Акустооптический элемент Брэгга
ACOUSTOOPTIC BRAGG ELEMENT

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в приборах отклонения и модуляции лазерных пучков и, в частности, при разработке устройств ввода информации в системах оптической обработки радиосигналов.
Известен акустооптический элемент Брэгга, содержащий фотоупругую среду и расположенный на ней многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь в виде металлизированной поверхности, нанесенного поверх нее пьезоэлектрического слоя и размещенной на пьезоэлектрическом слое плоской меандровой системы (а.с. СССР №989520, опубл. 15.01.83., МПК: G02F 1/33). Электрическая эквивалентная схема такого преобразователя представляет собой периодическую волноведущую систему типа фильтр низких частот. Электромагнитный сигнал распространяется от элемента к элементу вдоль пьезоэлектрического преобразователя и по мере распространения преобразуется на пьезоэлектрических элементах в акустический сигнал. Преобразователь хорошо согласуется с передающей СВЧ линией и формирует в фотоупругой среде набор акустических пучков, один из которых изменяет направление своего распространения при изменении частоты электромагнитного сигнала почти по закону соответствия условию Брэгга. В результате в акустооптическом элементе осуществляется автоматическая подстройка угла падения светового луча на результирующий фронт акустической волны в рабочем пучке под условие Брэгга в широкой полосе частот.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность дифракции при работе на частотах СВЧ диапазона. Низкая эффективность дифракции, величина которой пропорциональна интенсивности акустической волны и длине акустооптического взаимодействия, обусловлена тем, что с увеличением центральной частоты рабочего диапазона для реализации широкополосной дифракции необходимо уменьшать период многоэлементного преобразователя обратно пропорционально квадрату частоты. При этом резко уменьшается поперечное сечение проводников преобразователя, их сопротивление увеличивается, и потери электромагнитного сигнала в преобразователе возрастают. Из-за сильного ослабления электромагнитного сигнала происходит снижение интенсивности акустической волны и уменьшение длины акустооптического взаимодействия, связанное также с резким уменьшением периода расположения элементов в преобразователе при неизменном общем количестве излучающих элементов. Кроме того необходимо отметить, что интенсивность рабочего акустического пучка составляет лишь около четверти от всей интенсивности акустических волн, генерируемых таким многоэлементным преобразователем. В результате на высоких частотах такой акустооптический элемент Брэгга имеет очень низкую дифракционную эффективность.
Известен также акустооптический элемент Брэгга, в котором расположенный на фотоупругой среде многоэлементный электроакустический преобразователь выполнен в виде последовательности пьезоэлементов, образованных пьезослоем, заключенным между перекрывающимися участками верхних и нижнего электродов, верхние электроды представляют собой последовательность полосок, меандр или гребенку, нижний электрод выполнен в виде полуплоскости, пьезослой выполнен переменной толщины вдоль последовательности пьезоэлементов, а начало каждого предыдущего пьезоэлемента последовательности расположено относительно начала последующего на расстоянии, увеличивающемся в направлении увеличения толщины пьезослоя (патент РФ №2085983, опубл. 27.07.97., МПК: G02F 1/33). Этот преобразователь также с точки зрения электрической эквивалентной схемы представляет периодическую волноведущую систему фильтрового типа. В патенте рассмотрены варианты конструкций, образующих фильтр высоких частот, фильтр низких частот и полосовой фильтр.
