ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам управления лазерным излучением и может быть использована в акустооптических анализаторах спектра, измерителях параметров радиосигналов СВЧ диапазона, а также в системах связи и радиолокации.
Известна конструкция акустооптического дефлектора (АОД) СВЧ диапазона (фиг.1) на основе пьезокристалла в виде параллелепипеда (1), в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя (2), расположенного на одной из боковых граней, генерируются акустические волны, а на противоположной грани параллелепипеда располагается поглотитель (3). В данном аналоге используются преобразователи, изготавливаемые в виде резонансных прямоугольных пластин малой толщины. Область взаимодействия света и звука в АОД определяется поперечными размерами акустического столба. В данном аналоге управление амплитудночастотной характеристикой (АЧХ) АОД осуществляется путем изменения формы резонансных пластинок пьезопреобразователя (в виде ромба, шестигранника, трапеции, эллипса и т.д.) [Волошинов В.Б., Князев Г.А. Акустооптические ячейки с неодинаковой длиной взаимодействия в поперечном сечении светового пучка. ЖТФ. - 2003. - т.73. - №11. - с.118-122.].
Признаками выбранного аналога, общими с заявляемой полезной моделью, являются следующие: АОД на основе пьезокристалла в виде параллелепипеда, на верхнюю грань которого нанесен пьезопреобразователь сложной конфигурации (в виде ромба, шестигранника, трапеции, эллипса и т.д.), а на противоположную грань пьезокристалла нанесен поглотитель.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является то, что использование данного аналога на частотах свыше 1 ГГц не представляется возможным в связи с технологическими сложностями изготовления пьезопреобразователя, так как толщина резонансных пьезопластинок, необходимых для использования в пьезопреобразователях, работающих на частоте свыше 1 ГГц, не превышает 2-4 мкм.
Известна конструкция акустооптического дефлектора на основе анизотропного кристалла, выполненного в виде прямоугольного параллелепипеда, входящего в состав коллинеарного фильтра оптического диапазона (см. Волошинов В.Б., Николаев И.В., Парыгин В.Н. Коллинеарная акустооптическая фильтрация в кварце. - Вестн. Моск. ун-та. Сер.3. - Физ., астр., - 1980. - т.21. - №2. - с.42-46). Дифракция излучения в АОД происходит на стоячих акустических волнах.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является неоптимальная геометрия кристалла акустооптического дефлектора, приводящая к снижению точности позиционирования дифрагированного лазерного луча, причем отраженное излучение от внутренних боковых граней такого кристалла повторно дифрагирует на акустических волнах, что приводит к появлению дополнительного «ложного» сигнала.
Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с признаками заявляемого устройства, являются следующие: оба они выполнены с использованием кристалла, на одной из граней которого размещен пьезопреобразователь, возбуждающий объемные акустические волны, а на противоположной грани кристалла имеется звукопоглощающее покрытие, уменьшающее отражение звуковых волн от грани.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический дефлектор, работающий в режиме дифракции Брэгга, и используемый в составе акустооптического анализатора спектра, который описан в работе: Роздобудько В.В., Бакарюк Т.В. "СВЧ-частотомер на основе акустооптического дефлектора с поверхностным возбуждением ультразвука". ISSN 0021-3470. Радиотехника. - 2002. - №6. - с.51-54.
3
Устройство-прототип изображено на фиг.2 и содержит в своем составе изотропный кристалл 1 (например из LiNbO) в виде прямоугольного параллелепипеда, на нижней грани которого помещен пьезопреобразователь 2 в виде решетки противофазных электродов типа встречно-штыревых (ВШП), на вход которого подается измеряемый СВЧ радиосигнал S(t), который возбуждает в кристалле дефлектора акустическую волну в виде двух основных лепестков 3 и 4 ультразвука, шириной по уровню , равной , углы отклонения которых изменяются с частотой подводимого сигнала S(t) в соответствии с , где V - скорость распространения ультразвуковых волн, L - протяженность решетки ВШП, d - электрический период расположения электродов ВШП, f - частота подводимого радиосигнала.
П1
П2
Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемой полезной моделью дефлектора являются: наличие изотропного кристалла в виде прямоугольного параллелепипеда, на нижней грани которого помещен преобразователь типа ВШП, возбуждающий ультразвуковую волну в объеме кристалла в виде двух основных лепестков ультразвука при воздействии на его вход измеряемого СВЧ радиосигнала, а лазерное излучение с длиной волны λ подается на левую грань кристалла под углом Брэгга θ и с помощью зеркал З1 и З2 на правую грань кристалла под углом Брэгга θ (в заявляемой полезной модели - лазерное излучение с другой длиной волны от другого источника излучения), и дифрагирует последовательно на левом и правом лепестках ультразвука соответственно, и выходит из кристалла через противоположные его рабочие грани.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является использование в дефлекторе дифракции лазерного излучения с одной длиной волны λ на двух основных лепестках ультразвука только с целью увеличения суммарной световой эффективности АОД без расширения полосы его рабочих частот.
Задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель АОД, является расширение полосы рабочих частот АОД.
