RU2136032C1

RU2136032C1 - Acoustooptical deflector

Info

Publication number: RU2136032C1
Application number: RU97120262A
Authority: RU
Inventors: В.В. Петров; М.А. Григорьев; А.В. Толстиков
Original assignee: Саратовский государственный университет им.Н.Г.Чернышевского
Priority date: 1997-12-08
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: acoustooptics, applicable at designing of acoustooptical devices for processing of radio signals. SUBSTANCE: acoustooptical deflector uses a solid-state light-acoustic conduit of piezoelectric photoelastic material, having the shape of a rectangular parallelepiped with a multielement piezoelectric transducer located on one of its faces; the transducer elements are made in the form of a sequence of strips parallel to one of the ribs of the rectangular parallelepiped. Two opposite faces of the light-acoustic conduit perpendicular to the face with the multielement piezoelectric transducer have additional electrodes; each electrode has the shape of a strip, whose one of the wider sides coincides with the rib of the rectangular parallelepiped connecting two faces, one of which carries the strip, and the other accommodates the multielement piezoelectric transducer. The additional electrodes may be made on the faces of the light-acoustic conduit parallel to the strips-elements of the piezoelectric transducer; each electrode has a rectangular slot, whose width coincides with the length of the strip-element of the piezoelectric transducer, and the slot center lies on the axis of symmetry of the piezoelectric transducer. Besides, the additional electrodes are made on the faces of the light-acoustic conduit perpendicular to the strips-elements of the piezoelectric transducer. EFFECT: enhanced efficiency of acoustooptical interaction at expansion of the operating frequency band. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к СВЧ акустооптике и может быть использовано при создании акустооптических устройств обработки радиосигналов. The invention relates to microwave acousto-optics and can be used to create acousto-optical devices for processing radio signals.

Известен акустооптический дефлектор (см. G. Coquin, J. Griffin. Acoustic Beam Steering. IEE J. V-SU-17, 1970., N1, p. 38), содержащий твердотельный светозвукопровод из пьезоэлектрического фотоупругого материала, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем, где каждый элемент последовательности посредством металлических электродов подключен к отдельному фазовращателю. Эти фазовращатели служат для подведения к пьезоэлементам высокочастотной мощности и для обеспечения требуемого закона сканирования возбуждаемого акустического пучка в зависимости от частоты. Способность такого преобразователя возбуждать объемные акустические волны, изменяющие свое направление с частотой, используется в указанном дефлекторе для так называемой автоподстройки под угол Брэгга, что позволяет расширить полосу частот акустооптического взаимодействия. Чтобы точно выполнялось условие Брэгга при вариациях частоты, необходимо изменять сдвиг фазы между соседними пьезоэлементами по определенному закону. Known acousto-optical deflector (see G. Coquin, J. Griffin. Acoustic Beam Steering. IEE J. V-SU-17, 1970., N1, p. 38), containing a solid-state light pipe from a piezoelectric photoelastic material having the shape of a rectangular parallelepiped with a multi-element piezoelectric transducer located on one of its faces, where each element of the sequence is connected to a separate phase shifter by means of metal electrodes. These phase shifters serve to bring high-frequency power to the piezoelectric elements and to provide the required law of scanning the excited acoustic beam depending on the frequency. The ability of such a transducer to excite volumetric acoustic waves that change their direction with frequency is used in the indicated deflector for the so-called auto-adjustment to the Bragg angle, which allows you to expand the frequency band of the acousto-optical interaction. In order for Bragg's condition to be exactly fulfilled with frequency variations, it is necessary to change the phase shift between neighboring piezoelectric elements according to a certain law.

Недостатками такого акустооптического дефлектора являются
1. трудность реализации системы фазовращателей, обеспечивающих требуемый закон изменения сдвига фазы на период от частоты, особенно на СВЧ, в условиях, когда вообще неизвестно, что должны представлять собой конструктивно эти фазовращатели,
2. рассеяние энергии излучаемого акустического поля по различным направлениям в связи с существованием у многоэлементного преобразователя определенной диаграммы направленности, состоящей из серии лепестков, из которых используется только один.The disadvantages of such an acousto-optical deflector are
1. the difficulty of implementing a system of phase shifters that provide the required law of phase shift over a period from frequency, especially at microwave frequencies, under conditions where it is generally not known what these phase shifters should be structurally,
2. The energy dissipation of the emitted acoustic field in various directions due to the existence of a certain radiation pattern in a multi-element transducer, consisting of a series of petals, of which only one is used.

