УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОТ МИКРООБЪЕКТОВ
DEVICE TO VISUALISE SPATIALLY INHOMOGENEOUS ACOUSTIC FIELDS FROM MICROOBJECTS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для получения информации о структуре акустических полей при разработке акустоэлектронных приборов, для регистрации акустических полей при физических исследованиях волновых процессов в акустике, для контроля структур в непрозрачных для видимого света объектах.
Известно устройство для визуализации акустических полей, содержащее источник когерентного оптического излучения, два сканера оптического луча во взаимно перпендикулярных направлениях, зеркала, оптическую систему формирования изображения, демодулятор несущего информацию об акустическом объекте отраженного оптического луча, фотоприемник, процессор акустических сигналов и устройство регистрации акустического изображения (Кайно Г. Акустические волны. Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. 1990, с.321-323). В данном устройстве визуализации акустические волны падают на полированную отражающую поверхность объекта, а смещения поверхности, обусловленные падающими на нее акустическими волнами, непосредственно измеряются лазерным измерителем микроперемещений. Для быстрого сканирования лазерного луча по плоскости отражающей поверхности используется акустооптическая ячейка и автоматически регулируемое движущееся зеркало. Информация об измеренных смещениях поступает на процессор акустических сигналов, а затем на дисплей.
Недостатками устройства являются наличие движущихся частей, сложность процесса визуализации акустических полей и необходимость применения дорогостоящего оборудования.
Известно также устройство для визуализации акустических полей (патент США №4270388, G01H 29/00), содержащее акустооптическую ячейку с отражающей боковой поверхностью, источник когерентного оптического излучения, интерферометр, фотоприемник и систему для визуального отображения полученных фотоприемником сигналов. Часть светового пучка от источника когерентного оптического излучения направляют нормально через акустооптическую ячейку на отражающее зеркало, расположенное на ее боковой поверхности. Световой пучок дифрагирует на неоднородностях акустического поля в фотоупругой среде акустооптической ячейки. После акустооптического взаимодействия отраженный от зеркала нулевой порядок дифрагированного пучка содержит информацию об изменении фазы и амплитуды акустического поля в акустооптической ячейке. Вторая часть светового пучка от источника когерентного оптического излучения падает на вибрирующее зеркало интерферометра и отражается от него. Обе части светового пучка складываются и подаются на фотоприемник, с которого сигнал поступает в систему для визуального отображения полученных фотоприемником сигналов.
Недостаток устройства заключается в сложности получения изображения акустических полей и необходимости использования технически сложного и дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство визуализации на основе брэгговской дифракции (патент США №3488438, H04N 3/16). Устройство содержит источник когерентного оптического излучения, акустооптическую ячейку Брэгга, оптические системы для формирования падающего на ячейку светового пучка и обработки дифрагированного пучка света, а также устройство регистрации изображения объекта. Визуализируемый объект помещается в упругую среду акустооптической ячейки Брэгга, просвечиваемой падающим лучом источника когерентного оптического излучения. Дифрагированный на отраженных от объекта волнах акустического поля пучок света с помощью оптической системы формирует изображение в устройстве регистрации изображения объекта.
Несмотря на относительную простоту конструкции, существенным недостатком данного устройства является значительный астигматизм изображения, что ухудшает разрешающую способность устройства. Кроме того, это устройство обладает малой светосилой, так как в процессе акустооптического взаимодействия участвует лишь малая часть излучаемого акустического поля объекта.
Задачей заявляемого изобретения является получение яркого стигматического изображения при визуализации акустических полей от микрообъектов.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для визуализации пространственно-неоднородных акустических полей от микрообъектов, содержащем акустооптическую ячейку Брэгга, источник когерентного оптического излучения, оптические системы для формирования, падающего на ячейку Брэгга светового пучка и обработки дифрагированного в ячейке светового пучка, а также устройство регистрации изображения объекта, акустооптическая ячейка Брэгга образована последовательно акустически соединенными первым и вторым звукопроводами с различными значениями скорости распространения акустических волн, торцевые сопряженные поверхности звукопроводов имеют сферическую форму одинакового радиуса с центром кривизны, расположенным на продольной оси звукопроводов, при этом сферическая поверхность первого звукопровода выполнена вогнутой, а второго звукопровода - выпуклой для случая, когда скорость распространения акустической волны в первом звукопроводе больше скорости распространения акустической волны во втором звукопроводе, и наоборот, если скорость распространения акустической волны в первом звукопроводе меньше скорости распространения акустической волны во втором звукопроводе, то сферическая поверхность первого звукопровода выполнена выпуклой, а второго звукопровода - вогнутой, акустооптическое взаимодействие осуществляется во втором звукопроводе, а изучаемый акустический объект располагается на плоской торцевой поверхности первого звукопровода, причем расстояние от вершины сферической до плоской торцевой поверхности первого звукопровода составляет величину
,
1
2
где R - радиус кривизны сферических сопряженных торцевых поверхностей звукопроводов, ν - скорость распространения акустической волны в первом звукопроводе, ν - скорость распространения акустической волны во втором звукопроводе.
