора, а к выходу ЭМЛД подсоединен анод ЛД, катод которого соединен с корпусом, при этом на вход ГСЧ поступают избирательно колебания с первого ВШП, с выхода которого они подаются на вход мультивибратора и второй вход МПЦТС, а на первый вход МПЦТС поступают колебания с выхода ГТМК, на вход которого подаются избирательно колебания с третьего ВШП, причем ЛД совместно с контактными лепестками, удерживающими КП и фокусирующую линзу, закреплены на металлической пластине, которая удерживается металлическими стержнями, проходящими через диэлектрические изоляторы металлического опорного кольца, при этом КП выполнен двухчастотным и расположен нормально к лучу ЛД, а фокусирующая линза закреплена между выходом луча ЛД и металлизированным покрытием на поверхности КП.
Новым в изобретении является конструкция нагревателя и возбуждающего устройства, объединенных в лазерном диоде, выполнение двухчастотного кварцевого пьезоэлемента без электродного покрытия. Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных технологических и схемотехнических признаков.
Чертежи, на которых изображено:
- на фиг.1 - конструкция резонатора (без внутренних соединений) и структурная схема генератора;
- на фиг.2 - вид на конструкцию линзового кварцевого пьезоэлемента - лазерного диода (увеличено);
- на фиг.3 - вид А на конструкцию (без корпуса) сверху для линзового кварцевого пьезоэлемента со встречно-штыревыми преобразователями.
Генератор (фиг.1-3) содержит вакуумированный корпус 1, в котором закреплено основание 2 с размещенным на нем ЛД 3 с выводами 9 и горизонтально закрепленной линзой 10 на пути лазерного луча 11, установленными на металлической пластине 4, и контактными лепестками 5, в которых установлен КП 6 с нанесенными на его поверхность ВШП 7.1, 7.2, 7.3. Основание 2 выполнено в виде металлического опорного кольца с расположенными на нем местами крепления в вакуумированном корпусе 1. Места крепления опорного металлического кольца в корпусе и места крепления металлической пластины 4 на опорном кольце выполнены в виде диэлектрических (например, стеклянных) изоляторов, в которых размещены металлические стержни. Вакуумированный корпус 1 снабжен металлизацией внутренней поверхности 8. Выводы ВШП 7.3 подсоединяются к ГТМК 13, а выводы ВШП 7.1, 7.2 подсоединяются к усилителям 14, 15 и ГСЧ 16. Выводы ЛД 3 подсоединяются к выходу ЭМЛД 17 и корпусу. Фазовый детектор 18. Усилитель выходного сигнала фазового детектора 19. Усилитель тока 20. МПЦТС 21. Мультивибратор 23. Компаратор напряжения 22. Металлизированное пятно КП 12. Схему компенсации ТДКЧ 24, включающую в себя усилители 14, 15, 19 и фазовый детектор 18.
