CC BY
77
УДК 535.44
М.В. Чуманов, И.А. Паргачёв, И.В. Мокрушин, Л.Я. Серебренников, В.А. Краковский
Акустооптические затворы на основе кристалла РКТР
Изготовлены прототипы акустооптических (АО) затворов на основе кристаллов ККТР в корпусе с жидкостным охлаждением и контролем рабочей температуры. Для изготовленных затворов измерены основные характеристики, такие как рабочая частота управляющего высокочастотного (ВЧ) сигнала (частотная характеристика), эффективность дифракции, коэффициент стоячей волны (КСВН) пьезопреобразователей на центральной рабочей частоте.
Ключевые слова: акустооптический затвор, кристалл ККТР. ао1: 10.21293/1818-0442-2016-19-4-78-80
Наиболее распространенным на сегодняшний день материалом для изготовления акустооптических (АО) затворов является плавленый кварц, поскольку имеет высокие значения порога оптического повреждения (10,5-10,6 ГВт/см2) и относительно широкую полосу пропускания (0,2-4 мкм). Максимальная акустическая скорость этого материала составляет 5,95-103 м/с, коэффициент акустооптиче-ского качества 1,56-10-15 с3/кг [1]. Имеются также альтернативные материалы, но каждый из них имеет существенные недостатки, например узкую полосу оптической прозрачности, низкий порог оптического повреждения.
Высокоомные кристаллы КТЮР04 (ЯКТР) производства компании «Кристалл Т» имеют ряд преимущественных особенностей перед некоторыми АО-материалами, наиболее важными из которых являются высокие оптическая прочность (3 ГВт/см2) и коэффициент АО-качества (4,2-10-15 с3/кг), относительно низкий коэффициент акустического затухания [2]. Полезным качеством ККТР является высокая скорость распространения акустической волны (~7,76-103 м/с) [3], что обеспечивает повышенное быстродействие АО-устройств. К прочим достоинствам кристаллов семейства КТР можно отнести следующие: негигроскопичность, высокая устойчивость к химическим и механическим повреждениям и достаточно широкая полоса прозрачности в диапазоне длин волн излучения 0,35-4,5 мкм.
Совокупность описанных выше параметров позволяет сделать вывод о том, что затворы на основе кристалла ЯКТР формируют более короткий фронт оптического импульса при неизменной апертуре оптического пучка и требуют меньшей мощности управляющего сигнала по сравнению с затворами на плавленом кварце. Эти особенности позволяют упростить конструкцию затвора и драйвера управления затвором.
Описание конструкции
Конструкция АО затвора включает в себя свето-звукопровод, вырезанный из монокристалла ККТР, проводящий слой на поверхности 7-среза кристалла, сформированный методом вакуумного распыления, две преобразовательные пластины из того же материала, что и светозвукопровод, или У+36° - среза ниобата лития (Ы№03). Поверх пластин нанесены
металлические электроды из индия или алюминия. Пластины приварены к светозвукопроводу методом холодной диффузионной индиевой сварки противоположной друг относительно друга ориентацией доменов.
Электрическая схема пьезопреобразователя соответствует последовательному включению двух конденсаторов, между обкладками которых расположен пьезоэлектрический материал. За счет такого секционирования уменьшается емкостная составляющая нагрузки при относительно большой длине АО-взаимодействия. Пластинки излучают синфазные волны, создавая акустическое поле с плоским волновым фронтом, направленным нормально к оптической оси светозвукопровода. Описанный подход позволяет добиться лучшего согласования нагрузки с подводящей ВЧ-линией, тем самым повысить эффективность дифракции.
Оптимальная геометрия светозвукопровода выбрана, исходя из данных, приведенных в [4], и экспериментальных результатов по измерению фотоупругих постоянных и коэффициента акустооптиче-ского качества [2, 5-6]. Геометрия АО ячейки, ориентация вектора поляризации падающего на свето-звукопровод лазерного пучка относительно кристаллографических осей, направления оптического и акустического пучков отображены на рис. 1.
