WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 11 07;08;09 Метод создания широкополосных акустооптических гиперзвуковых брэгговских ячеек © В.В. Петров Саратовский государственный университет, 410071 Саратов, Россия (Поступило в Редакцию 13 мая 1996 г.) Обсуждается метод создания широкополосных акустооптических гиперзвуковых ячеек, основанный на использовании многоэлементных электроакустических преобразователей, представляющих собой структуры с частотно зависимым в общем случае сдвигом фазы на ячейку, а также с изменяющимся шагом между элементами. Показано, что описываемый метод позволяет создавать высокоэффективные брэгговские ячейки с полосой частот 3 GHz и более.

Введение оптимального значения полосы, соответствующего 10% или 1 GHz. При необходимости реализации широкой полосы частоты (50% и более) выигрыш от использования Акустооптические (АО) брэгговские устройства наописанных периодических многоэлементных преобразошли широкое применение в современных системах оптивателей не превышает 2 в сравнении с одноэлементным.

ческой обработки информации. Информационная емВ настоящей работе предлагается и анализируется возкость таких систем зависит в основном от абсолютной можность дополнительного существенного расширения полосы частот АО брэгговской ячейки. Полоса частот полосы частот брэгговских акустооптических устройств АО ячейки, обеспечивающей высокое частотное разреза счет создания такой системы многоэлементных прешение (дефлектора) при использовании одноэлементнообразователей, которая обеспечивает точную автоподго преобразователя, определяется расходимостью звукостройку фронта звуковой волны под угол Брэгга в тревого пучка, а апертура светового пучка в этом случае буемой полосе частот. При этом снимается ограничение выбирается, как правило, достаточно большой, так что на длину преобразователя, связанное с несоответствиего расходимость оказывает незначительное влияние на ем частотного закона сканирования звукового пучка и полосу частот.

брэгговского условия; эти ограничения теперь могут При расширении полосы путем увеличения расходилишь касаться проблем электрического согласования, мости звукового пучка приходится уменьшать протягеометрии рассеяния и др.

женность АО взаимодействия, что ведет к уменьшению дифракционной эффективности. Известны способы расширения полосы частот дефлекторов путем реализации Анализируемая модель дифракции света в условиях АО резонанса [1], при комногоэлементного преобразователя тором резко возрастает коэффициент упругооптического качества, что может быть использовано для увеличения полосы простым сокращением длины области взаимодей- Не нарушая строгости рассуждений, касающихся основных принципов предлагаемого метода, для изоствия, путем анизотропной брэгговской дифракции [2,3], тропного акустооптического взаимодействия ограничимкогда требуемый угол падения света на АО ячейку слабо ся рассмотрением случая изотропной акустооптической меняется в некоторой полосе частот, а также путем применения решеток преобразователей с заданным сдви- среды. Будем обсуждать случай АО дефлектора, т. е.

когда падающий пучок света имеет широкую апертуру и гом фазы на период [4–6], реализующих автоподстройку полоса частот акустооптического взаимодействия опрезвукового пучка под угол Брэгга. Однако эти методы деляется в большей степени расходимостью или автоне обеспечивают точного выполнения условия Брэгга подстройкой звукового пучка. Рассмотрим в начале пев заданной полосе частот, что ведет к необходимости риодическую систему пьезоизлучателей. Предположим, ограничивать длину преобразователя и соответственно что многоэлементная структура пьезоэлементов имеет дифракционную эффективность. В работе [7] показано, что энергетический выигрыш от использования много- длину L (вдоль оси x прямоугольной системы координат) элементных преобразователей увеличивается с увеличе- и период l, так что число элементов равно L/l = n нием центральной частоты рабочего диапазона. Так, вы- (рис. 1). Будем считать, что протяженность одного излучателя (a) вдоль АО взаимодействия много меньше игрыш в эффективности дифракции при использовании его длины, тогда справедливо рассмотрение двумерной ”однолепесткового” многоэлементного преобразователя модели в плоскости xz (y = 0).

по сравнению с одноэлементным на частоте 10 GHz может достигать 30 раз при одинаковой полосе рабочих В общем случае такая структура может быть предчастот, однако такой выигрыш реализуется лишь для ставлена как некоторая волноведущая система. Следуя 54 В.В. Петров падения света, отсчитываемый против часовой стрелки от положительного направления координатной оси x, вдоль которой расположена многоэлементная структура, а индекс i характеризует направление падающего света.С учетом вышеприведенных выражений для m( f ) и b( f ) можно переписать 0i = arcsin [V /2][m( f )/l f ] -(-1)i arcsin (0/2n0V ) f, (1) где V /2 и n0 —константы, f — переменная, 0 — фиксированное значение длины волны света.