Акустооптическому элементу Брэгга с многоэлементным пьезоэлектрическим преобразователем любой из этих конструкций присущ такой же недостаток, как и элементу Брэгга по а.с. №989520. А именно: низкая эффективность дифракции при работе в диапазоне СВЧ. Требуемый для широкополосной работы акустооптического элемента период расположения пьезоэлектрических элементов с увеличением центральной частоты прибора уменьшается обратно пропорционально квадрату ее величины. Площадь поперечного сечения проводников преобразователя при этом резко сокращается, их сопротивление существенно возрастает, а уровень интенсивности распространяющегося вдоль преобразователя электромагнитного сигнала значительно снижается из-за потерь энергии. Наряду с ослаблением электромагнитного сигнала происходит уменьшение длины акустооптического взаимодействия. В преобразователе рассматриваемой конструкции уменьшение длины акустооптического взаимодействия происходит еще и потому, что в нем пьезоэлектрический слой выполнен переменной толщины. В результате электромагнитный сигнал конкретной частоты преобразуется в акустический сигнал лишь на ограниченном участке преобразователя. Длину этого участка, казалось бы, можно увеличить, увеличив число излучающих элементов с периодом следования соответствующим толщине пьезоэлектрического слоя в данном месте преобразователя. Но рост числа элементов преобразователя с одновременным уменьшением их периода в СВЧ диапазоне приводит к еще более негативному проявлению омических потерь и та часть преобразователя, которая расположена с противоположного от входа сигнала края, не будет вообще работать, поскольку сигнал из-за сильного затухания просто не дойдет до нее. Поэтому полоса рабочих частот значительно уменьшится. Для работы в данном акустооптическом элементе используется один акустический пучок из нескольких, формируемых многоэлементным преобразователем. Интенсивность этого пучка в лучшем случае составляет лишь четвертую часть от общей интенсивности акустических волн, возбуждаемых преобразователем. Соответственно в четыре раза снижается эффективность дифракции по сравнению с акустооптическими элементами, в которых преобразователи формируют один акустический пучок. В силу перечисленных причин эффективность дифракции акустооптического элемента Брэгга рассматриваемой конструкции в верхней части дециметрового и сантиметровом диапазоне длин волн оказывается низкой.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является акустооптический элемент Брэгга, состоящий из фотоупругой среды, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, образованный последовательностью расположенных в ряд электрически соединенных посредством длинных ленточных проводников с одним из электродов передающей линии емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя одинаковой толщины, у которых электроды, расположенные с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя, также соединены непосредственно с этим же электродом передающей линии, причем первый ленточный проводник, соединяющий крайний в ряду емкостной элемент и электрод передающей линии, соединен в своей средней части с другим электродом передающей линии, а электрод каждого емкостного элемента между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой выполнен в виде клина с изменяющейся в направлении ряда емкостных элементов толщиной (Зюрюкин, Ю.А. Дефлекторы лазерного пучка для акустооптической обработки радиосигналов / Ю.А. Зюрюкин, С.В. Заварин, Л.А. Шехтман // Проблемы оптической физики: Материалы 6-й Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. - Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж», 2003. С. 38-43). В акустооптическом элементе Брэгга такой конструкции многоэлементный преобразователь формирует акустическое поле с диаграммой направленности в виде набора лепестков различной интенсивности, один из которых используется для реализации широкополосной дифракции. Благодаря применению расположенных между фотоупругой средой и пьезоэлектрическим слоем постоянной толщины электродов емкостных элементов, выполненных в форме клина с изменяющейся толщиной в направлении ряда емкостных элементов, в рабочем акустическом пучке, с которым взаимодействует свет в широкой полосе частот, сосредоточена большая часть энергии генерируемых преобразователем акустических волн.
Недостатком данного акустооптического элемента Брэгга является низкая эффективность дифракции при работе в верхней части дециметрового и сантиметровом диапазоне длин электромагнитных волн. Электрическая эквивалентная схема преобразователя представляет полосовой фильтр. Электромагнитный сигнал поступает на вход преобразователя и распространяется вдоль него, частично преобразуясь по мере распространения в акустический сигнал на пьезоэлектрических элементах. С ростом рабочих частот для осуществления автоматической подстройки рабочего акустического пучка под условие Брэгга необходимо уменьшать период расположения емкостных элементов обратно пропорционально квадрату частоты. При этом резко уменьшается площадь поперечного сечения проводников преобразователя и растет их сопротивление. Поэтому уровень электромагнитного сигнала снижается и интенсивность акустических волн, возбуждаемых преобразователем, сильно падает. Также из-за уменьшения периода и сильного затухания в преобразователе как волноведущей системе электромагнитного сигнала значительно сокращается длина акустооптического взаимодействия. В результате эффективность дифракции резко уменьшается.
