WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 5 07;08;12 Взаимодействие света с акустическими волнами, возбуждаемыми синфазным многоэлементным преобразователем в диапазоне 1.0–2.5 GHz © М.А. Григорьев, А.В. Толстиков, Ю.Н. Навроцкая Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, 410012 Саратов, Россия e-mail: magrig@sgu.ru (Поступило в Редакцию 20 сентября 2005 г.) Исследовано взаимодействие слабо расходящегося пучка света и звуковой волны, возбуждаемой на частотах 1–2.5 GHz синфазным многоэлементным электроакустическим пьезопреобразователем. Пьезоэлектриком служит пластинка LiNbO3 (Y + 36)-среза, закрепленная с помощью металлических „подслоев“ (Cr, Cu, In, Cu, Cr) на поверхности звуковода из LiNbO3 X-среза. Синфазная структура преобразователя образуется „верхними“ электродами, соединенными между собой короткими проводниками. Сигнал подводится коаксиальным ступенчатым переходом. Рассчитаны частотные зависимости коэффициента электроакустического преобразования и эффективности акустооптического взаимодействия. Описаны установка, методика измерений и результаты эксперимента.

PACS: 43.35.Ud Введение периодических волноведущих структур, электромагнитное поле которых описывается суммой пространственПьезопреобразователь возбуждает в звукопроводе ных гармоник. АО-взаимодействие при этом рассматриупругие волны, характеризующиеся определенным угвается как взаимодействие света со сканирующей в заловым спектром. В случае акустооптического (АО) висимости от частоты парциальной упругой волной, воздефлектора при направлении плоской световой волны на буждаемой какой-либо одной из пространственных гарупругую волну заданной частоты лишь одна из составмоник. При реализации широкополосных АО-устройств ляющих этого спектра удовлетворяет условию Брэгга.

стремятся создать многоэлементную структуру, в котоПри изменении частоты брэгговскому условию начирой соседние пьезоэлементы возбуждаются со сдвигом нает удовлетворять уже другая составляющая. Именно по фазе, зависящем от частоты по закону, максимально поэтому дифрагированный свет при неподвижных звуприближенному к оптимальному [1]. Это существенно копроводе и источнике света наблюдается в некоторой усложняет конструкцию МЭАП и затрудняет ее реаполосе частот. Ширина последней тем больше, чем шире лизацию. К тому же использование пьезоэлектрических угловой спектр. Увеличение диапазона рабочих частот пленок, напыляемых в вакууме, с невысоким коэффидефлектора может достигаться расширением углового циентом электромеханической связи, также затрудняет спектра за счет сокращения размера преобразователя.

получение эффективных и широкополосных преобразоОднако „размазывание“ электромагнитной (ЭМ) мощнователей.

сти, подводимой к преобразователю, по составляющим Целью настоящей работы является теоретическое и углового спектра, приводит к падению эффективности экспериментальное исследование АО-взаимодействия в АО-взаимодействия. Положение усугубляется еще и тем, случае применения простейшего варианта МЭАП, у кочто уменьшение размера преобразователя вызывает сниторого все пьезоэлементы возбуждаются синфазно (СФ).

жение предельно допустимой ЭМ-мощности, подаваеТакой преобразователь характеризуется диаграммой намой на преобразователь.

правленности, плоскость симметрии которой перпендиУлучшить это положение можно, применив мнокулярна продольной оси многоэлементной структуры.

гоэлементные электроакустические преобразователи Центральный лепесток диаграммы остается неподвиж(МЭАП). Известно, что последние возбуждают сканируным при изменении частоты, а боковые — сканируют.

ющие, в зависимости от частоты, акустические пучки.

Последнее обстоятельство может быть использовано Это позволяет применять их в АО-устройствах для для осуществления автоподстройки „под угол Брэгга“.

увеличения диапазона частот, в котором наблюдается Тот факт, что на долю центрального, несканирующеАО-взаимодействие за счет автоподстройки „под угол го, лепестка приходится наибольшая часть излучаемой Брэгга“. Заодно удается увеличить общую площадь акустической мощности, является главным недостатком преобразователя и поднять допустимую ЭМ-мощность СФ-преобразователя. Здесь мы намереваемся выяснить подводимого сигнала.

целесообразность применения в АО-дефлекторе синфазПринципы использования МЭАП с указанной целью проанализированы в работе [1]. В основу анализа поло- ного МЭАП. Исследования выполняются для конкретжена идея о представлении таких преобразователей как ного случая, когда пьезоэлектриком служит пластинка Взаимодействие света с акустическими волнами, возбуждаемыми синфазным многоэлементным... из LiNbO3 (Y + 36)-среза, возбуждающая продольные ( = 0) независимо от частоты, т. е. преобразователь объемные упругие волны, а фотоупругой средой — можно считать синфазным.

ниобат лития X-среза. Структура многоэлементного СФ-преобразователя, Нам представляется, что СФ-преобразователь выгодно исследованного в настоящей работе, такова. На торце отличается от других типов МЭАП простотой реали- звукопровода (LiNbO3), перпендикулярном оси X кристаллографической системы координат, методом диффузации. Полезно выяснить, какова будет в таком случае зионной сварки в вакууме была закреплена пластинка АО-эффективность дефлектора.