Генератор с лазерным возбуждением кварцевого резонатора работает следующим образом. При подаче питающего напряжения на выводы 9 ЛД 3 с помощью луча, сфокусированного линзой 10 в точку на металлизированном пятне КП 12, ударно возбуждает объемные ультразвуковые колебания КП 6 на двух модах: стабилизируемой и температурной. При этом образуемые поверхностные волны поступают на ВШП, резонансно настроенные на частоты стабилизируемой (ВШП 7.2 и 7.3) и температурной (ВШП 7.1) мод колебаний КП. С ВШП 7.1 колебания температурной моды поступают на вход ГТМК 13, с выхода которого колебания подаются на первый вход МПЦТС 21. С ВШП 7.2 колебания стабилизируемой моды подаются на вход ГСЧ 16, с выхода которого колебания поступают на второй вход МПЦТС и вход синхронизации мультивибратора 23. С выхода мультивибратора 23 импульсные колебания резонансной частоты поступают на первый вход ЭМЛД 17. Колебания с ВШП 7.2 и 7.3 подаются на схему 24 и соответственно поступают на входы усилителей 14 и 15 фазового детектора 18, на выходе которого образуется напряжение, пропорциональное возникающей ТДКЧ, подаваемое на вход третьего усилителя 19, и, будучи усиленным усилителем 19, с его выхода подаются на первый вход компаратора напряжения 22. С выхода МПЦТС 21 напряжение температурной стабилизации поступает на второй вход компаратора напряжения 22. С выхода компаратора напряжения результирующее напряжение поступает на вход регулирующего усилителя тока ЛД, с выхода которого сигнал поступает на второй вход ЭМЛД 17. Таким образом ЛД выполняет одновременно функцию элемента возбуждения колебаний КП и ее форсированного разогрева путем направленного луча ЛД 11 на металлизированное пятно 12, расположенное на поверхности КП. Причем, чтобы не происходил перегрев КП или испарение металлизации пятна, между ЭМЛД 17 и компаратором напряжения 22 включен усилитель тока ЛД 20, который ограничивает мощность светового потока ЛД 11, особенно при форсированном разогреве КП, при котором следует соблюдать оптимум напора тепла через подложку 4, закрепленную на опорном кольце 2 и сфокусированного линзой 10 светового потока ЛД 11. Возникающий ТДКЧ компенсируется с помощью пространственно разнесенных под углом 90° ВШП 7.2 и 7.3, что позволяет получать сигналы стабилизируемых колебаний в квадратуре, тем самым компенсируя различие притоков тепла к КП через крепежные лепестки 5 и металлические стержни. Фактически на выходе компаратора напряжения 22 формируется суммарно-разностный сигнал температурной компенсации как контура термостабилизации, так и регулирования ТДКЧ. Введение в цепь стабилизации мультивибратора 23 позволяет реализовать импульсную модуляцию пространственного луча ЛД 11 путем модуляции ЭМЛД 17, а также минимальную зависимость от изменения питающих генератор с ЛВКР напряжений. Металлизированное покрытие 8 внутренней стороны баллона КР обеспечивает минимальное рассеяние тепла во внешнюю среду.
Особое место занимает в генераторе с ЛВКР МПЦТС 21, который сегодня представляет собой программируемое микроконтроллерное устройство, в котором учитываются не только функции температурной стабилизации по заданным температурным частотным характеристикам (ЧТХ) генератора в целом, но и ряд его технологических температурных характеристик изделий и элементов при серийном производстве, обеспечивающих минимальное время готовности генератора с ЛВКР к работе и максимальную стабильность его частоты.
Исследования характеристик кварцевых резонаторов с импульсным возбуждением монохроматическим лучом лазерного диода с целью получения характеристик возможной реализации в дальнейшем прецизионных кварцевых генераторов с высокой долговременной стабильностью частоты и минимальными шумами проводились в [4]. Особо было уделено внимание исследованию двухмодовых кварцевых резонаторов SC и IT срезов, имеющих лучшие метрологические характеристики по старению в сравнении с AT срезом, для создания прецизионных генераторов. Значительное частотное расстояние температурной моды от стабилизируемой у двухповоротных срезов КП позволяет достаточно просто обеспечить раздельное генерирование колебаний с минимальной связью температурной и стабилизируемой частот. Реализация рабочих макетов таких генераторов позволяет использовать источники питания до 3,5 В и элементы, реализованные на уровне нанотехнологий.
Литература
1. Dieulesaint Е., Royer D., Rakouth H. Optical excitation of quartz resonators // Electronics Letters. 29 th, April, vol.18. N-9, 1982. - pp.381-382.
2. Dieulesaint Е., Royer D., Bonniefoy C. Mechanical excitation of a membrane by an optical beam // Ultrasonics symposium, vol.2. N.Y., 1981. - pp.802-805.
3. Pat FR №2520566, 28 jaenuiar, 1982, Н03Н 3/02, Н03Н 3/04, G02F 2/00. / E. Dieulesaint, D.Royer, R.Guedj // Procede d*excitation resonateur piezoelectrique.
4. Иванченко Ю.С. Многочастотная кварцевая стабилизация. - Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, 2007. - 506 с.