Технической проблемой заявляемого изобретения является существенное повышение эффективности дифракции при работе акустооптического элемента Брэгга в верхней части дециметрового и сантиметровом диапазоне длин электромагнитных волн.
Поставленная проблема решается тем, что в акустооптическом элементе Брэгга, состоящем из фотоупругой среды и акустически связанного с ней многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, содержащего последовательность расположенных в ряд электрически соединенных посредством длинных ленточных проводников с одним из электродов передающей линии емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя одинаковой толщины, у которых электроды, расположенные с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя, также соединены непосредственно с этим же электродом передающей линии, причем первый ленточный проводник, соединяющий крайний в ряду емкостной элемент и электрод передающей линии, соединен в своей средней части с другим электродом передающей линии, а электрод каждого емкостного элемента между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой выполнен в виде клина с изменяющейся в направлении ряда емкостных элементов толщиной, каждый ленточный проводник соединяет группу из нескольких, по крайней мере двух, рядом расположенных емкостных элементов с одним из электродов передающей линии, а зазор между соседними ленточными проводниками равен среднему арифметическому от зазоров между емкостными элементами в крайних парах, расположенных рядом в соседних группах емкостных элементов.
o
зв
o
Кроме того проблема решается тем, что период расположения емкостных элементов в каждой группе, соединенной длинным ленточным проводником с одним из электродов передающей линии, или в каждом равном наборе групп монотонно изменяется от  до , где λ - длина волны света в вакууме, n - показатель преломления фотоупругой среды, ν - скорость упругих волн в фотоупругой среде, ƒ - центральная частота диапазона, Δƒ - полоса рабочих частот.
Поставленная проблема также решается тем, что первый ленточный проводник, соединяющий группу крайних в ряду емкостных элементов и электрод передающей линии, соединен с другим электродом передающей линии посредством образующего индуктивность ленточного проводника.
Проблема решается, кроме того, тем, что ленточный проводник, соединяющий группу емкостных элементов с одним из электродов передающей линии, расположенный на противоположном по отношению к ленточному проводнику, соединенному в своей средней части с другим электродом передающей линии, крае преобразователя, соединен с активной согласующей нагрузкой, сопротивление которой равно волновому сопротивлению передающей линии.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - общий вид заявляемого акустооптического элемента Брэгга, фиг. 2 - схема расположения электродов емкостных элементов с монотонно изменяющимся периодом и заполнением в виде пьезоэлектрического слоя в группе емкостных элементов, соединенной ленточным проводником с электродом передающей линии, фиг. 3 - схема расположения электродов емкостных элементов с монотонно изменяющимся периодом в наборе из двух последовательных групп, соединенных ленточными проводниками с электродом передающей линии, фиг. 4 - электрическая эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя заявляемого акустооптического элемента, когда изменение периода согласно формуле изобретения выполнено в пределах каждой группы емкостных элементов, фиг. 5 - форма поперечного сечения электродов в емкостных элементах преобразователя с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя одинаковой толщины и электродом в виде клина между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - фотоупругая среда, 2 - пьезоэлектрический слой, 3 - два общих проводника, электрически замкнутых на один из электродов передающей линии, 4 - ленточный проводник, соединяющий группу емкостных элементов с одним из электродов передающей линии, 5 - группа емкостных элементов преобразователя, 6 - ленточный проводник, соединяющий преобразователь со вторым электродом передающей линии, 7 - активная согласующая нагрузка, 8 - электроды емкостных элементов с одной стороны пьезоэлектрического слоя, соединенные ленточными проводниками с замкнутым на один из электродов передающей линии общим проводником, 9 - электроды емкостных элементов с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя, соединенные непосредственно с замкнутым на один из электродов передающей линии общим проводником, 10 - волновая поверхность упругой волны, возбуждаемой пьезоэлектрическим элементом, 11 - набор из соединенных ленточными проводниками с общим проводником двух групп емкостных элементов, в котором период следования элементов монотонно изменяется, 12 - электрод емкостного элемента клиновидной формы между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой.
