АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ УГЛОМ НАКЛОНА ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
ACOUSTIC-OPTICAL DEVICE WITH VARIABLE ANGLE OF PIEZO INVERTER

Изобретение относится к акустооптическому устройству, предназначенному для управления оптическим излучением посредством акустооптической брэгговской дифракции света на звуке, и может использоваться для управления амплитудой, частотой, фазой и поляризацией оптического излучения. Известно акустооптическое устройство [Магдич Л.П., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. - М.: Советское Радио, 1978. 110 с.], содержащее акустооптический кристалл и пьезопреобразователь. Пьезопреобразователь расположен на грани акустооптического кристалла, наклоненной на заданный угол относительно оптической оси кристалла.
Недостатком известного устройства является невозможность изменения угла наклона пьезопреобразователя относительно акустооптического кристалла.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции устройством, лишенным вышеуказанного недостатка, является устройство [Котов В.М. Квантовая электроника. 1995. Т.22, №6. С.579-582], содержащее акустооптический кристалл, пьезопреобразователь и управляющий элемент для изменения его угла наклона, расположенный между акустооптическим кристаллом и пьезопреобразователем. Управляющий элемент содержит выпуклую и вогнутую линзы. Одна поверхность линз - сферическая, другая - плоская. Линзы контактируют между собой сферическими поверхностями, причем радиусы сферических поверхностей равны друг другу. Линзы установлены с возможностью перемещения относительно друг друга по сферическим поверхностям. Плоская поверхность первой линзы жестко связана с пьезопреобразователем, плоская поверхность второй линзы жестко связана с поверхностью акустооптического кристалла. Устройство работает следующим образом. Путем перемещения линзы с закрепленным на ней пьезопреобразователем относительно линзы с акустооптическим кристаллом по сферической поверхности последней изменяют угол наклона пьезопреобразователя относительно поверхности акустооптического кристалла. Описанной операцией устанавливается угол, необходимый для получения максимальной эффективности дифракции оптического излучения в кристалле.
Недостатком известного устройства является существенное искажение луча, дифрагировавшего на акустической волне, поскольку при прохождении акустической волны через две сферические поверхности возникает сильная амплитудная и фазовая неоднородность волны. Кроме того, при использовании акустических волн большой мощности происходит неравномерное нагревание линз, что приводит к неодинаковому изменению радиусов кривизны линз, ухудшению контакта между сферическими поверхностями, и, как следствие, к уменьшению эффективности дифракции. Другим недостатком является низкая точность установления угла наклона, что затрудняет получение максимальной эффективности брэгговской дифракции.
Техническая задача, решаемая данным изобретением, состоит в создании акустооптического устройства с перестраиваемым углом наклона пьезопреобразователя, обеспечивающего повышенную точность перестройки, существенно меньшие искажения дифрагировавшего луча и увеличенную эффективность дифракции.
Поставленная задача решается тем, что в известном акустооптическом устройстве с перестраиваемым углом наклона пьезопреобразователя, содержащем акустооптический кристалл, пьезопреобразователь и управляющий элемент для изменения угла наклона, расположенный между акустооптическим кристаллом и пьезопреобразователем и жестко связанный с последним, управляющий элемент выполнен в виде двух призм, соприкасающихся между собой двумя плоскостями и установленных с возможностью вращения относительно друг друга вокруг оси, перпендикулярной поверхности кристалла и оси, перпендикулярной плоскостям соприкосновения призм.
Для того чтобы иметь возможность независимо менять угловую ориентацию пьезопреобразователя относительно управляющего элемента, в последнем дополнительно может быть использована пластина, расположенная между пьезопреобразователем и ближайшей к нему призмой управляющего элемента, жестко связанная с пьезопреобразователем и установленная с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости соприкосновения пластины и упомянутой призмы.
Предложенное техническое решение поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена оптическая схема предлагаемого акустооптического устройства, на фиг. 2 - схематический вид устройства сверху, на фиг. 3 - схема устройства с дополнительной пластиной.
