Акустооптический СВЧ-дефлектор на длину волны 0. 532 мкм Текст научной статьи по специальности «Физика»

Т

Электроника СВЧ

УДК 621.391

М. И. Пелипенко, В. В. Роздобудько

Таганрогский технологический институт Южного федерального университета

Акустооптический СВЧ-дефлектор на длину волны 0.532 мкм

Представлено описание СВЧ-акустооптического дефлектора, работающего на длине волны света 0.532 мкм, в котором с поверхности 2-среза кристалла ЫЫЬО3 ультразвук возбуждается системой противофазных преобразователей типа встречно-штыревых. Отличительной особенностью дефлектора является повышенная величина произведения его полосы рабочих частот на дифракционную эффективность.

Акустооптика, акустооптический дефлектор, дифракция Брэгга, встречно-штыревой преобразователь Акустооптические дефлекторы (АОД) являются основными элементами оптических средств измерения параметров радиосигналов, работающих в реальном масштабе времени, например, в последовательных и параллельных анализаторах спектра, в частотомерах, в демодуляторах ЧМ- и ФМ-сигналов.

Данные измерители потенциально могут иметь намного большую мгновенную ширину полосы анализируемых частот по сравнению с другими измерителями аналогичного назначения (в том числе цифровыми) [1].

Практика выдвигает задачи, требующие для своего решения разработку аппаратуры анализа с мгновенными полосами 1...3 ГГц. Однако в перечисленных устройствах она ограничивается параметрами используемых АОД. При этом в АОД полоса рабочих частот А/^ и дифракционная эффективность п, которой обусловливается коэффициент полезного преобразования "радиосигнал - свет", являются взаимосвязанными величинами. Так, в обычном случае произведение А/^, определяемой при фиксации по уровню около 4 дБ

можно

как Afs = nu2 [cos90/(\f0L)] , и n = (V2)п2 [n6p2/ри3][lpJ(l2Hcos2 90) представить в виде

Afsr, = n2«7 p2pj (2 fopuT3H cos 0o), (1)

где n - показатель преломления светозвукопровода (СЗП) АОД; и - скорость акустической волны; 0o - угол падения света на АОД; к - длина волны падающего на АОД лазерного излучения; fo - центральная частота радиосигнала; L - длина акустооптического (АО) взаимодействия (протяженность пьезопреобразователя АОД "по свету"); p - соот-

66

© Пелипенко М. И., Роздобудько В. В., 2008

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 1

ветствующая компонента тензора фотоупругости СЗП; р - плотность СЗП; Pa - мощность акустической волны; H - длина электродов ВШП.

Из соотношения (1) следует, что с повышением рабочей частоты / и расширением

А/^ эффективность преобразования входного радиосигнала в оптический радиосигнал

падает, приводя к уменьшению чувствительности и изменению динамического диапазона аппаратуры, в которой АОД используются в качестве основного элемента.

Применительно к СВЧ-диапазону длин волн эффективным решением, направленным на поддержание величины А/^п на необходимом уровне, является переход к использованию лазерных источников света с более короткими длинами волн оптического излучения. Так, например, если уменьшить X с 0.65 до 0.532 мкм, следует ожидать увеличения А/^п

примерно в два раза. Практически увеличение будет еще большим, поскольку величины n и p для большинства материалов, в том числе LiNbÜ3, также возрастают с уменьшением X.

В настоящей статье представлено описание результатов разработки АОД, предназначенного для использования в устройствах радиотехнического назначения. Технической особенностью АОД является используемая длина волны модулируемого лазерного излучения, равная 0.532 мкм, и, как следствие, повышенная п в сопоставлении с АОД, работающими на длине волны He-Ne-лазера 0.63 мкм.

3

Общий вид разработанного АОД, имеющего габаритные размеры 10 х14 х 50 мм , приведен на рис. 1.

В АОД СВЧ-сигнал подавался через разъем СРГ-50-750 ФВ. Светозвукопровод дефлектора выполнен на основе кристалла LiNbÜ31, имеющего размеры 6 х10 х16 мм3 вдоль кристаллофизических осей Y, X, Z соответственно (рис. 2). Рабочие грани Б и В кристалла просветлялись в соответствии с требованиями B.008+, р< 0.01 по ОСТ 3.1901-95 для X = 0.532 мкм. Оптические требования к остальным граням кристалла, в том числе верхней грани А, соответствовали требованиям, описанным в [2].

о

Поперечные ультразвуковые волны со скоростью и = 3.6-10 м/с возбуждались в направлении оси Z встречно-штыревым преобразователем (ВШП), нанесенным на верхнюю грань кристалла (плоскость XY) с ориентацией штырей вдоль оси X. Свет с Х = 0.532 мкм от лазерного источника типа KLM-D532-50 с поляризацией, перпендикулярной направлению распространения ультразвука, подавался на грани кристалла LiNbÜ3 в направлении оси Y. Период расположения штырей в ВШП выбирался исходя из требования задания / = 1.75 ГГц ; число преобразователей (N -1) (N - число электродов в ВШП) определялось полосой пропускания, равной 500 МГц; выбор длины электродов ВШП H ограничивался, с одной стороны, допустимым уровнем его рассогласования в полосе А/^ и, с другой - шириной апертуры падающего на АОД лазерного излучения.