o
зв
o
Предлагаемый акустооптический элемент Брэгга (фиг. 1) включает фотоупругую среду 1, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, содержащий последовательность размещенных в ряд емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя 2 одинаковой толщины. Весь ряд емкостных элементов преобразователя поделен на равные по длине в направлении ряда группы 5. Электроды емкостных элементов 8 (фиг. 2) с одной стороны пьезоэлектрического слоя 2 в каждой группе 5 соединены посредством ленточного проводника 4 с общим проводником 3, который замкнут на один из электродов передающей линии. Электроды емкостных элементов 9 с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя 2 соединены непосредственно с общим проводником 3, который замкнут на один из электродов передающей линии. Электроды 8 в каждой группе или все электроды 9 с одной из сторон пьезоэлектрического слоя 2 могут быть выполнены как общий электрод в виде полуплоскости. Электроды емкостных элементов 8 и 9 разделены пьезоэлектрическим слоем 2 одинаковой по всему преобразователю толщины и перекрывают друг друга, образуя ряд пьезоэлектрических излучателей упругих волн 10 (фиг. 5). Электроды емкостных элементов 8 и (или) 9 в группе 5 (фиг. 2) или в каждом равном наборе групп 11 (фиг. 3) расположены с периодом следования, монотонно изменяющимся от  до , где λ - длина волны света в вакууме, n - показатель преломления фотоупругой среды, ν - скорость упругих волн в фотоупругой среде, ƒ - центральная частота диапазона, Δƒ - полоса рабочих частот. Зазор между соседними ленточными проводниками 4 равен среднему арифметическому от зазоров между электродами 8 или 9 в крайних парах, расположенных рядом в соседних группах 5 емкостных элементов. В каждом емкостном элементе электрод 12 (это может быть электрод 8 или 9), расположенный между фотоупругой средой 1 и пьезоэлектрическим слоем 2 (фиг. 5), имеет форму клина с толщиной, изменяющейся в направлении ряда емкостных элементов. Один из крайних ленточных проводников 4 в своей средней части соединен посредством образующего индуктивность ленточного проводника 6 с электродом передающей линии, а другой крайний ленточный проводник 4 соединен с активной согласующей нагрузкой 7.
п
1
2
m
0
в
н
1
2
m
Заявляемый акустооптический элемент Брэгга работает следующим образом. Электромагнитный СВЧ сигнал подают по передающей линии на обладающий индуктивностью ленточный проводник 6, который электрически соединен с первым ленточным проводником 4 пьезоэлектрического преобразователя. Этот ленточный проводник 6 образует элемент, который улучшает согласование входного сопротивления непосредственно самого преобразователя с волновым сопротивлением передающей линии. За счет лучшего согласования и уменьшения КСВН на входе преобразователя уменьшается доля отраженной от входа преобразователя энергии электромагнитного сигнала и, следовательно, увеличивается доля энергии преобразуемой в энергию упругих волн. Это является одним из факторов, способствующих увеличению эффективности дифракции акустооптического элемента Брэгга. Далее электромагнитный сигнал поступает на пьезоэлектрические элементы преобразователя первой в ряду группы 5 емкостных элементов. Электрическая эквивалентная схема преобразователя предлагаемого акустооптического элемента Брэгга представляет собой полосовой фильтр (фиг. 4). Каждый ленточный проводник 4 обладает индуктивностью L. Электроемкости пьезоэлектрических элементов количеством m штук в группе 5, соединенной ленточным проводником 4 с общим проводником 3, обозначены на рисунке (фиг. 4) как С, С, …С. Сопротивление резистора R обусловлено преобразованием группой 5 пьезоэлектрических элементов части электромагнитной энергии в энергию упругих волн и активным сопротивлением ленточного проводника 4. Электрические емкости С обозначают емкости между соседними ленточными проводниками 4. Индуктивности L обусловлены взаимной индуктивностью соседних ленточных проводников 4. Согласующая нагрузка обозначена как R. Такая фильтровая система является волноведущей системой, вдоль которой распространяется поступивший на вход электромагнитный сигнал, и который по мере распространения по системе преобразуется на пьезоэлектрических элементах С, С, …С в каждой группе 5 емкостных