ниобата лития (Y + 36) — среза с помощью следующих металлических слоев и соответствующих им толщин:

Синфазный многоэлементный хром — 0.03, медь — 0.04, индий — 0.78, медь — 0.04, преобразователь хром — 0.03 µm. Затем шлифованием и полировкой ее толщина была доведена до 1.8 µm. C помощью пружины Простейший СФ МЭАП представляет собой пьезок ней прижимался верхний электрод, выполненный в виэлектрическую пластину, заключенную между двумя де гребенки прямоугольного профиля с периодом 98 µm.

электродами, с помощью которых в ней создается Зубья последней имели размеры: высота 10, длина сигнальное электрического поле. Нижний сплошной, вдоль преобразователя 40, ширина 200 µm. Последняя электрод одновременно служит связкой между звуковеличина была выбрана в результате анализа влияния проводом и пьезопластиной. Верхний выполнен в виде поперечной расходимости акустического пучка на эфпериодической последовательности металлических пофективность АО взаимодействия [3].

лос, электрически соединенных между собой короткими проводниками. Если последние имеют небольшую Коэффициент электроакустического длину, то их вкладом в полную проводимость МЭАП преобразования (адмитанс) можно пренебречь, а разность фаз колебаний любой пары элементов считать равной нулю. Адмитанс Расчет показывает [4,5], что в нашем случае модуль такого преобразователя равен сумме адмитансов отдельимпеданса анализируемого многоэлементного преобраных элементов, что оправдывается малыми размерами зователя |ZMEAT |, состоящего из 35 элементов, на чапреобразователя в целом по сравнению с длиной элекстоте 1.75 GHz близок к 1. В простейшем случае для тромагнитной волны.

передачи электромагнитной мощности от генератора Период l СФ-преобразователя, обеспечивающего авк МЭАП обычно используется передающая линия без топодстройку „под угол Брэгга“, вычисляется [2] по дополнительных реактивных согласующих устройств.

формуле 2 Поглощаемая нагрузкой мощность достигает максимуl = 2nv2 / f 0, (1) su ма, когда выбирается линия с волновым сопротивлегде n — показатель преломления в звукопроводе, vsu — нием, равным модулю импеданса преобразователя [4].

скорость звука в нем, f — центральная частота диапа0 Такую линию будем называть оптимальной. Для нее зона, 0 — длина волны света в вакууме.

Z0,opt = |ZMEAT |. Для согласования стандартной линии В случае, когда фотоупругой средой служит нио(Z0 = 50 ) с оптимальной (Z0,opt 1 ) в настоящей бат лития X-среза, в котором возбуждается продоль- работе использовался коаксиальный трехступенчатый ная упругая волны (vsu = 6.57 · 103 m/s), для необык- чебышевский переход. Полагая, что такое согласование новенного света (0 = 0.63 µm, n = ne = 2.2), при реализуется в достаточно широкой полосе частот, для f = 1.75 GHz, из (1) имеем l = 98 µm. В [2] показано, численного анализа свойств преобразователя мы восчто для CФ МЭАП в приближении малых брэгговских пользовались алгоритмом и программами работы [5], углов необходимое число элементов, обеспечивающее заданную рабочую полосу частот дефлектора, определяется формулой M (5.57/)( f / f )2/2, (2) где f — полуширина рабочей полосы частот.

Если f = 0.3GHz, из (2) имеем M = 35. При этом полная длина МЭАП L = M l = 3.43 mm, что почти в 50 раз меньше длины электромагнитной волны на центральной частоте. В таком случае волновым характером тока в соединительных проводниках допустимо пренебречь. Если к тому же учесть, что длины этих проводников составляют приблизительно половину периода МЭАП ( 50 µm), то индуктивность их также можно считать пренебрежимо малой. В таком случае разность Рис. 1. Зависимости коэффициентов преобразования от часфаз колебаний любой пары элементов близка к нулю тоты.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 90 М.А. Григорьев, А.В. Толстиков, Ю.Н. Навроцкая посвященной расчету коэффициента передачи многослойного пьезопреобразователя с тыльной акустической нагрузкой. На рис. 1 представлены полученные зависимости коэффициента преобразования ( f ) =Pac/PEM+ от частоты. Здесь Pac — акустическая мощность возбужденной упругой волны, PEM+ — электромагнитная мощность прямой волны, подходящей по передающей линии к преобразователю. При анализе было принято:

Z0,opt = 1.0, коэффициент электромеханической связи k = 0.49, относительная диэлектрическая проницаемость r = 60. Кривая 1 на рис. 1 соответствует случаю, когда гребенчатый электрод не состоит в акустическом контакте с пьезоэлектрической пластинкой, т. е.

соответствующая граничная поверхность пьезоэлектрика считается акустически свободной. Кривые 2 и представляют зависимости для электродов, находящихся в акустическом контакте с пьезопластиной и, таким Рис. 2. Внешний вид дефлектора.