Известен также акустооптический дефлектор, содержащий звукопровод с пьезоэлектрическим слоем, заключенным между последовательностью пар металлических электродов, расположенных друг над другом, один электрод каждой пары соединен перемычкой, имеющей вывод, с одним из электродов последующей пары, а другой - с одним из электродов предыдущей, причем все выводы на длине, определяемой рабочей частотой, соединены между собой общим замкнутым электродом (см Р. И. Бурштейн, Ю.А.Зюрюкин. Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь. AC N 839073, 13.02.1981 г.). Многоэлементный преобразователь в таком акустооптическом дефлекторе образует многозвенную фильтрующую цепь - фильтр верхних частот, в которой распространяется бегущая электромагнитная волна с частотнозависимым сдвигом фазы на период. Этот преобразователь имеет диаграмму направленности, состоящую из трех лепестков, изменяющих свое направление при изменении частоты, один из лепестков используется для автоподстройки фронта звуковой волны под угол Брэгга. Also known is an acousto-optical deflector containing a sound duct with a piezoelectric layer enclosed between a sequence of pairs of metal electrodes located one above the other, one electrode of each pair is connected by a jumper having a terminal to one of the electrodes of the next pair, and the other to one of the electrodes of the previous one, all conclusions on the length determined by the working frequency are interconnected by a common closed electrode (see R.I. Burshtein, Yu.A. Zyuryukin. Multi-element piezoelectric transducer. AC N 839073, 13. 02.1981). A multi-element converter in such an acousto-optical deflector forms a multi-link filter circuit - a high-pass filter in which a traveling electromagnetic wave propagates with a frequency-dependent phase shift for a period. This transducer has a radiation pattern consisting of three petals that change their direction when the frequency changes, one of the petals is used to automatically adjust the front of the sound wave to the Bragg angle.

Недостатками такого акустооптического дефлектора являются
1. невозможность реализации точной автоподстройки под угол Брэгга вследствие отличия частотной зависимости сдвига фазы на ячейку такого преобразователя от идеального закона, требуемого для точной автоподстройки,
2. сложность конструкции преобразователя, не позволяющей реализовывать его на СВЧ. Этот недостаток обусловлен необходимостью многократного точного совмещения масок или фотошаблонов при изготовлении сложной системы определенным образом соединенных электродов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является акустооптический дефлектор, состоящий из твердотельного светозвукопровода с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем, состоящим из плоской меандровой системы и плоского электрода, между которыми находится слой пьезоэлектрика, плоский электрод расположен на поверхности звукопровода (см. Ю.А.Зюрюкин, Е. Л. Никишин, Н. М.Ушаков. Многоканальный акустооптический дефлектор. А. С. N 989520, опубл. 15.01.83 г.). Многоэлементный пьезопреобразователь в таком акустооптическом дефлекторе образует многозвенную фильтрующую цепь - фильтр низких частот (ФНЧ), в которой распространяется бегущая электромагнитная волна со сдвигом фазы на период, зависящим от частоты по определенному закону. Многоэлементный пьезопреобразователь имеет трехлепестковую диаграмму направленности, один из лепестков которой используется для автоподстройки под угол Брэгга.The disadvantages of such an acousto-optical deflector are
1. the impossibility of realizing accurate auto-tuning to the Bragg angle due to the difference in the frequency dependence of the phase shift per cell of such a converter from the ideal law required for accurate auto-tuning,
2. the complexity of the design of the Converter, which does not allow to implement it on the microwave. This drawback is due to the need for multiple precise alignment of masks or masks in the manufacture of a complex system in a certain way connected electrodes. The closest in technical essence to the claimed solution is an acousto-optic deflector, consisting of a solid-state light-sound conduit with a multi-element piezoelectric transducer located on one of its faces, consisting of a flat meander system and a flat electrode, between which there is a piezoelectric layer, a flat electrode is located on the surface of the sound duct (see Yu.A. Zyuryukin, E. L. Nikishin, N. M. Ushakov. Multichannel acousto-optical deflector. A. S. N 989520, publ. 15.01.83). A multi-element piezoelectric transducer in such an acousto-optical deflector forms a multi-link filter circuit - a low-pass filter (LPF), in which a traveling electromagnetic wave propagates with a phase shift for a period that depends on the frequency according to a certain law. The multi-element piezoelectric transducer has a three-petal radiation pattern, one of the petals of which is used for auto-tuning to the Bragg angle.

Главным недостатком такого акустооптического дефлектора является невозможность осуществления точной автоподстройки под угол Брэгга в рабочей полосе частот вследствие невозможности практической реализации оптимального сдвига фазы на период ≈ 0.5 π (для систем типа ФНЧ) из-за приближения к частоте отсечки, когда резко возрастают потери в системе при распространении в ней электромагнитной волны. Это не позволяет использовать максимально возможную длину преобразователя, что приводит к значительному уменьшению эффективности акустооптического взаимодействия и полосы рабочих частот акустооптического дефлектора. The main disadvantage of such an acousto-optical deflector is the impossibility of performing accurate auto-adjustment to the Bragg angle in the working frequency band due to the impossibility of practical implementation of the optimal phase shift by ≈ 0.5 π (for low-pass filter systems) due to the approach to the cutoff frequency, when losses in the system sharply increase at propagation of an electromagnetic wave in it. This does not allow to use the maximum possible length of the transducer, which leads to a significant decrease in the efficiency of the acousto-optic interaction and the band of the operating frequencies of the acousto-optic deflector.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности акустооптического взаимодействия при расширении полосы рабочих частот. The objective of the present invention is to increase the efficiency of acousto-optical interaction with the expansion of the operating frequency band.