Оптическая система обработки дифрагированного в акустооптической ячейке светового пучка содержит сферическую и две взаимно перпендикулярные цилиндрические линзы, при этом устройство, регистрирующее изображение объекта, располагается в фокальной плоскости сферической линзы, а местоположение цилиндрических линз подбирается в процессе настройки устройства визуализации.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: фиг.1 - общая схема заявляемого устройства визуализации акустических полей, фиг.2 - схема получения изображения в виде двух точек от двух пространственно разделенных точек акустического объекта, фиг.3 - схематическое изображение многоэлементного пьзоэлектрического преобразователя, использованного в качестве примера акустического объекта, фиг.4 - фотография второго, выполненного в форме спирали, электрода многоэлементного преобразователя с 15-кратным увеличением, фиг.5 - фотография полученного с помощью предлагаемого устройства изображения фрагмента акустического поля, возбуждаемого указанным пьезопреобразователем.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - акустооптическая ячейка Брэгга, 2 - первый звукопровод, 3 - второй звукопровод, 4 - сопряженные сферические поверхности первого и второго звукопроводов, 5 - квазиплоская акустическая волна, 6 - падающий на ячейку Брэгга световой пучок, 7 - оптическая система формирования падающего на ячейку Брэгга светового пучка, 8 - источник когерентного оптического излучения, 9 - изучаемый акустический объект, 10 - плоская торцевая поверхность первого звукопровода, 11 - дифрагированный пучок света, 12 - оптическая система обработки дифрагированного в ячейке светового пучка, 13 - устройство регистрации изображения объекта, 14 и 15 - две пространственно разделенные точки акустического объекта, 16 и 17 - две пространственно разделенные точки изображения объекта, 18 - общий электрод преобразователя в виде тонкой металлической пленки, 19 - пьезоэлектрический слой, 20 - контактные площадки второго электрода многоэлементного преобразователя.
Предлагаемое устройство для визуализации пространственно-неоднородных акустических полей от микрообъектов (фиг.1) включает источник когерентного оптического излучения 8, оптическую систему формирования 7 падающего на ячейку Брэгга светового пучка, акустооптическую ячейку Брэгга 1, оптическую систему обработки 12 дифрагированного в ячейке светового пучка и устройство регистрации изображения объекта 13. Акустооптическая ячейка Брэгга 1 образована последовательно акустически соединенными первым и вторым звукопроводами 2 и 3 с различными значениями скорости распространения акустических волн в них, торцевые сопряженные поверхности 4 звукопроводов 2 и 3 имеют сферическую форму одинакового радиуса R с центром кривизны, расположенным на продольной оси звукопроводов 2 и 3. При этом торцевая сферическая поверхность 4 первого звукопровода 2 является вогнутой, а второго звукопровода 3 - выпуклой для случая, когда скорость распространения акустической волны в первом звукопроводе 2 больше скорости распространения акустической волны во втором звукопроводе 3. Этот случай показан на фиг.1. Случай, когда скорость распространения акустической волны в первом звукопроводе 2 меньше скорости распространения акустической волны во втором звукопроводе 3 и торцевая сферическая поверхность 4 первого звукопровода 2 является выпуклой, а второго звукопровода 3 - вогнутой, на фиг.1 не показан. Сферическая поверхность 4 сопряжения двух звукопроводов 2, 3 с различными скоростями акустических волн в них является акустической линзой с фокусным расстоянием, определяемым из выражения:
,
1
2
где R - радиус кривизны сферических сопряженных торцевых поверхностей 4 звукопроводов 2 и 3, ν - скорость распространения акустической волны в первом звукопроводе 2, ν - скорость распространения акустической волны во втором звукопроводе 3. Расстояние d от вершины сферической до плоской торцевой поверхности 10 первого звукопровода 2 равно фокусному расстоянию акустической линзы F. Оптическая система формирования 7 падающего на акустооптическую ячейку Брэгга светового пучка включает или цилиндрическую линзу, ось которой перпендикулярна плоскости, образованной продольной осью звукопроводов и осью направления излучения оптического когерентного источника, или дефлектор, плоскость сканирования светового пучка которого совпадает с плоскостью, образованной продольной осью звукопроводов и осью направления излучения оптического когерентного источника. Оптическая система обработки 12 дифрагированного пучка в простейшем случае состоит из сферической оптической линзы или из двух скрещенных под углом 90° цилиндрических оптических линз и сферической оптической линзы. Устройство регистрации 13 изображения объекта 9 может быть выполнено в виде экрана или фотоприемника, в качестве которого, например, может быть использована плоская ПЗС матрица, а сигнал с нее обрабатывается на компьютере и выводится на экран его монитора.