1 Диапазон прозрачности LiNbÜ3 составляет 0.4...4.5 мкм.

2 Изготовитель ЗАО "ФТИ-Оптроник", г. Санкт-Петербург.

Рис. 1 Рис. 2

Отметим, что применительно к выбранной геометрии акустооптического взаимодействия произведение кМ 2 (к - коэффициент электромеханической связи, характеризующий

эффективность "поверхностного" АОД; М2 - коэффициент акустооптического качества)

был близок к максиальному [3].

Геометрия эквидистантного ВШП и структура системы возбуждения ультразвука приведены на рис. 3. Отличительной особенностью системы возбуждения являлось нанесение непосредственно на верхнюю грань кристалла кроме самого ВШП элементов его согласования с внешней СВЧ-цепью. Этими элементами являются индуктивный шлейф Ьу

(включеный параллельно ВШП) и последовательный контур, состоящий из шлейфа Ь2 и конденсатора С3, причем конденсатор С3 конструктивно выполнен в виде второго ВШП, пространственно вынесенного из области акустооптического взаимодействия. Величина индуктивности Ьу выбиралась из условия обеспечения резонанса на частоте / = 1750 МГц.

Целесообразность выполнения согласующей цепи в виде последовательного контура Ь2С3 обусловлена тем, что, как показано в [4], именно для такой конфигурации элементов возможно обеспечить условия, при которых не требуется использовать дополнительный трансформатор для обеспечения согласования ВШП с 50-омным СВЧ-трактом.

Рис. 3

Рис. 5 Рис. 6

Полная эквивалентная схема электродинамической системы возбуждения объемных ультразвуковых волн приведена на рис. 4. В нее помимо перечисленных ранее элементов включены следующие: на входе конденсатор С^, отображающий емкость контактной площадки ВШП; сопротивление излучения ВШП ^изл1; резисторы и Rп2, учитывающие омические и другие потери в параллельном и в последовательном контурах; индуктивность короткого шлейфа Ь$ ; сопротивление излучения второго ВШП RШд2. Заметим, что

в общем случае Rиздl * Rизд2.

Теоретическая и экспериментальная (для одного образца) зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) электрического входа в диапазоне частот 1.5...2.0 ГГц приведены на рис. 5. Для всех разработанных АОД вблизи частоты / КСВ имел минимальное значение,

не превышающее 1.8. На граничных частотах 1.5 и 2.0 ГГц средние значения КСВ были равны 6 и 3 соответственно.

Несмотря на столь значительные вариации КСВ амплитудно-частотная характеристика АОД, зафиксированная в виде изменения интенсивности дифрагированного света от частоты входного сигнала (рис. 6), имела полосу рабочих частот 600.650 МГц по уровню неравномерности 4 дБ. Максимальное значение п при этом находилось в пределах 1.5... 2 %/ Вт.

Разработанный АОД с поверхностным возбуждением ультразвука на Х = 0.532 мкм и полосу рабочих частот А/^ = 500 МГц имеет втрое большую п, чем аналогичные АОД

с Х = 0.65 мкм [2]. При необходимости разработки АОД на основе ЫЫЬОз с большими

А/^ или п целесообразно использовать для них источники с еще более малой длиной

волны. Такая возможность сегодня реальна: производители полупроводниковых лазеров предлагают большую номенклатуру лазеров с X вплоть до 0.4 мкм, пригодных для применения в составе когерентных средств обработки информации. Однако при разработке подобных АОД следует принимать во внимание, что чувствительность большинства фотоприемных устройств, применяемых в составе АОД, резко падает при X < 0.5 мкм .

Библиографический список

1. Гордон Е. И. Обзор по акустооптическим отклоняющим и модулирующим устройствам // ТИИЭР. 1966. Т. 54, № 10. С. 181-192.

2. Роздобудько В. В., Бакарюк Т. В. Акустооптический СВЧ-дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 1. С. 74-76.

3. Акустические кристаллы: Справочник / А. А. Блистанов, В. С. Бондаренко, В. В. Чкалов и др.; Под ред. М. П. Шаскольской. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1982. 633 с.

4. Полупроводниковые параметрические усилители и преобразователи СВЧ / В. С. Эткин, А. С. Берлин, П. П. Бобров и др.; Под ред. В. С. Эткина. М.: Радио и связь, 1983. 304 с.

M. I. Pelipenko, V. V. Rozdobudko

Taganrog technological institute of southern federal university Acoustooptical SHF deflector for the wavelength 0.532 microns

Description of the SHF acousto-optic deflector, working at the light wavelength 0.532 microns is presented. In decrypted deflector the ultrasound is generated by system of antiphased interdigital transducers from surface of Z-cut crystal LiNbO3. Distinctive feature of the acousto-optic deflector is the increased value ofproduct of its bandwidth and diffraction efficiency.

Acousto-optic, acousto-optic deflector, Bragg diffraction, interdigital transducer

Статья поступила в реакцию 6 сентября 2007 г.