Эта задача решается тем, что в акустооптическом дефлекторе, содержащем твердотельный светозвукопровод из пьезоэлектрического фотоупругого материала, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем, элементы которого выполнены в виде последовательности полосок, параллельных одному из ребер прямоугольного параллелепипеда, на двух противоположных гранях светозвукопровода, перпендикулярных грани с многоэлементным пьезопреобразователем, выполнены дополнительные электроды, причем каждый электрод имеет форму полосы, одна из широких сторон которой совпадает с ребром прямоугольного параллелепипеда, соединяющим две грани, на одной из которых расположена полоса, а на другой расположен многоэлементный пьезопреобразователь. This problem is solved by the fact that in an acousto-optical deflector containing a solid-state light and sound pipe made of a piezoelectric photoelastic material having the shape of a rectangular parallelepiped with a multi-element piezoelectric transducer located on one of its faces, the elements of which are made in the form of a sequence of strips parallel to one of the edges of a rectangular parallelepiped, on two opposite the faces of the light and sound conduit perpendicular to the faces with a multi-element piezoelectric transducer are made additional each electrode has a strip shape, one of the wide sides of which coincides with the edge of a rectangular parallelepiped connecting two faces, on one of which there is a strip, and on the other there is a multi-element piezoelectric transducer.

Сущностью другого варианта технического решения является то, что дополнительные электроды выполнены на гранях светозвукопровода, параллельных полоскам - элементам пьезопреобразователя, причем в каждом электроде имеется прямоугольный прорез, ширина которого совпадает с длиной полоски - элемента пьезопреобразователя, а центр прореза лежит на оси симметрии пьезопреобразователя. The essence of another technical solution is that additional electrodes are made on the faces of the light and sound conduit parallel to the strips - elements of the piezoelectric transducer, and each electrode has a rectangular slot, the width of which coincides with the length of the strip - the piezoelectric transducer element, and the center of the notch lies on the axis of symmetry of the piezoelectric transducer.

В третьем варианте сущностью технического решения является то, что дополнительные электроды выполнены на гранях светозвукопровода, перпендикулярных полоскам - элементам пьезопреобразователя. Признаки, сходные с заявляемыми в известной авторам научно-технической литературе, отсутствуют. In the third embodiment, the essence of the technical solution is that additional electrodes are made on the faces of the light and sound conduit perpendicular to the strips - the elements of the piezoelectric transducer. Signs similar to those claimed in the well-known authors of scientific and technical literature are absent.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен акустооптический дефлектор, соответствующий пп. 1 и 2, а на фиг. 2 - акустооптический дефлектор, соответствующий пп.1 и 3 формулы. The proposed technical solution is illustrated by drawings, where figure 1 shows an acousto-optical deflector corresponding to paragraphs. 1 and 2, and in FIG. 2 - acousto-optical deflector corresponding to claims 1 and 3 of the formula.

Акустооптический дефлектор содержит твердотельный светозвукопровод 1, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с расположенным на одной из его граней многоэлементным пьезопреобразователем 2, элементы которого выполнены в виде последовательности полосок 3, параллельных одному из ребер 4 прямоугольного параллелепипеда; на двух противоположных гранях светозвукопровода, перпендикулярных грани с многоэлементным пьезопреобразователем 2, выполнены дополнительные электроды 5, 6, причем каждый электрод имеет форму полосы, одна из широких сторон которой совпадает с ребром прямоугольного параллелепипеда, соединяющим две грани, на одной из которых расположена полоса 5 (или 6), а на другой расположен многоэлементный пьезопреобразователь 2. The acousto-optic deflector contains a solid-state light and sound pipe 1 having the shape of a rectangular parallelepiped with a multi-element piezoelectric transducer 2 located on one of its faces, the elements of which are made in the form of a sequence of strips 3 parallel to one of the edges 4 of the rectangular parallelepiped; additional electrodes 5, 6 are made on two opposite sides of the light-sound pipe, perpendicular to the face with a multi-element piezoelectric transducer 2, each electrode having a strip shape, one of whose wide sides coincides with an edge of a rectangular parallelepiped connecting two faces, on one of which is strip 5 ( or 6), and on the other there is a multi-element piezoelectric transducer 2.