образом, являющихся одновременно тыльной акустической нагрузкой. Случай 2 — для гребенчатого электрода из алюминия, а 3 — из меди. Акустические волновые диаметр 4 mm. Другие ступеньки имели волновые сопросопротивления для алюминия и меди принимались сотивления 8.33 и 28.5. Чтобы сократить общую длину ответственно равными, kg/(mm2s) : 17 и 42. Видно, что чебышевского перехода, его ступеньки располагались если электрод не является акустической нагрузкой на „друг в друге“. Таким образом удалось довести длину пьезоэлемент (кривая 1 на рис. 1), то максимальное трехступенчатого перехода до 40 mm при наружном расчетное значение величины ( f ) составляет — 2.0 dB диаметре 21 mm. Внутренний проводник выходной стуи не спадает больше, чем на 3 dB в диапазоне от 1.пеньки имел телескопическую конструкцию, раздвигаедо 2.25 GHz. Во втором случае (кривая 2 на рис. 1), когда мую расположенной внутри пружиной, что обеспечивагребенка выполнена из Al, максимальный коэффициент ло контролируемый прижим гребенки к пьезопластинке.

преобразования ( f ) падает до — 7 dB, а ширина полосы Подвижная часть этого проводника была изготовлена из увеличивается на 0.3 GHz. В случае медной гребенки оксидированного дюралюминия, вместе с неподвижной (кривая 3 на рис. 1) наибольшее значение ( f ) опускачастью она образовывала коаксиальный четвертьволноется до -10 dB и смещается в сторону низких частот вый трансформатор, в котором окись алюминия игра(0.9 GHz). Полоса „по уровню 3 dB“ заняла интервал ла роль диэлектрического заполнения. Таким образом от 0.4 до 2.2 GHz. Как и следовало ожидать, электрод обеспечивалось бесконтактное соединение гребенки с из алюминия, обладая меньшим акустическим волновым центральным проводником выходной ступеньки чебысопротивлением, слабее влияет на эффективность пре- шевского перехода. На рис. 2 представлен внешний вид образователя, чем медный. дефлектора.

Исследовалось также влияние паразитной шунтирующей емкости, обусловленной промежутками между Эффективность акустооптического пьезоэлементами, с воздушным заполнением. Для укавзаимодействия занных выше размеров гребенки эта емкость не превышала 0.4 pF. Расчет показал, что она практически не Эффективность АО-взаимодействия АО выражается влияет на эффективность преобразователя.

формулой АО = Id/(I0PEM+), где Id и I0 —интенсивности дифрагированного и падающего света соответЧебышевский ступенчатый переход ственно, PEM+ — мощность электромагнитного сигнала, подводимого к преобразователю. Расчет величины АО В настоящей работе использовался коаксиальный выполнялся в приближении слабо расходящегося светотрехступенчатый чебышевский переход, согласующий вого пучка по соотношениям и программам, взятым из линии с Z0 = 50 и 1.6. Коэффициент электроакусти- работ [6,7]. В последней было получено выражение для ческого преобразования не зависит от длины подво- эффективности АО-взаимодействия при использовании лящей линии, согласованной с генератором, поэтому многосекционного преобразователя. В случае односекв описываемой здесь АО-ячейки СФ МЭАП соединял- ционного синфазного преобразователя с заданным числом элементов M, периодом l и длиной одного элеменся непосредственно с выходной ступенькой перехода.

та L это выражение сводится к следующей формуле:

Последняя имела волновое сопротивление 2.43 при диаметре внутреннего проводника 3.77 mm. На его торце M sin легко помещались 35 периодов гребенки. При запол AO = K L e- j Pe- j, (3) нении линии фторопластом внешний проводник имел =Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Взаимодействие света с акустическими волнами, возбуждаемыми синфазным многоэлементным... где K — коэффициент пропорциональности: K = распространяется вдоль оси x1 кристаллофизической си= 2M2/20H cos2 B, стемы координат. Считалось также, что необыкновенный световой пучок (0 = 0.63 µm) вводится в звукопровод = Lf sin[0 - B( f )]/vsu, через грань, перпендикулярную направлению, повернутому вокруг оси x1 на угол 36 от оси x2. При выборе = 2 f ( - 1)l sin[0 - B( f )]/vsu, указанной ориентации использовались результаты работы [8], посвященной расчету эффективности дифракции f — частота, — номер элемента, vsu — скорость света на чистых модах упругих волн в ряде кристаллов.

звука, 0 — длина волны света в вакууме, H — ширина Вектор электрического смещения световой волны в этом преобразователя, M2 — коэффициент акустооптического случае лежит в плоскости оптической оси (ось x3) и качества, 0 — угол между направлением падающего волнового вектора падающего света (главное сечение света и плоскостью преобразователя, B( f ) — брэгкристалла). В анализе использовалось расчетное значеговский угол, P — мощность звука, излучаемого -м ние коэффициента качества M2 = 7.69 · 10-15 s3/kg, выпьезоэлементом, численное в [8]. Для автоподстройки „под угол Брэгга“ использовался первый боковой лепесток в угловом спекPv = ( f )PEM+/M.

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.