ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОБРАТНОЙ КОЛЛИНЕАРНОЙ ДИФРАКЦИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЕ В ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к акустооптике (АО) и может найти применение в устройствах для управления такими параметрами электромагнитного излучения терагерцового (ТГц) диапазона, как направление распространения, интенсивность, поляризация, частота и фаза.
Благодаря простоте управления, компактности, малой потребляемой мощности и высокому быстродействию АО-устройства используются в спектроскопии, оптической связи, системах обработки изображений, лазерной технике для модуляции, фильтрации и управляемого отклонения световых пучков [1].
Различают два основных вида АО-взаимодействия: квазиортогональное и коллинеарное. В первом случае, пучок излучения пересекает звуковой пучок под углом, близким к нормали, во втором - пучки распространяются параллельно (коллинеарно) друг другу. Коллинеарное взаимодействие, в свою очередь, подразделяют на две разновидности: прямую коллинеарную АО-дифракцию (ПКД), при которой волновые вектора падающего и дифрагированного излучения сонаправлены, и обратную коллинеарную АО-дифракцию (ОКД), при которой эти векторы направлены навстречу друг другу. Основное преимущество коллинеарной дифракции по сравнению с квазиортогональной - более высокое спектральное разрешение, вследствие взаимодействия света с большим числом периодов звуковой волны [2].
С точки зрения эффективности АО-фильтров, режим ОКД предпочтителен по сравнению с режимом ПКД, поскольку при реализации последнего диаграмма направленности дифрагированного излучения имеет боковые лепестки, что приводит к снижению качества работы фильтра, в то время как таковые практически отсутствуют в режиме ОКД [3]. Наибольшая эффективность ОКД достигается при совпадении направления распространения ультразвука с направлением распространения электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка, поскольку при этом интеграл перекрытия полей световой и акустической волн достигает своего максимального значения [4].
Однако режим ОКД в высокочастотных областях оптического диапазона не практикуют, поскольку для его реализации необходимо применять ультразвук очень высокой частоты (десятки гигагерц) сильно поглощаемый средой. Поэтому применение режима ОКД возможно только в ТГц и микроволновом диапазонах в слабо поглощающей среде, независимо от ее агрегатного состояния.
Для реализации режима ОКД необходимо добиться совмещения треков светового и звукового пучков в среде взаимодействия. Так как окружающей средой обычно является воздух, то излучатель ультразвука, во избежание потерь на отражение, необходимо разместить либо в самой жидкой среде АО-взаимодействия, либо на внешней стороне стенки контейнера. В любом из этих случаев излучатель ультразвука должен быть размещен таким образом, чтобы угол падения звуковой волны (из жидкости) на входное окно ячейки был равен углу преломления излучения, что и обеспечивает пространственное совмещение пучков света и звука. Причем, чтобы минимизировать затухание звука, излучатель ультразвука следует разметить максимально близко к входному окну, не перекрывая трека пучка излучения.
Известна акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцового излучения на ультразвуковой волне в жидкости, содержащая герметичный контейнер с прозрачной для излучения и ультразвука жидкостью, а также - излучатель ультразвука, погруженный в жидкость; причем, контейнер снабжен двумя прозрачными для излучения окнами из материала с показателем преломления близким к показателю преломления жидкости, а выходное окно не перпендикулярно преломленному на входном окне пучку излучения; кроме того, излучатель ориентирован таким образом, чтобы испускаемый им звуковой пучок падал на входное окно под углом, обеспечивающим совмещение отраженного звукового пучка и пучка излучения, преломленного на этом окне [5, 6]. Основным недостатком известной ячейки является невозможность регулировки совмещения отраженного ее входным окном звукового пучка с пучком преломленного на этом окне излучения. Такая регулировка необходима для оптимизации эффективности АО-взаимодействия, что реализуется при строго коллинеарном распространении взаимодействующих пучков. Выполнение этого условия при изготовлении ячейки и монтаже на стенке ее контейнера излучателя ультразвука практически невозможно; для максимального проявления искомого эффекта всегда необходима дополнительная юстировка угла падения ультразвука на входное окно с целью наиболее полного совпадения звукового и светового пучков.
Технический результат изобретения направлен на обеспечение возможности регулировки совмещения в жидкости отраженного входным окном звукового пучка с преломленным этим окном пучком излучения путем оперативного изменения угла падения звуковой волны на входное окно ячейки.
Технический результат достигается тем, что в ячейке для обратной коллинеарной дифракции терагерцового излучения на ультразвуковой волне в жидкости, содержащей заполненный прозрачной для излучения и ультразвука жидкостью герметичный контейнер, снабженный двумя прозрачными для излучения окнами из материала с показателем преломления близким к показателю преломления жидкости и выходное окно которого не перпендикулярно преломленному на входном окне пучку излучения, укрепленный на контейнере в плоскости падения излучения и погруженный в жидкость излучатель ультразвуковой волны, излучатель герметично изолирован от контейнера упруго деформируемой прокладкой и снабжен микровинтом, способным оказывать на прокладку локализованное регулируемое давление.
Герметически реализованное дистанцирование излучателя ультразвука от корпуса контейнера с помощью упруго деформируемой прокладки и снабжение излучателя микровинтом, способным оказывать локализованное регулируемое давление на одну сторону (относительно винта) прокладки в плоскости падения излучения, позволяет изменять ориентацию винта относительно стенки контейнера и, тем самым, изменять угол падения звуковой волны на входное окно ячейки, обеспечивая таким образом возможность регулировки совмещения в жидкости отраженного входным окном звукового пучка с пучком преломленного на этом окне излучения.