В акустооптическом дефлекторе по п. 2 (фиг. 1) дополнительные электроды 5 и 6 выполнены на гранях светозвукопровода, параллельных полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2, причем в каждом электроде 5 и 6 имеется прямоугольный прорез, ширина D которого совпадает с длиной b полоски 3 - элемента пьезопреобразователя 2, а центр прореза лежит на оси симметрии пьезопреобразователя. In the acousto-optical deflector according to claim 2 (Fig. 1), additional electrodes 5 and 6 are made on the faces of the light-sound conduit parallel to the strips 3 — elements of the piezoelectric transducer 2, and each electrode 5 and 6 has a rectangular cut, the width D of which coincides with the length b of the strip 3 - element of the piezoelectric transducer 2, and the center of the notch lies on the axis of symmetry of the piezoelectric transducer.

В акустооптическом дефлекторе по п.3 (фиг.2) дополнительные электроды 5 и 6 выполнены на гранях светозвукопровода, перпендикулярных полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2. In the acousto-optical deflector according to claim 3 (Fig. 2), additional electrodes 5 and 6 are made on the faces of the light and sound conduit perpendicular to the strips 3 — the elements of the piezoelectric transducer 2.

Заявляемый акустооптический дефлектор работает следующим образом. Многоэлементный пьезопреобразователь 2 возбуждает в светозвукопроводе 1 акустическое поле, имеющее в общем случае многолепестковую диаграмму направленности. Углы наклона лепестков диаграммы направленности могут изменяться при вариациях частоты. Световой пучок направляется на акустооптический дефлектор под углом Брэгга к фронту звуковой волны, соответствующей одному из лепестков диаграммы направленности. В результате акустооптического взаимодействия дифрагированый свет выходит из акустооптического дефлектора под двойным брэгговским углом относительно падающего светового пучка. При изменении частоты радиосигнала, подаваемого на пьезопреобразователь 2, угол Брэгга также изменяется и при фиксированном угле падения света на акустооптический дефлектор брэгговское условие нарушается. Эффект сканирования лепестков диаграммы направленности с частотой используется для автоподстройки звукового пучка под угол Брэгга и коррекции тем самым брэгговского условия. Однако законы изменения с частотой углов Брэгга и наклона фронта звуковой волны лепестка диаграммы направленности, используемого для акустооптического взаимодействия, не одинаковы. Чтобы скомпенсировать различие законов изменения с частотой углов Брэгга и наклона фронта звуковой волны ограничивают общую длину DL пьезопреобразователя 2 вдоль области акустооптического взаимодействия, что при заданной полосе частот приводит к ограничению уровня дифракционной эффективности. The inventive acousto-optical deflector operates as follows. The multi-element piezoelectric transducer 2 excites an acoustic field in the light and sound conduit 1, which generally has a multi-lobe radiation pattern. The angles of inclination of the beam pattern can vary with frequency variations. The light beam is directed to the acousto-optic deflector at a Bragg angle to the front of the sound wave corresponding to one of the lobes of the radiation pattern. As a result of the acousto-optic interaction, diffracted light exits the acousto-optic deflector at a double Bragg angle with respect to the incident light beam. When the frequency of the radio signal supplied to the piezoelectric transducer 2 changes, the Bragg angle also changes, and for a fixed angle of incidence of the light on the acousto-optical deflector, the Bragg condition is violated. The effect of scanning the lobes of the radiation pattern with frequency is used to automatically adjust the sound beam to the Bragg angle and thereby correct the Bragg condition. However, the laws of change with the frequency of the Bragg angles and the slope of the front of the sound wave of the beam of the radiation pattern used for acousto-optic interaction are not the same. In order to compensate for the difference in the laws of variation with the frequency of the Bragg angles and the slope of the front of the sound wave, the total length DL of the piezoelectric transducer 2 is limited along the acousto-optic interaction region, which limits the level of diffraction efficiency for a given frequency band.

В работе (В.Петров, "Широкополосные акустооптические гиперзвуковые брэгговские ячейки". Письма в ЖТФ, Т.22, Вып.22, стр. 11-15. 1996) показано, что точная автоподстройка угла наклона фронта звуковой волны под угол Брэгга возможна при изменении с частотой шага l многоэлементной структуры по следующему закону:
l = φ_mV/2πfsin{Θ_oi-arcsin(λ_of/2n_oV)}, (1)
где φ_m - сдвиг фазы для m-й пространственной гармоники, соответствующей m-му (рабочему) лепестку диаграммы направленности многоэлементного пьезопреобразователя 2; V - скорость звука в светозвукопроводе 1; f - текущая частота; Θ_oi - угол падения света на акустооптический дефлектор (угол между плоскостью пьезопреобразователя 2 и волновым вектором падающей световой волны), λ_o и n_o - длина световой волны в вакууме и коэффициент преломления света в светозвукопроводе соответственно. Обеспечение точной автоподстройки под угол Брэгга снимает ограничение на длину DL пьезопреобразователя и позволяет тем самым увеличить эффективность акустооптического взаимодействия, а также полосу рабочих частот.In the work (V. Petrov, “Broadband acousto-optic hypersonic Bragg cells.” Letters in ZhTF, Vol. 22, Iss. 22, pp. 11-15. 1996), it was shown that exact auto-tuning of the angle of inclination of the sound wave front to the Bragg angle is possible at change with the step frequency l of the multi-element structure according to the following law:
l = φ _m V / 2πfsin {Θ _oi -arcsin (λ _o f / 2n _o V)}, (1)
where φ _m is the phase shift for the m-th spatial harmonic corresponding to the m-th (working) lobe of the radiation pattern of the multi-element piezoelectric transducer 2; V is the speed of sound in the light pipe 1; f is the current frequency; Θ _oi is the angle of incidence of light on the acousto-optic deflector (the angle between the plane of the piezoelectric transducer 2 and the wave vector of the incident light wave), λ _o and n _o are the wavelength of the light in vacuum and the refractive index of light in the light pipe, respectively. Providing accurate auto-tuning to the Bragg angle removes the limitation on the length of the DL piezoelectric transducer and thereby increases the efficiency of acousto-optical interaction, as well as the operating frequency band.