Акустическая волна _
Оптический^ пучок
Рис. 1. Конструкция акустооптической ячейки
Размеры светозвукопровода 23*8x8 мм вдоль осей Х, У и 2 соответственно. Размеры пластин
М.В. Чуманов, И.А. Паргачёв, И.В. Мокрушин и др. Акустооптические затворы на основе кристалла RKTP
79
пьезопреобразователя в плоскости возбуждения 10^7 мм2 и толщина 40-5 мкм. АО-ячейка помещена в металлический корпус с системой охлаждения. Через подводящие штуцеры циркулирует охлаждающая жидкость. В корпусе в непосредственной близости к светозвукопроводу установлена термопара и выведен разъем для контроля температуры. Внешний вид изготовленного затвора показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид затвора в корпусе с системой охлаждения
Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка (рис. 3) построена следующим образом. Генератор импульсов 1 запускает развертку осциллографа 4 и включает ВЧ-генератор 2. Далее усиленный ВЧ-сигнал поступает на затвор 5. Дифрагированное световое поле выделяется пространственным фильтром и фокусируется на ФЭУ сигнал на выходе которого регистрируется осциллографом. Изображения осциллограмм сохраняются на ЭВМ.
В качестве источника излучения используется гелий-неоновый лазер 6, излучающий на длине волны 633 нм. Коллиматором 7 формируется пучок необходимого диаметра. Поляризатором 8 задается линейная поляризация, вектор которой ориентирован параллельно волновому фронту акустического пучка. Основной оптический пучок гасится непрозрачным экраном 9, дифрагированные пучки направляются на ФЭУ 13. Для снижения засветки от посторонних источников излучения устанавливается светофильтр 11.
1 Синх. 2 Вых. 3
Вх.
5 10
Синх.
[ l-n-fc—
12
9 11 13
Рис. 3. Схема экспериментальной установки: l - генератор импульсов АКИП-3301; 2 - ВЧ-генератор Agilient N5i8iB; 3 - ВЧ усилитель; 4 - осциллограф Tektronix TDSi0i2C-EDU; 5 - АО-затвор; б - лазер ЛГН 207А; 7 - коллиматор; S - поляроид; 9 - непрозрачный экран; lO - собирающая линза; ll - светофильтр; l2 - пространственный фильтр; l3 - ФЭУ
Измерения проводятся при малых мощностях высокочастотного сигнала, чтобы сохранить линейную зависимость эффективности дифракции от ин-
тенсивности акустического пучка и параметров затухания. А также при малых мощностях при дифракции Рамана-Ната интенсивность дифрагированного света сосредоточена в + первом порядке дифракции.
Измеряются основные параметры, характеризующие работу затвора в качестве модулятора добротности, такие как рабочая частота управляющего ВЧ-сигнала (частотная характеристика), глубина модуляции (эффективность дифракции), быстродействие.
Экспериментальные результаты
Описанные выше характеристики оценивались для АО-затворов с пьезопреобразователями на основе кристалла ниобата лития (7+36°-срез) и кристалла ИКТР (г-срез).
Согласование пьезопреобразователей производилось посредством коаксиального трансформатора на ферритовом кольце. Для измерения частотной характеристики КСВН в измерительной схеме (см. рис. 3) вместо ВЧ-усилителя устанавливалась детекторная головка, к которой через длинный кабель соединялась исследуемая нагрузка. Детектирующий выход соединялся с измерительным входом осциллографа. ВЧ-генератор запускался в режиме качающейся частоты с верхней граничной частотой 120 МГц. Полученные диаграммы КСВН показаны на рис. 4. КСВН на центральных рабочих частотах составил 1,3-1,35.
150
100 50
о
-50 -100 -150
■и
30 60 90 Частота, МГц а
120
30 60 90 120 Частота, МГц
б
Рис. 4. Частотные характеристики КСВН пьезопреобразователя на основе: а - ИКТР, б - ниобата лития
Измерение частотной характеристики затвора проводилось по схеме на рис. 3. ВЧ-генератор запускался в режиме качающейся частоты с граничными частотами 20 и 80 МГц. Измеренные частотные характеристики отображены на рис. 5.
Максимальная эффективность дифракции при мощности управляющего сигнала 1 Вт составила 3 и 3,6% для пьезопреобразователей из ИКТР и ниобата лития соответственно.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Частота, МГц
Рис. 5. Зависимость эффективности дифракции от частоты для пьезопреобразователей из ККТР и ниобата лития
Быстродействие затвора является параметром, зависящим от скорости акустической волны и апертуры оптического пучка. Для измерения фронта оптического импульса использовалась схема, аналогичная предыдущему эксперименту. Формировался супергауссов пучок, ВЧ-генератор запускался в импульсном режиме (длительность импульса 0,1 мкс, период повторения 5 мкс). Оценивалась длительность фронта для пучков диаметром 2-5 мм. Расхождение измеренных и расчетных значений не превышало 5%.