Очевидно, что точная автоподстройка в заданной полосе частот (изменение угла m в точном соответствии с изменением брэгговского угла b) возможна лишь при изменении с частотой либо сдвига фазы на период для выбранной пространственной гармоники m( f ), либо периода системы l. В последнем случае система перестает быть периодической.

Условия точной автоподстройки под угол Брэгга Возможность точной автоподстройки посредством Рис. 1. Геометрия акустооптического взаимодействия для обеспечения идеальной (требуемой) зависимости сдвига различных направлений падения светового пучка с волновым фазы на период в многоэлементном преобразователе вектором k0 (-k0).

обсуждалась ранее в работах [5,9,10]. Формула для определения идеальной зависимости mid( f )может быть получена из соотношения (1) и имеет вид mid(f ) =(2 fl/V) подходу, предложенному в работе [5], и принимая во внимание теорему Флоке [8], мы будем рассматривать sin 0i +(-1)i arcsin(0 f /2n0V ). (2) электрическое поле в многоэлементной системе как бесконечную сумму пространственных гармоник, каждая Рассмотрим другой вариант обеспечения точной ав(m-я) из которых имеет волновое число m. Если топодстройки в заданной полосе частот. Предположим, сдвиг фазы между соседними элементами 0( f ), то сдвиг что длина L многоэлементной структуры сколь угодно фазы на период для m-й пространственной гармоники велика. Будем также считать, что шаг системы l, неm( f ) = 0( f ) + 2m или m = ml. Каждая значительно изменяется в пределах некоторого участка m-я гармоника электрического поля возбуждает плоскую длины L, так что его можно считать практически акустическую волну, движущуюся со скоростью звука V постоянным. В этом случае рассуждения о разложении в направлении волнового вектора Km, модуль которого электрического поля в преобразователе и возбуждаемого равен K = 2/=2 f /V, где — длина звуковой вол- им акустического поля в кристалле по пространственны. Волновое число m есть модуль проекции волнового ным гармоникам остаются справедливыми, верна таквектора K на плоскость преобразователя m = m( f )/l. же формула (1). Получим теперь из выражения (1) Тогда закон изменения с частотой угла m наклона соотношение для нахождения периода преобразователя, фронта m-й гармоники акустического поля запишется как который для каждой частоты заданной рабочей полосы m = arcsin[m( f )V /2 fl]. Брэгговское условие имеет будет обеспечивать наклон фронта акустической волны вид b = arcsin(0 f /2n0V ), где 0 — длина волны света в точном соответствии с условием Брэгга в вакууме, n0 — показатель преломления. Если предl = mV/2 f sin 0i +(-1)i arcsin(0 f /2n0V). (3) положить, что многоэлементная структура обеспечивает точную коррекцию акустического волнового фронта в Следует отметить, что если индекс i равен 1 для многоэлементной требуемой полосе частот, тогда для четырех вариантов системы с ”нормальной” дисперсией или для систем с не зависящим геометрии акустооптического взаимодействия, показан- от частоты сдвигом фазы на период, то обеспечивается режим ”автоподстройки”, в этом случае при i = 2 происходит ”авторасстройка” ных на рис. 1 (a — i = 1, b — i = 2 (при падении условия Брэгга при малейшем изменении частоты, т. е. АО ячейка начисвета с волновым вектором k0 или -k0)), справедлинает работать как АО фильтр. Для систем с ”аномальной” дисперсией во соотношение, характеризующее неизменность угла ситуация меняется на противоположную, т. е. i = 2 соответствует падения 0i = m( f ) - (-1)ib, где 0i — угол автоподстройке, а i = 1 — авторасстройке.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Метод создания широкополосных акустооптических гиперзвуковых брэгговских ячеек определяется уже не требуемой шириной полосы частот f = fmax - fmin, а оптимальным выбором параметров f, L, L1, h и l. Дифракционная эффективность в этом случае будет определяться длиной участка L.

На рис. 2 показана геометрия акустооптического взаимодействия для случая (i = 1), когда точная автоподстройка под угол Брэгга в требуемой полосе частот обеспечивается многоэлементным преобразователем с переменными шагом многоэлементной структуры и толщиной пьезослоя. Эту систему автоподстройки можно называть моделью движущегося окна.

Вопросы электрического согласования Рис. 2. Точная автоподстройка под угол Брэгга с помощью Проблема создания широкополосных брэгговских акумногоэлементного преобразователя с переменными параметрастооптических ячеек может быть условно разделена ми.