В предлагаемом изобретении для реализации изменения шага l многоэлементного пьезопреобразователя 2 с частотой на двух противоположных гранях светозвукопровода 1, перпендикулярных грани с многоэлементным пьезопреобразователем 2, выполнены дополнительные электроды 5 и 6. При приложении к этим электродам разности потенциалов, изменяющейся по заданному закону при изменении частоты, под воздействием обратного пьезоэффекта размеры светозвукопровода 1 будут изменяться, приводя к изменению шага l многоэлементного пьезопреобразователя 2. In the present invention, to implement the change in step l of the multi-element piezoelectric transducer 2 with a frequency on two opposite sides of the light-sound pipe 1, perpendicular to the multi-element piezoelectric transducer 2, additional electrodes 5 and 6 are made. When the potential difference is applied to these electrodes, which changes according to a given law when the frequency changes, Under the influence of the inverse piezoelectric effect, the dimensions of the light-sound pipe 1 will change, leading to a change in the step l of the multi-element piezoelectric transducer 2.

В акустооптическом дефлекторе по п. 2 (фиг. 1) дополнительные электроды 5 и 6 выполнены на гранях светозвукопровода 1, параллельных полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2. В этом случае увеличение или уменьшение шага l происходит при увеличении или уменьшении электрического напряжения, приложенного к дополнительным электродам 5 и 6, под воздействием продольного обратного пьезоэффекта. При реализации акустооптического дефлектора в СВЧ диапазоне световой пучок необходимо направлять на светозвукопровод 1 в непосредственной близости от пьезопреобразователя 2 для уменьшения влияния затухания акустических волн на дифракционную эффективность и разрешающую способность. Для этой цели в варианте акустооптического дефлектора по п. 2 формулы в каждом из дополнительных электродов 5 и 6 предусмотрен прямоугольный прорез, ширина D которого совпадает с длиной b полосок 3 - элементов пьезопреобразователя 2. Глубина прореза определяется технологическими соображениями и углом падения светового пучка на акустооптический дефлектор. При обеспечении внешнего электрического контакта между частями электрода, разделенными прорезом, глубина прореза может достигать ширины узкой стороны полосы 5 (или 6). In the acousto-optical deflector according to claim 2 (Fig. 1), additional electrodes 5 and 6 are made on the faces of the light-sound conduit 1 parallel to the strips 3 — elements of the piezoelectric transducer 2. In this case, an increase or decrease in step l occurs with an increase or decrease in the electric voltage applied to the additional electrodes 5 and 6, under the influence of a longitudinal inverse piezoelectric effect. When implementing an acousto-optical deflector in the microwave range, the light beam must be directed to the light-sound conduit 1 in the immediate vicinity of the piezoelectric transducer 2 to reduce the effect of attenuation of acoustic waves on diffraction efficiency and resolution. For this purpose, in the variant of the acousto-optical deflector according to claim 2, in each of the additional electrodes 5 and 6, a rectangular cut is provided, the width D of which coincides with the length b of the strips 3 of the piezoelectric transducer elements 2. The depth of the cut is determined by technological considerations and the angle of incidence of the light beam on the acousto-optical deflector. When providing external electrical contact between the parts of the electrode separated by the slot, the depth of the slot can reach the width of the narrow side of the strip 5 (or 6).

В акустооптическом дефлекторе по п. 3 (фиг. 2) дополнительные электроды 5 и 6 выполнены на гранях светозвукопровода 1, перпендикулярных полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2. При этом увеличение или уменьшение шага l многоэлементного пьезопреобразователя 2 происходит при уменьшении или увеличении электрического напряжения, приложенного к дополнительным электродам 5 и 6, под воздействием поперечного обратного пьезоэффекта. In the acousto-optical deflector according to claim 3 (Fig. 2), additional electrodes 5 and 6 are made on the faces of the light guide 1 perpendicular to the strips 3 — to the elements of the piezoelectric transducer 2. In this case, an increase or decrease in the step l of the multi-element piezoelectric transducer 2 occurs with a decrease or increase in the electric voltage applied to additional electrodes 5 and 6, under the influence of the transverse inverse piezoelectric effect.