1
2
1
1
1
2
2
2
Σ
1
2
Заявляемый технический результат в предполагаемой полезной модели достигается за счет того, что через боковые противоположные рабочие грани кристалла на лепестки ультразвука направляются лазерные излучения двух длин волн λ и λ от двух источников излучения, каждое на свой лепесток ультразвука и под своим углом Брэгга к входной грани кристалла, а сами рабочие грани имеют две рабочие зоны каждая, с разными просветляющими покрытиями: зона для входа излучения с длиной волны λ через нижнюю часть левой рабочей грани и зона выхода дифрагированного на левом лепестке ультразвука излучения с длиной волны λ на верхней части правой рабочей грани имеют просветляющее покрытие для длины волны λ, а зона для входа излучения с длиной волны λ через нижнюю часть правой рабочей грани и зона выхода дифрагированного на правом лепестке ультразвука излучения с длиной волны λ на верхней части левой рабочей грани имеют просветляющее покрытие для длины волны λ, при этом расширенная суммарная полоса рабочих частот дефлектора Δf связана с параметрами дефлектора n, d, L и V, а также с длинами волн излучений λ и λ выражением
,
где k - параметр, задающий равномерность частотной характеристики дефлектора.
3
1
2
Б1
Б2
1
1
1
1
2
2
2
2
Σ
1
2
Для достижения технического результата в широкополосном АОД, содержащем в своем составе (Фиг.3) изотропный кристалл (например LiNbO) с показателем преломления n в виде прямоугольного параллелепипеда 1, на нижней грани которого помещен пьезопреобразователь 2 в виде решетки противофазных электродов типа ВШП, имеющий электрический период d при протяженности L, на электрический вход которого подается измеряемый СВЧ радиосигнал S(t), возбуждающий в объеме кристалла ультразвуковую волну, движущуюся со скоростью V в виде двух основных лепестков 3 и 4 ультразвука, а две боковые рабочие грани кристалла предназначены для направления лазерного излучения на лепестки ультразвука и вывода дифрагированного излучения для дальнейшего его преобразования и анализа, при этом через боковые противоположные рабочие грани кристалла на лепестки ультразвука направляются лазерные излучения двух длин волн λ и λ от двух источников излучения, каждое на свой лепесток ультразвука и под своим углом Брэгга θ и θ к входной грани кристалла, а сами рабочие грани имеют две рабочие зоны каждая, с разными просветляющими покрытиями: зона 1.2 для входа излучения с длиной волны λ через нижнюю часть левой рабочей грани и зона 2.1 выхода дифрагированного на левом лепестке 3 ультразвука излучения с длиной волны λ на верхней части правой рабочей грани имеют просветляющее покрытие ⊗λ для длины волны λ, а зона 2.2 для входа излучения с длиной волны λ через нижнюю часть правой рабочей грани и зона 1.1 выхода дифрагированного на правом лепестке 4 ультразвука излучения с длиной волны λ на верхней части левой рабочей грани имеют просветляющее покрытие ⊗λ для длины волны λ и тогда расширенная суммарная полоса рабочих частот дефлектора Δf связана с параметрами дефлектора n, d, L и V, а также с длинами волн излучений λ и λ выражением
,
где k  параметр, задающий равномерность частотной характеристики дефлектора.
1
1
1
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в расчете основных параметров широкополосного АОД, имеющего расширенную полосу рабочих частот, превышающую более чем в два раза полосу рабочих частот прототипа, использующего только лазерное излучение одной длины волны. Исходные данные для расчета следующие: скорость ультразвука V=3590 м/с - данное значение является следствием выбора такого среза кристалла дефлектора, при котором обеспечивается наиболее эффективное преобразование электрической энергии в акустическую; длина преобразователя L - используем близкие значения: L=1 мм и L=1,1 мм с тем, чтобы не вносить ощутимые коррективы в дифракционную эффективность дефлектора; нижняя граничная частота диапазона - используем три значения: f=1000 МГц, f=1500 МГц и f=1750 МГц; показатель преломления материала кристалла дефлектора n=2,23.
1
1
Для заданных λ и f оптимальный период фазовой решетки, формируемой ВШП можно найти из
,
где , .
2
Выражение для оптимальной длины волны λ, при которой общая полоса частот будет максимальной, имеет вид:
,
где . Суммарная полоса частот в этом оптимальном случае равна
,
1
2
а для случая произвольных λ и λ:
.
Σ
1
2
1
1
1
2
Два предпоследних выражения позволяют рассчитать зависимости Δf(λ), λ(λ) и для различных L и f определить длины волн λ, λ лазерных источников излучения, необходимые для достижения требуемой полосы рабочих частот в оптимальном режиме работы АОД.
1
2
1
2
Графики указанных зависимостей для приведенных выше исходных данных и для k=1,66 (неравномерность 6 дБ) приведены на фиг.4, на которой сплошными линиями представлены зависимости при L=1 мм, а штрихпунктирными - при L=1,1 мм. Из графиков видно, что для реализации диапазона частот (1000-2500) МГц при L=1 мм требуются лазеры с длинами волн: λ=820 нм, λ=328 нм, а при L=1,1 мм - λ=746 нм, λ=298 нм.