элементов в акустический сигнал. Таким образом, уровень электромагнитного сигнала уменьшается по мере его распространения вдоль преобразователя из-за преобразования в акустический сигнал и из-за потерь энергии в обладающих активным сопротивлением ленточных проводниках 4. В реальных преобразователях СВЧ диапазона, в которых период расположения емкостных элементов составляет десятки микрометров и менее, а также из-за сильного проявления скин-эффекта, сопротивление проводников велико и ослабление электромагнитного сигнала в основном обусловлено потерями энергии в ленточных проводниках. Поэтому соединение группы 5 емкостных элементов преобразователя с общим проводником 3 посредством широкого ленточного проводника 4, обладающего, учитывая сильное проявление скин-эффекта в СВЧ диапазоне, значительно меньшим активным сопротивлением, чем у узких ленточных проводников соединяющих каждый емкостной элемент по отдельности, позволяет значительно снизить потери энергии и увеличить эффективность дифракции акустооптического элемента. Уменьшение затухания электромагнитного сигнала в преобразователе позволяет также увеличить его длину, а значит увеличить длину акустооптического взаимодействия и тем самым еще больше повысить эффективность дифракции акустооптического элемента. Но поскольку длинный преобразователь постоянного периода излучает акустический пучок, обладающий небольшой дифракционной расходимостью, которая недостаточна для наблюдения дифракции в широкой полосе частот, то с целью сохранения широкой полосы рабочих частот акустооптического элемента при высокой эффективности дифракции емкостные элементы в преобразователе расположены с монотонно изменяющимся периодом согласно формуле изобретения. Часть преобразователя, в которой емкостные элементы расположены с наименьшим периодом, обеспечивает выполнение условия Брэгга и работу акустооптического элемента в средней части диапазона рабочих частот. Часть преобразователя, в которой емкостные элементы имеют наибольший период следования, обеспечивает выполнение условия Брэгга и работу акустооптического элемента на низкочастотном и высокочастотном краях диапазона. Так как уровень электромагнитного сигнала по мере распространения в преобразователе как волноведущей системе уменьшается по экспоненциальному закону, то акустический сигнал, возбуждаемый участком преобразователя, расположенного в конце системы, оказывается слабым. Если в преобразователе с монотонно изменяющимся по всей его длине периодом расположения емкостных элементов электромагнитный сигнал от передающей линии поступает на участок преобразователя с большим периодом, то из-за сильного уменьшения уровня электромагнитного сигнала в преобразователе с большим числом пьезоэлектрических элементов эффективность дифракции акустооптического элемента в средней части диапазона оказывается крайне низкой или дифракция совсем отсутствует. Если электромагнитный сигнал от передающей линии поступает на участок преобразователя с малым периодом расположения емкостных элементов, то эффективность дифракции акустооптического элемента значительно снижается или спадает до нуля на низкочастотном и высокочастотном участках диапазона. В преобразователе заявляемого устройства емкостные элементы расположены с периодом, изменяющимся от минимального до максимального значения в соответствии с формулой изобретения в пределах одной группы 5 или в пределах равного набора групп 11. Поэтому и участки преобразователя с малым периодом расположения емкостных элементов и участки с большим периодом возбуждают упругие волны практически одинаковой интенсивности. А эффективность дифракции оказывается практически одинаковой по всему диапазону рабочих частот. Последний по ходу электромагнитного сигнала ленточный проводник 4 соединен посредством ленточного проводника, обладающего индуктивностью, с активной согласующей нагрузкой 7 с сопротивлением равным волновому сопротивлению передающей линии. В результате, если электромагнитный сигнал на выходе из волноведущей системы имеет уровень отличный от нуля, то он поглощается нагрузкой 7. А в волноведущей системе преобразователя отраженный и распространяющийся в направлении передающей линии электромагнитный сигнал отсутствует. Поэтому преобразователь не