Величина абсолютного приращения δ размера светозвукопровода 1 вдоль длины DL пьезопреобразователя 2 определяется соотношениями (см., например, Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Том III, Электричество, Изд. "Наука", Москва, 1977, стр. 158) :
δL = -(L/B)d_ijφ, - для поперечного (2) и
δB = d_ijφ - для продольного обратного пьезоэффекта (3),
где L и B - длины ребер 7 и 4 светозвукопровода 1, соответственно перпендикулярного и параллельного полоскам 3 - элементам пьезопреобразователя 2, d_ij - пьезомодуль, характеризующий соответствующий срез твердотельного светозвукопровода; φ - разность потенциалов, прикладываемая к электродам. Величина абсолютного приращения δ не зависит от размеров самого светозвукопровода и определяется лишь приложенным к электродам электрическим напряжением и величиной пьезомодуля d_ij. При этом объем светозвукопровода не изменяется, а следовательно, относительное изменение одного из размеров светозвукопровода влечет за собой соответствующее относительное изменение других его размеров.The magnitude of the absolute increment δ of the size of the light pipe 1 along the length DL of the piezoelectric transducer 2 is determined by the relations (see, for example, DV Sivukhin. General course of physics. Volume III, Electricity, Publishing House "Science", Moscow, 1977, p. 158):
δL = - (L / B) d _ij φ, - for transverse (2) and
δB = d _ij φ - for the longitudinal inverse piezoelectric effect (3),
where L and B are the lengths of the ribs 7 and 4 of the light pipe 1, respectively perpendicular and parallel to the strips 3, to the elements of the piezoelectric transducer 2, d _ij is the piezoelectric module characterizing the corresponding section of the solid-state light pipe; φ is the potential difference applied to the electrodes. The magnitude of the absolute increment δ does not depend on the dimensions of the light and light conduit itself and is determined only by the electric voltage applied to the electrodes and the value of the piezoelectric module d _ij . At the same time, the volume of the light and sound pipe does not change, and therefore, a relative change in one of the sizes of the light and sound pipe entails a corresponding relative change in its other sizes.

Достоинством предложенного технического решения в сравнении с прототипом является возможность увеличения дифракционной эффективности при расширении полосы рабочих частот акустооптического дефлектора. The advantage of the proposed technical solution in comparison with the prototype is the ability to increase diffraction efficiency while expanding the operating frequency band of the acousto-optical deflector.

Примеры конкретного исполнения предложенных решений. Examples of specific performance of the proposed solutions.

Реализация предложенного технического решения предполагает использование в качестве светозвукопровода твердотельного материала, обладающего, наряду с необходимыми упругооптическими свойствами, также хорошим пьезоэффектом, т.е. высоким значением пьезомодуля для используемого среза материала светозвукопровода 1. The implementation of the proposed technical solution involves the use of a solid-state material as a light and sound pipeline, which, along with the necessary elastic-optical properties, also has a good piezoelectric effect, i.e. the high value of the piezoelectric module for the used slice of the light-sound pipe material 1.

Из известных сегодня твердотельных пьезоэлектрических фотоупругих материалов наиболее отвечающим указанным требованиям является кристалл ниобата лития. На основе этого материала возможно создание акустооптических дефлекторов, работающих на радиочастотах вплоть до 10 ГГц. Наивысшее значение пьезомодуля для ниобата лития d₁₅ = 2.3 • 10^-6 ед. CGSE. При приложении к дополнительным электродам электрического напряжения ± 10000 вольт (или ± 33,3 ед. CGSE) абсолютное изменение размера δ светозвукопровода 1 вдоль линии, перпендикулярной электродам 5 и 6, составит в соответствии с формулой (3) δ = -(≈ 0.77 мкм).Of the solid-state piezoelectric photoelastic materials known today, the most meeting these requirements is a lithium niobate crystal. Based on this material, it is possible to create acousto-optical deflectors operating at radio frequencies up to 10 GHz. The highest value of the piezoelectric module for lithium niobate is d ₁₅ = 2.3 • 10 ^-6 units. CGSE. When an additional voltage of ± 10,000 volts (or ± 33.3 units of CGSE) is applied to the additional electrodes, the absolute change in the size δ of the light and sound duct 1 along the line perpendicular to the electrodes 5 and 6 will be in accordance with formula (3) δ = - (≈ 0.77 μm )