1
2
1
2
0
1
B
1
1
1
Предлагаемое устройство содержит акустооптический кристалл 1 (фиг. 1), управляющий элемент, содержащий первую призму 2 с углом α при вершине, вторую призму 3 с углом αпри вершине, и пьезопреобразователь 4, расположенный под углом ψ к поверхности акустооптического кристалла 1. Призма 2 имеет возможность вращаться вокруг оси А-А, перпендикулярной поверхности акустооптического кристалла 1, призма 3 жестко связана с пьезопреобразователем 4 и имеет возможность вращаться вокруг оси В-В, перпендикулярной плоскостям соприкосновения призм 2 и 3. На фиг. 2 показан вид сверху на предлагаемое акустооптическое устройство, где ребра призм 2 и 3 повернуты на углы φ и φ относительно нормалей к плоскости Р, содержащей падающее оптическое излучение I и ортогональной к плоскости соприкосновения акустооптического кристалла 1 и призмы 2. Другое устройство (фиг. 3), содержащее акустооптический кристалл 1, пьезопреобразователь 4, управляющий элемент для изменения угла наклона, состоящий из двух призм 2 и 3 и пластины 5. При этом пластина 5 расположена между призмой 3 и пьезопреобразователем 4 и жестко связана с ним. Пластина 5 установлена с возможностью вращения вокруг оси С-С, перпендикулярной плоскости соприкосновения пластины 5 и призмы 3. Устройство управления оптическим излучением работает следующим образом. Оптическое излучение I направляется на кристалл 1 (см. фиг. 1) параллельно грани акустооптического кристалла, соприкасающейся с призмой 2. На пьезопреобразователь 4 подается высокочастотный сигнал. В результате брэгговской дифракции на выходе кристалла 1 образуются лучи нулевого I и первого I дифракционных порядков. Угол Брэгга θ В определяется из условия
2
где λ - длина волны оптического излучения, n - показатель преломления кристалла; f и V - частота и скорость распространения акустической волны в кристалле 1. Полагая, что призмы 2 и 3 управляющего элемента изготовлены из одного материала, угол ψ наклона пьезопреобразователя 4 определяется из условия
1
где V - скорость акустической волны в материале призм.
1
2
Угол ψ наклона пьезопреобразователя устанавливается путем поворота призм 2 и 3 в противоположных направлениях так, чтобы углы φ и φ между ребрами призм 2 и 3 (см. фиг. 2) и нормалями к плоскости Р, содержащей падающее излучение I и ортогональной к плоскости соприкосновения акустооптического кристалла 1 с призмой 2, равнялись
1
2
1
2
где ψ - угол наклона пьезопреобразователя 4 к поверхности акустооптического кристалла 1, соприкасающейся с призмой 2, α - угол при вершине призмы 2, α - угол при вершине призмы 3, р=0.5(ψ+α+α).
Пример
2
1
2
3
В
2
B
1
1
2
1
2
<mrow><mover accent="true"><mn>1</mn><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
-4
-4
5
5
1. В качестве акустооптического кристалла 1 выбран кристалл ТеO, вырезанный по граням {110}, {1
0} и {001}. Кристалл 1 соприкасается с призмой 2 гранью {110}. Призмы 2 и 3 изготовлены из халькогенидного стекла и имеют углы при вершинах соответственно α=5° и α=7°. Пьезопреобразователь 4 изготовлен из кристалла LiNbO. Через акустооптический кристалл 1 распространяется оптическое излучение с длиной волны 0.63*10 см ортогонально грани {001}. К пьезопреобразователю 4, генерирующему поперечную акустическую волну, приложен электрический сигнал частотой 100 МГц. Угол Брэгга θ в акустооптическом кристалле определяется соотношением (1), где λ=0.63*10 см, n=2.26, f=100 МГц, V=0.617*10 см/с, и равен θ=1.296°. Скорость поперечной акустической волны в призмах 2 и 3 равна V=1.49*10 см/с. Согласно выражению (2) определяется угол ψ наклона пьезопреобразователя 4, равный 3.13°. Из выражения (3) определяются углы φ и φ: φ=63.0°, φ=39.5°.
1
2
1
2
Для оценки диапазона изменения угла ψ при изменении углов φ и φ упростим соотношения (3), положив в них α=α=α, тогдаИз последнего соотношения получим:
1
2
Где φ=φ=φ. Продифференцировав (4), получим:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Δ</mi><mi>ψ</mi><mo>/</mo><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>α</mi></mrow>
здесь Δψ и Δφ - изменения углов ψ и φ соответственно. Максимальное значение Δψ достигается при φ≈90°. В этом случае
, т.е. отношение изменения углов Δψ и Δφ определяется углом α. Положив для оценок Δφ=1°, α≈3°, получим: Δψ≈0.104°. Откуда видно, что изменение Δψ существенно меньше изменения Δφ. Из выражения (5) следует, чем меньше угол α, тем выше точность установки угла ψ. В прототипе угол ψ устанавливается непосредственно, поэтому возникает необходимость в использовании котировочной механики с повышенными требованиями к точности установок. В предлагаемом нами устройстве необходимая точность установки угла ψ достигается без привлечения дополнительных котировочных приспособлений.
Поставленная в изобретении задача достигается за счет использования элементов, содержащих плоские поверхности, посредством которых элементы соприкасаются между собой. Тем самым создаются одинаковые условия для всех участков акустической волны при пересечении ею плоских границ. Этим обеспечивается сохранение высокой однородности акустических волн. Использование перемещения призм относительно друг друга по плоским поверхностям в направлениях, ортогональных направлению изменения угла ψ, позволяет существенно увеличить точность установки угла ψ наклона пьезопреобразователя к акустооптическому кристаллу. Все это обеспечивает получение дифрагировавшего луча с минимальными искажениями и с максимальной интенсивностью.