Устройство работает следующим образом. Изучаемый акустический объект 9 располагают на плоской торцевой поверхности 10 первого звукопровода 2. Каждая точка акустического объекта 9 создает в упругой среде первого звукопровода 2 расходящуюся сферическую акустическую волну, которая, пройдя сферическую границу раздела 4 звукопроводов 2 и 3, преобразуется в квазиплоскую акустическую волну 5 во втором звукопроводе 3. При этом каждой точке акустического объекта 9 соответствует свое направление распространения квазиплоской акустической волны 5 во втором, обладающем фотоупругими свойствами звукопроводе 3 (см. фиг.2). Световой пучок 6, сформированный оптической системой формирования 7 излучения оптического когерентного источника 8 падает на звукопровод 3, в котором происходит акустооптическое взаимодействие светового пучка 6 с квазиплоскими акустическими волнами 5. В результате акустооптического взаимодействия образуется дифрагированный пучок света 11. Необходимость выполнения условия Брэгга, заключающегося в том, что для осуществления эффективного акустооптического взаимодействия свет должен падать на акустическую волну под определенным углом, зависящим от длины световой и акустической волн, приводит к тому, что каждой квазиплоской акустической волне 5 данной частоты соответствует свой квазиплоский пучок дифрагированного света 11. Дифрагированный пучок света 11, несущий информацию об акустическом объекте 9, падает на оптическую систему обработки 12 дифрагированного светового пучка, которая в простейшем случае состоит из сферической линзы и формирует изображение акустического объекта 9 в устройстве регистрации изображения 13, расположенном в фокальной плоскости сферической линзы системы 12. При этом каждой точке акустического объекта (14, 15) соответствует своя точка изображения (16, 17) (фиг.2). Таким образом, образуется яркое стигматическое изображение объекта 9. В общем случае полученное в устройстве изображение является анаморфотным, т.е. масштабы изображения в продольном и поперечном направлении оказываются разными. Коэффициент анаморфозы зависит от физических параметров фотоупругой среды и условий акустооптического взаимодействия. Поэтому с целью исправления анаморфотности и получения изображения приемлемого качества дифрагированные пучки света кроме сферической линзы оптической системы обработки 12 дополнительно обрабатываются с помощью двух скрещенных под углом 90° цилиндрических линз, местоположение которых подбирают в процессе настройки устройства визуализации.
2
3
3
1
3
2
0
3
2
3
3
Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого устройства был изготовлен макет устройства визуализации. Акустооптическая ячейка Брэгга образована двумя звукопроводами из сапфира (α-AlO) (первый звукопровод) и ниобата лития (LiNbO) (второй звукопровод) с сопряженными сферическими торцевыми поверхностями, образующими акустическую линзу с фокусным расстоянием 14 мм. Соединение звукопроводов осуществлялось с использованием клея, вносящего малые акустические потери. Роль акустического объекта выполнял электроакустический преобразователь в виде медной спирали, прижатой к свободной поверхности пьезоактивной пленки оксида цинка, нанесенной на металлизированную медью плоскую торцевую грань кристалла сапфира. На фиг.3 представлено схематичное изображение такого многоэлементного пьзоэлектрического преобразователя. Увеличенное в 15 раз изображение спирального электрода преобразователя показано на фиг.4. Уплощенная средняя часть витков, которая собственно и является контактными площадками второго электрода, выглядит на фиг.4 более светлой, поскольку эти участки витков были предварительно сошлифованы до половины диаметра провода, а затем отполированы и поэтому лучше отражают свет, чем их остальная часть. Электрод содержал 13 элементов размерами 600×90 мкм, расположенных с периодом 220 мкм. При подаче на пъезопреобразователь электромагнитного СВЧ сигнала мощностью 2 Вт на частоте 1,4 ГГц, в сапфире возбуждалась продольная упругая волна, имеющая скорость ν=11,3·10 м/с. Каждой точке акустического источника, расположенного в фокальной плоскости акустической линзы, в кристалле LiNbO соответствовала квазиплоская продольная упругая волна, распространяющаяся со скоростью ν=6,57·10 м/с преимущественно в направлении оси X. Направление распространения излучения He-Ne лазера (λ=632,8 нм) составляло угол 36° с осью Y. Кристалл LiNbO освещался сходящимся пучком когерентного оптического излучения, формируемым цилиндрической линзой с фокусным расстоянием 160 мм. Угловой спектр дифрагированного во втором звукопроводе когерентного оптического излучения регистрировался в фокальной плоскости варифокального фурье-преобразующего объектива (тип NATONAL CCTV ZOOM LENS 12.5-75 mm) цифровой системы ввода изображения VS-CTT 075-2000. Полученное изображение фрагмента акустического объекта показано на фиг.5. На фотографии хорошо виден отличающийся по интенсивности от элемента к элементу неоднородный характер акустического поля, возбуждаемого преобразователем. Поскольку интенсивность акустического поля от пьезопреобразователя пропорциональна интенсивности электрического поля в нем, то изображение указывает на неоднородный характер электрического поля по длине преобразователя. Взятый в качестве акустического объекта спиральный пьезопреобразователь являлся преобразователем бегущей волны, и к его выходу умышленно не была подключена согласованная нагрузка, поэтому в системе преобразователя формировалась стоячая электромагнитная волна, образованная прямой и отраженной от рассогласованного выхода волнами. Распределение интенсивности стоячей волны по длине преобразователя от элемента к элементу хорошо иллюстрируется полученным с помощью предлагаемого устройства изображением акустического поля.