Расчеты показывают, что при создании акустооптического дефлектора на центральную частоту 9 ГГц с полосой частот в 2 ГГц и дифракционной эффективностью 1% на 1 Ватт подводимой СВЧ мощности требуется реализация многоэлементного противофазного пьезопреобразователя 2 с периодом 1.86 микрон и общей длиной DL около 100 микрон. При этом согласно формуле (1) для снятия ограничения на длину DL пьезопреобразователя 2, а следовательно, на дифракционную эффективность требуемое изменение шага l в полосе частот 2.0 ГГц должно составлять 0.03 микрона. Calculations show that when creating an acousto-optical deflector at a central frequency of 9 GHz with a frequency band of 2 GHz and a diffraction efficiency of 1% per 1 Watt of supplied microwave power, it is necessary to implement a multi-element antiphase piezoelectric transducer 2 with a period of 1.86 microns and a total length of DL of about 100 microns. Moreover, according to formula (1), in order to remove the restriction on the length DL of the piezoelectric transducer 2, and therefore on diffraction efficiency, the required change in step l in the frequency band of 2.0 GHz should be 0.03 microns.

Пример конкретного выполнения акустооптического дефлектора по п. 2. формулы. An example of a specific implementation of the acousto-optical deflector according to claim 2. Formulas.

При реализации акустооптического дефлектора по п. 2 формулы (фиг. 1) используется продольный обратный пьезоэффект, то есть рассматривается изменение размера светозвукопровода 1 в направлении, совпадающем с направлением приложенного электрического поля. Для создания акустооптического дефлектора на центральную частоту 9 ГГц с полосой частот 4 ГГц необходимо создание противофазного многоэлементного пьезопреобразователя 2 с шагом l = 1.86 микрона и длиной DL около 10 микрон. При этом дифракционная эффективность окажется примерно равной 0.06% на 1 Ватт подводимой СВЧ мощности. Приложение к электродам 5 и 6 электрического напряжения ± 10000 вольт приведет к абсолютному изменению размера L светозвукопровода 1 на δ = 1.54 микрона. Как показывают расчеты с использованием соотношения (1), требуемое изменение шага l пьезопреобразователя 2, необходимое для снятия ограничения на длину DL пьезопреобразователя 2 для работы в полосе 4 ГГц, составляет примерно 0.14 микрона. При длине L ребра 7 светозвукопровода 1, равной L - 20 микрон, изменение длины DL на δ = 1.54 микрона даст изменение шага l многоэлементного пьезопреобразователя 2 на 0.14 микрон, то есть равное требуемому изменению шага l для снятия ограничения на длину DL пьезопреобразователя 2. Это означает, что длина DL в приведенном примере может быть увеличена до размера ребра 7 светозвукопровода 1 (L = 20 микрон), то есть в два раза. При этом дифракционная эффективность увеличится до значения 0.12%, т.е. в два раза в сравнении с прототипом. Если дифракционную эффективность увеличить не в два, а в полтора раза за счет увеличения длины DL пьезопреобразователя 2 до размеров 15 микрон, то произойдет также увеличение полосы частот акустооптического взаимодействия с 4 ГГц до 4.6 ГГц в сравнении с прототипом. When implementing an acousto-optical deflector according to claim 2 of the formula (Fig. 1), a longitudinal inverse piezoelectric effect is used, that is, a change in the size of the light and sound duct 1 is considered in the direction coinciding with the direction of the applied electric field. To create an acousto-optical deflector at the central frequency of 9 GHz with a frequency band of 4 GHz, it is necessary to create an antiphase multi-element piezoelectric transducer 2 with a step l = 1.86 microns and a length DL of about 10 microns. In this case, the diffraction efficiency will be approximately equal to 0.06% per 1 Watt of supplied microwave power. Application to the electrodes 5 and 6 of an electrical voltage of ± 10,000 volts will lead to an absolute change in the size L of the light-sound conduit 1 by δ = 1.54 microns. As calculations using relation (1) show, the required change in the step l of the piezoelectric transducer 2, necessary to remove the restriction on the length DL of the piezoelectric transducer 2 for operation in the 4 GHz band, is approximately 0.14 microns. With the length L of the rib 7 of the light-sound pipe 1 L = 20 microns, a change in the length DL by δ = 1.54 microns will give a change in step l of the multi-element piezoelectric transducer 2 by 0.14 microns, that is, equal to the required change in step l to remove the restriction on the length DL of the piezoelectric transducer 2. This means that the length DL in the above example can be increased to the size of the ribs 7 of the light-sound pipe 1 (L = 20 microns), that is, twice. In this case, the diffraction efficiency will increase to a value of 0.12%, i.e. twice in comparison with the prototype. If the diffraction efficiency is increased not by two, but by a factor of 1.5 by increasing the length of the DL piezoelectric transducer 2 to 15 microns, then the frequency band of the acousto-optic interaction will also increase from 4 GHz to 4.6 GHz in comparison with the prototype.

Пример конкретного выполнения акустооптического дефлектора по п. 3. формулы. An example of a specific implementation of an acousto-optical deflector according to claim 3. of the formula.