1
2
1
2
Для перекрытия диапазона (1500-3000) МГц: при L=1 мм λ=718 нм, λ=359 нм, а при L=1,1 мм - λ=652 нм, λ=326 нм.
1
2
1
2
Для реализации диапазона (1750-3250) МГц необходимо иметь при L=1 мм λ=687 нм, λ=370 нм, а при L=1,1 мм - λ=625 нм, λ=336 нм.
1
2
Σ
Таким образом, в предполагаемой полезной модели широкополосного АОД, имеющем изотропный кристалл, в объеме которого возбуждается ультразвуковое поле в виде двух основных лепестков ультразвука с помощью противофазной системы преобразователей типа ВШП, использование двух излучений с согласованными длинами волн λ и λ от двух лазерных источников излучения, позволяет более чем в два раза расширить полосу рабочих частот Δf по сравнению с АОД, использующим лазерное излучение с одной длиной волны.
Сравнивая предполагаемую полезную модель широкополосного АОД с прототипом, видно, что она содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию «новизны». Проводя сравнение с аналогами, видно, что предлагаемая полезная модель соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
Заявляемое устройство содержит изотропный кристалл с показателем преломления n в виде прямоугольного параллелепипеда 1, на нижней грани которого помещен пьезопреобразователь 2 в виде решетки противофазных электродов типа ВШП, имеющий электрический период d при протяженности L, на электрический вход которого подается измеряемый СВЧ радиосигнал S(t), возбуждающий в объеме кристалла ультразвуковую волну, движущуюся со скоростью V в виде двух основных лепестков 3 и 4 ультразвука, а две боковые рабочие грани кристалла предназначены для направления лазерного излучения на лепестки ультразвука и вывода дифрагированного излучения для дальнейшего его преобразования и анализа.
1
2
Б1
Б2
1
1
1
1
2
2
2
2
Σ
1
2
Работа заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический эффект заключается в следующем (Фиг.3). Через боковые противоположные рабочие грани кристалла на лепестки ультразвука направляются лазерные излучения двух длин волн λ и λ от двух источников излучения, каждое на свой лепесток ультразвука и под своим углом Брэгга θ и θ к входной грани кристалла, а сами рабочие грани имеют две рабочие зоны каждая, с разными просветляющими покрытиями: зона 1.2 для входа излучения с длиной волны λ через нижнюю часть левой рабочей грани и зона 2.1 выхода дифрагированного на левом лепестке 3 ультразвука излучения с длиной волны λ на верхней части правой рабочей грани имеют просветляющее покрытие ⊗λ для длины волны λ, а зона 2.2 для входа излучения с длиной волны λ через нижнюю часть правой рабочей грани и зона 1.1 выхода дифрагированного на правом лепестке 4 ультразвука излучения с длиной волны λ на верхней части левой рабочей грани имеют просветляющее покрытие ⊗λ для длины волны λ и тогда расширенная суммарная полоса рабочих частот дефлектора Δf связана с параметрами дефлектора n, d, L и V, а также с длинами волн излучений λ и λ выражением
,
где k - параметр, задающий равномерность частотной характеристики дефлектора.
Σ
Таким образом, из представленного описания следует, что в предлагаемом широкополосном дефлекторе полоса рабочих частот Δf расширяется за счет использования обоих лепестков ультразвука, возбужденных пьезопреобразователем в объеме кристалла измеряемым СВЧ радиосигналом, поданным на вход преобразователя, и использования лазерных излучений от двух источников с двумя длинами волн, согласованными между собой.
2
1
1
2
Предлагаемый широкополосный АОД может быть реализован на основе обычного акустооптического дефлектора, который широко применяется в акустооптических спектроанализаторах, имеющих полосу рабочих частот порядка 500 МГц при использовании лазерного излучения с одной длиной волны. Чтобы превратить такой АОД в широкополосный, необходимо две рабочие грани дефлектора просветлять не на одну длину волны, а выполнить просветление каждой грани по зонам: на левую грань нанести два просветляющих покрытия - верхнюю зону просветлить для λ, а нижнюю - для λ, а на правую грань нанести два просветляющих покрытия таким образом - верхнюю зону просветлить для λ, а нижнюю зону - для λ. При изготовлении АОД добавляется только одна технологическая операция просветления на вторую длину волны. Конструкция измерителя параметров радиосигналов, в которой будет применяться такой широкополосный АОД, должна обеспечивать размещение второго лазерного источника излучения и возможность направления излучения на правый лепесток ультразвука с последующей организацией анализа дифрагированного излучения. Дополнительных требований к качеству выполнения зонального просветления рабочих граней широкополосного АОД не существует. Для фиг.4 это требование на чертеже выглядит следующим образом:
1.2 и 2.1
1
- ⊗ В.008 + ρ≤0.01 по ОСТ 3-1901-95 для λ,
1.1 и 2.2
2
- ⊗ В.008 + ρ≤0.01 по ОСТ 3-1901-95 для λ.