на три задачи: 1) выполнение брэгговского условия в заданной полосе частот, 2) генерация акстических колебаний в требуемой полосе, 3) обеспечение в этой Угол падения 0i здесь равен углу Брэгга для некото- полосе электрического согласования преобразователя с рой фиксированной частоты fc: 0i = arcsin(0 fc/2n0V ). волноведущим трактом. Для случая многоэлементных Таким образом, если построить многоэлементную струк- преобразователей с переменными параметрами эти затуру, которая имеет изменяющиеся вдоль длины L рас- дачи взаимно дополняют друг друга и должны решаться стояния между центрами соседних элементов (l) по совместно. Основной особенностью обсуждаемых здесь закону (3), то для любого малого участка f рабо- многоэлементных структур с точки зрения электрическочего диапазона найдется область преобразователя L, го согласования является различие геометрических разна которой шаг системы изменяется на l и которая меров единичных излучателей. Рассматривая многоэлебудет излучать акустическую энергию в направлении, ментный преобразователь как волноведущую структуру, соответствующем условию Брэгга. Эта область (L) имеющую некоторый сдвиг фазы на элемент, его эквинапоминает окно, перемещающееся от начала преобра- валентную схему можно представить как многозвенную зователя к его концу при изменении частоты от fmin цепь, каждое звено которой в общем случае содержит до fmax. Очевидно, что только та доля акустического активные и реактивные элементы, имеющие изменяющипучка, которая излучается областью L, будет уча- еся от звена к звену значения. В таком представлении ствовать в акустооптическом взаимодействии. При этом, основная проблема электрического согласования своесли пьезослой электроакустического преобразователя дится к обеспечению согласования соседних звеньев и имеет одинаковую толщину по всей длине и рассчитан такого режима, при котором для электрического сигнала, таким образом, что обеспечивает столь же широкую движущегося вдоль преобразователя, частотная полоса полосу, что и требуемая полоса АО взаимодействия, то каждого последующего звена включала бы частотную часть излучаемой акустической энергии, не участвующая полосу предыдущего звена. Например, на рис. 3 приведен во АО взаимодействии, будет теряться подобно тому, вариант многоэлементного преобразователя фильтровокак это происходит в АО ячейках с одноэлементным го типа (T — звенья фильтра низких частот). Здесь от преобразователем, возбуждающем сильно расходящийся звена к звену изменяются параметры преобразователя:

акустический пучок, что, безусловно, повлияет на эф- его сопротивление излучения R, емкость C и индуктивфективность АО взаимодействия. По этой причине для ность L. Эти параметры рассчитываются таким образом, обсуждаемой системы с переменным шагом наиболее логичным является использование пьезопреобразователя, имеющего плавно или ступенчато изменяющуюся по длине толщину пьезослоя. Такой пьезопреобразователь должен быть рассчитан так, чтобы для каждого малого участка частотного диапазона f возбуждение акустической энергии происходило в окне длиной L1 = L.

Причем закон изменения толщины пьезослоя h( f ) должен обеспечивать согласованное движение вдоль системы окна L, открывающего часть решетки, и окна L1, на котором толщина пьезослоя изменяется на h. При Рис. 3. Эквивалентная схема многоэлементного преобразоватаком подходе выбор полной длины преобразователя L теля с переменными параметрами.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 56 В.В. Петров чтобы выходное характеристическое сопротивление Z2 низкочастотном краю до десяти раз на высокочастотном каждого последующего звена было бы равно входному краю диапазона, однако при этом кривая приобретает характеристическому сопротивлению Z1 последующего. симметричный характер и перепад значений шага струкПри этом для рассматриваемого примера — преобразо- туры оказывается не столь значительным (не более двух вателя типа фильтр низких частот входной электриче- раз) во всем рабочем диапазоне частот, что говорит о ский сигнал должен подаваться на звено, имеющее самую возможности получения более высокой дифракционной высокую граничную частоту c = 2/(LC)1/2. эффективности. Для случая i = 2 шаг структуры принимает максимальные значения, когда угол падения равен 0.

При увеличении угла падения (например, до значения, Пример расчета многоэлементной соответствующего углу Брэгга на частоте 4.1 GHz) шаг структуры с переменными параметрами структуры уменьшается от нескольких десятков раз, на низкочастотном краю рабочего диапазона до двух раз Рассмотрим конкретный пример акустооптической на высокочастотном краю диапазона при незначительном ячейки, в которой реализуется точная автоподстройка уменьшении перепада значений на краях диапазона. Слепод угол Брэгга в полосе 3 GHz (от 1 до 4 GHz) посреддует обратить внимание на существенную особенность ством использования многоэлементного преобразоватегеометрии при i = 2 и когда проекции волновых векторов ля с плавно меняющимися параметрами и постоянным падающего света и звука имеют встречное направление (равным ) сдвигом фазы между соседними элементами.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.