Заключение
Изготовлены АО-затворы на основе кристаллов ККТР в корпусе с жидкостным охлаждением и контролем рабочей температуры.
По уровню изменения сигнала на 3 дБ от пикового значения полоса рабочих частот затвора с пье-зопреобразователем из кристалла ЯКТР составила 8 МГц, для затвора с пьезопреобразователем из нио-бата лития -
6 МГц. Центральная рабочая частота для затвора с пьезопреобразователем из ККТР составила 61 МГц, для затвора с пьезопреобразователем из ниобата лития - 40 МГц. КСВН на центральной частоте каждого затвора лежит в пределах 1,3-1,35. Максимальная эффективность дифракции при мощности управляющего ВЧ-сигнала, равной 1 Вт для затвора с пье-зопреобразователем из ККТР, составила 3%, из ниобата лития - 3,6%.
Показана возможность изготовления эффективных АО-затворов, используя как для светозвукопро-вода, так и для пьезопреобразователей один и тот же материал - кристалл ККТР.
Литература
1. Магдич Л.Н. Акустооптические устройства и их применение / Л.Н. Магдич, В.Я. Молчанов. - М.: Сов. радио, 1978. - 112 с.
2. Чуманов М.В. Исследование акустооптических характеристик кристалла ККТР / М.В. Чуманов, И.А. Парга-чёв // Труды Всерос. конф. СНИИ. - Томск: Изд-во НТЛ, 2014. - С. 141-142.
3. Чуманов М.В. Измерение скорости распространения акустической волны в нелинейно-оптическом кристалле ККТР / М.В. Чуманов, И.А. Паргачёв // Труды Все-
рос. науч.-техн. конф. «Научная сессия ТУСУР». - Томск: В-Спектр, 2014. - Ч. 2. - С. 21-23.
4. Elastic and elastooptic properties of KTiOPO4 / I.I. Zubrinov, V.K. Sapozhnikov, E.V. Pestrykov and V. V. Atuchin // Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics. - June 16. 2003. - Vol. 249. - P. 249-254.
5. Устройства управления и преобразования лазерного излучения на основе кристаллов RKTP / М.В. Чуманов, И.А. Паргачёв и др. // Сб. науч. тр. 4-й Междунар. науч.-техн. конф. по фотонике и информационной оптике. - М.: МИФИ, 2015. - С. 60-61.
6. Измерение фотоупругих коэффициентов кристалла RKTP методом статических деформаций / М.В. Чуманов, И.А. Паргачёв и др. // Доклады ТУСУРа. - 2015. -№ 4 (38). - С. 91-94.
Чуманов Михаил Владиславович
Аспирант каф. электронных приборов (ЭП) ТУСУРа,
инженер ООО «Кристалл Т»
Тел.: 8-953-923-14-01
Эл. почта: [email protected]
Паргачёв Иван Андреевич
Аспирант каф. электронных приборов (ЭП) ТУСУРа, инженер ООО «Кристалл Т» Тел.: 8-913-114-47-70 Эл. почта: [email protected]
Мокрушин Игорь Владимирович
Инженер-конструктор ООО «Кристалл Т»
Тел.: 8-923-404-75-53
Эл. почта: [email protected]
Серебренников Леонид Яковлевич
Канд. техн. наук, доцент каф. ЭП, заместитель директора ООО «Кристалл Т» Тел.: 8-953-912-83-53 Эл. почта: [email protected]
Краковский Виктор Адольфович
Д-р техн. наук, директор ООО «Кристалл Т» Тел.: 8 (382-2) 70-13-97 Эл. почта: [email protected]
Chumanov M.V., Pargachev I.A, Mokrushin I.V., Serebrennikov L.Y., Krakovsky V.A. Acousto-optical Q-switches based on the RKTP crystal
Q-switches based on the RKTP crystals were created in the case with liquid cooling and control of working temperature. For the created Q-switches the main characteristics such as the working frequency of the operating high-frequency signal (the frequency range), efficiency of diffraction, standing wave factor of transducer at the central working frequency were measured.
Keywords: аcousto-optical Q-switch, RKTP crystal.