будет возбуждать дополнительные акустические волны, с которыми мог бы взаимодействовать падающий свет, и в результате которого возникли бы паразитные дифрагированные лучи. Отсутствие отраженного электромагнитного сигнала приводит также к уменьшению КСВН на входе преобразователя. При распространении по преобразователю в прямом направлении электромагнитного СВЧ сигнала, в пьезоэлектрическом слое 2 за счет обратного пьезоэффекта в емкостных элементах возникают механические колебания с частотой электромагнитного сигнала. Эти механические колебания распространяются в направлении фотоупругой среды 1 и проходят сквозь клиновидный электрод 12. Так как пьезоэлектрический слой 2 расположен на клиновидном электроде 12, то поверхность результирующего волнового фронта акустической волны 10, излучаемой совокупностью всех емкостных элементов с близким значением периода, составляет с плоской поверхностью фотоупругой среды 1, на которой расположен преобразователь, угол, величина которого зависит от перепада толщины клиновидного электрода 12 на период следования емкостных элементов р (фиг. 5). Выбирая в заявляемом акустооптическом элементе, максимальную толщину клиновидного электрода, равную половине длины акустической волны Λ/2, излучаемой на центральной частоте диапазона, а минимальную толщину при совпадении ширины электродов и зазоров между ними равную нулю, можно получить акустическую волну с практически плоским результирующим волновым фронтом 10. В итоге получается диаграмма направленности преобразователя, состоящая практически из одного акустического пучка. Изменение частоты электромагнитного сигнала сопровождается изменением длины возбуждаемой акустической волны Λ, а, следовательно, приводит к изменению угла наклона ее результирующего волнового фронта 10. При выборе периода расположения емкостных элементов в соответствии с формулой изобретения изменение наклона результирующего волнового фронта 10 обеспечивает выполнение условия Брэгга в широкой полосе частот. В результате концентрации акустической энергии преимущественно в одном узком лепестке диаграммы направленности электроакустического преобразователя эффективность дифракции падающего светового пучка на акустических волнах существенно увеличивается.
3
0
Для экспериментальной проверки работоспособности высокочастотного акустооптического элемента Брэгга предлагаемой конструкции был изготовлен образец устройства на основе кристалла ниобата лития (LiNbO). Оптические грани кристалла были выбраны так, что направление распространения излучения He-Ne лазера (λ=632,8 нм), поляризованного в плоскости перпендикулярной плоскости дифракции, составляло угол 40° с кристаллографической осью Y и 60° с осью Z. Расположенный на кристалле ниобата лития электроакустический преобразователь на основе пьезоактивной пленки оксида цинка (ZnO) генерировал продольные акустические волны, распространяющиеся вдоль оси кристалла X. Каждая группа емкостных элементов преобразователя содержала по 8 элементов и соединялась нанесенным на кристалл медным ленточным проводником шириной 0,5 мм и длиной 6 мм с общим проводником, замкнутым на внешний провод коаксиальной передающей линии. Период расположения емкостных элементов в каждом из 6 наборов, состоящем из двух групп, монотонно уменьшался от 67 мкм до 59 мкм. Общая длина преобразователя составляла 6 мм, на которой размещались 12 групп емкостных элементов. Клиновидный электрод каждого емкостного элемента был выполнен из меди. Его толщина изменялась от нуля до 1,0 мкм. Поверх клиновидных электродов был нанесен пьезоэлектрический слой оксида цинка толщиной 1,1 мкм. Верхние электроды каждого емкостного элемента толщиной 0,2 мкм выполнены из алюминия. Размер перекрытия электродов емкостных элементов в направлении перпендикулярном плоскости дифракции составлял 200 мкм. Исследование диаграммы направленности преобразователя экспериментального образца элемента Брэгга при угловой расстройке показало, что на центральной частоте 2,25 ГГц преобразователь излучает большую часть акустической энергии в рабочий лепесток, на котором и происходит эффективная дифракция падающего луча лазера. Элемент Брэгга с указанными параметрами работал в полосе частот 1,5 ГГц при максимальной эффективности дифракции 5%/Вт.