На Фиг. 1 изображена схема заявляемой ячейки, где цифрами обозначены: 1 - излучатель ультразвука; 2 - герметичный контейнер; 3 - прозрачная для излучения и ультразвука жидкость; 4 - входное окно контейнера 2; 5 - выходное окно контейнера 2; 6 - микрометрический винт, вмонтированный в держатель излучателя 1; 7 - сжимаемая винтом 6 упругая прокладка.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучатель ультразвука 1, размещенный в содержащейся в контейнере 2 жидкости 3, испускает ультразвуковую волну. Пучок ультразвука падает под углом ф на входное окно 4, отражается от него под тем же углом и, пройдя через контейнер 2, достигает окна 5. Из окружающей среды на область падения звукового пучка на окно 4 падает пучок коллимированного ТГц излучения под углом, обеспечивающим совпадение треков преломленного светового пучка и отраженного окном 4 звукового пучка. В области совпадения треков пучков происходит АО-взаимодействие, в результате которого формируется пучок света, дифрагирующий в (-1) порядок и распространяющийся навстречу преломленному на окне 4 пучку света. Дифрагированный пучок излучения покидает контейнер 2 через окно 4. Интенсивность этого пучка пропорциональна эффективности АО-взаимодействия, зависящей от точности совмещения звукового и светового пучков в жидкости 3. Оказывая локализованное давление винтом 6 на одну сторону прокладки 7, корректируют угол ϕ и добиваются максимума интенсивности дифрагированного пучка.
0
-4
В качестве примера применения заявляемого устройства, рассматривается возможность оптимизации обратной коллинеарной дифракции излучения с длиной волны 130 мкм на ультразвуковой волне с частотой 22,7 МГц в жидком гексане]. В устройстве излучающая поверхность источника ультразвука 1 удалена от входного окна 4 на расстояние 1 см, длина АО-взаимодействия (расстояние между окнами 4 и 5) - 10 см; в случае полного совмещения взаимодействующих пучков света и звука, достигаемого при оптимальном угле падения ϕ=30° звуковой волны на окно 4, максимальная эффективность дифракции в (-1) порядок равна ≈5⋅10.
0
0
0
0
Отклонение оси излучателя 1 от оптимального направления распространения звуковой волны на угол Δϕ приведет к двум нежелательным эффектам: во-первых, снизится эффективность дифракции; во-вторых, дифрагированный пучок излучения также отклонится на угол Δϕ и может не попасть (или попасть только частично) в окно 4. Изолируем держатель излучателя 1 от корпуса 2 упругой прокладкой 7 толщиной d и снабдим его микровинтом 6, удаленным от оси излучателя 1 на расстояние L=15 мм. Тогда, изменение толщины d прокладки 7 на величину Δd от ее значения d, соответствующего углу ϕ, приведет к тому, что угол падения ср звуковой волны на окно 4 станет равным ϕ=ϕ+arctg(Δd/L). На Фиг. 2 приведена расчетная зависимость угла ϕ от величины Δd. Видно, что изменение толщины прокладки 7 на ±0.5 мм от значения d (соответствующего Δd=0) позволяет оперативно варьировать угол ϕ в пределах почти четырех градусов; такие вариации превышают суммарные конструктивные погрешности сов; такие вариации превышают суммарные конструктивные погрешности при изготовлении корпуса 2 ячейки и монтаже на него излучателя 1. Отметим, что смещение области падения звукового пучка на окно 4 при корректировке угла ϕ в данном примере невелико (не превышает 0,5 мм) вследствие малой удаленности излучателя 1 от окна 4 и может быть компенсировано соответствующим смещением падающего на это окно пучка излучения.
Рассмотренный пример наглядно демонстрирует принципиальную возможность регулировки совмещения отраженного входным окном 4 ячейки звукового пучка с преломленным этим окном пучком излучения путем оперативного изменения направления распространения звуковой волны в результате локализованной деформации упругой прокладки 7, отделяющей держатель излучателя ультразвука 1 от корпуса 2 ячейки, посредством микровинта 6.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Молчанов В.Я., Китаев Ю.И., Колесников А.И. и др. Теория и практика современной акустооптики // М.: Изд. дом МИСиС, 2015. - 459 с.
2. Balakshy V.I., Mantsevich S.N. Polarization effects at collinear acousto-optic interaction // Optics and Laser Technology, 2012, v. 44, Is., p. 893-898.
3. Nikitin P.A., Voloshinov V.B. Backward collinear acousto-optic interaction in germanium crystal in terahertz spectral range // Physics Procedia, 2015, v. 70, p. 712-715.
4. Nikitin P.A., Voloshinov V.B. Quasi-orthogonal and quasi-collinear acousto-optic interaction in absorbing medium // Memoirs of the Faculty of Physics, 2016, v. 6, Article 166601.
5. Nikitin P.A., Voloshinov V.B., Nikitin A.K. Design of acousto-optic cell for backward collinear diffraction observation in the terahertz range// 2018 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). - Piscataway, NJ, United States: Piscataway, NJ, United States, 2018. - P. 1-4.
https://dx.doi.org/10.1109/WECONF.2018.8604473
6. Никитин П.А., Волошинов В.Б., Никитин А.К. Дизайн акустооптической ячейки для наблюдения обратной коллинеарной дифракции в терагерцевом диапазоне // Сборник докладов XXI международ. конференция "Волновая электроника и ее применения в информационных и телекоммуникационных системах", С.-Петербург, гос. университет аэрокосмического приборостроения, 1-5 октября 2018 г. http://weconfru.guap.ru/