В варианте акустооптического дефлектора по п. 3 формулы (фиг. 2) используется поперечный обратный пьезоэффект. Это означает, что рассматривается изменение размера светозвукопровода 1 в направлении, перпендикулярном приложенному электрическому полю, то есть вдоль ребра длиной L. В этом случае значение абсолютного приращения δ оказывается пропорциональным отношению длин ребер (L/B). Для акустооптического дефлектора, выполненного согласно п. 3 формулы, при длине ребра 7 L = 1 миллиметр, а ребра 4 В = 95 микрон согласно соотношению (2) при изменении напряжения на электродах в пределах ± 10000 абсолютное изменение δ L составит (0.77•2•L/B) = 16.2 микрона. Это эквивалентно изменению шага l на 0.03 микрона, требуемому для реализации полосы частот 2 ГГц без ограничений на длину DL пьезопреобразователя 2, а следовательно, на дифракционную эффективность. Таким образом, в приведенном примере длина DL пьезопреобразователя 2 может быть увеличена в пределах длины L ребра 7 светозвукопровода 1 до 1000 микрон (от 100 микрон), то есть в десять раз, что эквивалентно увеличению в 10 раз дифракционной эффективности при сохранении полосы рабочих частот. In a variant of the acousto-optical deflector according to claim 3 of the formula (FIG. 2), a transverse inverse piezoelectric effect is used. This means that we consider the change in the size of the light-sound pipe 1 in the direction perpendicular to the applied electric field, that is, along an edge of length L. In this case, the value of the absolute increment δ is proportional to the ratio of the lengths of the edges (L / B). For an acousto-optical deflector made according to claim 3 of the formula, with the length of the ribs 7 L = 1 millimeter and the ribs 4 V = 95 microns, according to relation (2), when the voltage across the electrodes is within ± 10000, the absolute change in δ L will be (0.77 • 2 • L / B) = 16.2 microns. This is equivalent to changing the step l by 0.03 microns, required to implement the 2 GHz frequency band without restrictions on the length DL of the piezoelectric transducer 2, and therefore on diffraction efficiency. Thus, in the above example, the length DL of the piezoelectric transducer 2 can be increased within the length L of the rib 7 of the light-sound conduit 1 to 1000 microns (from 100 microns), i.e., ten times, which is equivalent to a 10-fold increase in diffraction efficiency while maintaining the operating frequency band.

Как следует, например, из работы (М.А. Григорьев, В.В.Петров, А.В.Толстиков. "Анализ эффективности многоэлементных электроакустических преобразователей, обеспечивающих автоподстройку звукового пучка в брэгговских акустооптических устройствах", ч. 1. Известия ВУЗов, Радиофизика, т.XXVIII, N 7, 1985 г. стр. 908-921), полоса частот акустооптического взаимодействия обратно пропорциональна корню квадратному из длины многоэлементного пьезопреобразователя. Это означает, что если в приведенном примере длину DL пьезопреобразователя увеличить не в десять, а в пять раз, то дифракционная эффективность также увеличится в пять раз по сравнению с прототипом, при этом полоса частот увеличится с 2 ГГц до 2,8 ГГц, то есть в 1.4 раза. As follows, for example, from the work (MA Grigoriev, VV Petrov, AV Tolstikov. "Analysis of the effectiveness of multi-element electro-acoustic transducers that provide self-tuning of the sound beam in Bragg acousto-optic devices", p. 1. Proceedings of universities, Radiophysics, vol.XXVIII, N 7, 1985, pp. 908-921), the frequency band of the acousto-optic interaction is inversely proportional to the square root of the length of the multi-element piezoelectric transducer. This means that if in the given example the length of the piezoelectric transducer DL is increased not by ten, but by five times, then the diffraction efficiency will also increase by five times compared with the prototype, while the frequency band will increase from 2 GHz to 2.8 GHz, i.e. 1.4 times.

Claims

1. An acousto-optic deflector containing a solid-state light and sound pipe from a piezoelectric photo-refractory material, having the shape of a rectangular parallelepiped with a multi-element piezoelectric transducer located on one of its faces, the elements of which are made in the form of a sequence of strips parallel to one of the edges of the rectangular parallelepiped, characterized in that on two opposite faces light and sound ducts, perpendicular to the face with a multi-element piezoelectric transducer, made additional electric ktrody, wherein each electrode has the shape of band, one of the broad sides of which coincides with an edge of a rectangular parallelepiped connects two faces, one of which is located the band and the other is a multi-element piezoelectric transducer.

2. The acousto-optic deflector according to claim 1, characterized in that the additional electrodes are made on the faces of the light and sound conduit parallel to the strip-elements of the piezoelectric transducer, and each electrode has a rectangular slot, the width of which coincides with the length of the strip-element of the piezoelectric transducer, and the center of the slot lies on the axis the symmetry of the piezoelectric transducer.

3. The acousto-optic deflector according to claim 1, characterized in that the additional electrodes are made on the faces of the light and sound conduit perpendicular to the strip-elements of the piezoelectric transducer.