CC BY
74
УДК 531.715.1 (043.3)
Капезин С.В., Базыкин С.Н., Базыкина Н.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОАПЕРТУРНОГО АКУСТООПТИЧЕСКОГО
МОДУЛЯТОРА СВЕТА
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Акустооптические методы обработки измерительной информации в многоканальных системах управления находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Одновременная фазовая модуляция или демодуляция лазерного излучения в нескольких информационных каналах требовала разработки конструкции акустооптического модулятора, обеспечивающей идентичность параметров акустооптического взаимодействия путем просвечивания ультразвукового поля по нескольким направлениям в одной плоскости от поверхности пьезоизлучателя. Особенно это необходимо обеспечивать в высокоточных фазовых измерительных системах, в которых значение фазы фиксируется до 110" рад. В [1] было показано, что случайные и систематические погрешности фазового преобразования, связанные с акустооптическим преобразователем частоты световых волн (см. рисунок 1), определяются двумя основными параметрами - значения коэффициента отражения (г) и значением температурного коэффициента скорости ультразвука (DCt). При этом через них оказывают свое влияние другие конструктивные параметры: глубина
ультразвукового поля (/), координата зоны акустооптического взаимодействия (у0), длина модулятора по ультразвуку (у). В связи с этим разработка конструкции АОМ, удовлетворяющей минимальной погрешности преобразования и методики расчета и основных конструктивных параметров представляется весьма актуальной.
В случае организации дополнительного информационного опорного канала, несущего информацию от нестабильности параметров АОВ в других каналах и по которому производится коррекция результатов преобразования, конструкция АОМ должна обеспечивать просвечивание модулятора по всем каналам в одной плоскости, на одинаковом расстоянии у0г при равенстве параметров /■. Схема направлений акустооптического взаимодействия в многоапертурном АОМ представлена на рисунке 1, а двухкамерная конструкция жидкостного АОМ на рисунке 2. Изготовление АОМ света -сложная комплексная задача, успешное решение которой зависит от правильного выбора принципиальной схемы конструкции, материалов светозвукопровода, пъезопреобразователя, технологии нанесения акустооптических "связок" и поглотителей, условий согласования АОМ по акустооптическим и электрическим сопротивлениям.
Применение органических жидкостей в качестве сред при малых акустооптических мощностях ультразвукового поля (<< 0,5 Вт) снимает вопросы [2] с оптической неоднородностью светозвукопровода; спектр дифрагированного света определяется спектром только одного типа ультразвуковых волн - продольных, конструкции узла крепления пъезоизлучателя отличаются простотой и надежностью при работе на частоте
1^100 МГц. Многолетний опыт разработки и эксплуатации АОМ показал, что среди множества органических жидкостей в качестве среды АОМ по большинству показателей подходит группа сложных спиртов (этиленгликоль, диэтиленгликоль, этиловый спирт) и ксилол. Анализ математической модели фазовой погрешности преобразования измерительной информации, показал, что значение указанной погрешности зависит от реального значения коэффициента отражения ультразвуковой волны, возвращающейся в зону акустооптического взаимодействия.
III
Рисунок 1 Схема направлений акустооптического взаимодействия в
многоапертурном АОМ
Возможны два конструктивных способа уменьшения влияния отраженной ультразвуковой волны:
1 Уменьшение дифракционной эффективности АОМ от отраженной ультразвуковой волны для проходящих световых волн за счет увеличения угла падения (рисунок 3.)
2 Уменьшение действительного значения коэффициента отражения путем согласования волновых сопротивлений среды светозвукопровода АОМ и материала поглотителя.
В многоапертурной конструкции АОМ, рассматриваемой в данной работе, такой способ неприменим из-за наличия нескольких плоскостей АОВ с неидентичными условиями (по числу каналов преобразования), в которых лежат направления распространения преобразуемых световых волн и направление исходной ультразвуковой волны (см. рисунок 1). При этом результат изменения направления отраженной ультразвуковой волны в плоскости взаимодействия (поворотом плоскости отражателя) для одного канала преобразования, неэффективно действует для других каналов. Поэтому
в многоапертурных конструкциях АОМ целесообразно применять конструкцию плоского поглотителя, при которой требуемый режим "бегущей" ультразвуковой волны обеспечивается при поглощении последней в результате прохождения ее через материал поглотителя.
Рисунок 2 Схема двухкамерной конструкции многоапертурного
АОМ
Результаты физико-механических исследований, приведенные в работе [3] , показывают, что для ультразвуковых колебаний на частотах 1^20 МГц максимальное затухание при температуре 283 + 303 К° наблюдается в высокополимерных, каучукоподобных материалах и пластмассах.
Поглощение ультразвуковых волн в этих материалах, связанное с релаксационными процессами, при которых происходит сворачивание и разворачивание клубков молекул полимеров, является частотнозависимым, имеющим тенденцию к увеличению с повышением частоты. При этом энергия ультразвуковой волны преобразуется в тепло.
Целесообразность применения полимеров в качестве материалов для поглотителей в жидкостных АОМ диктуется малыми значениями волновых сопротивлений, сравнимыми с значениями волновых сопротивлений используемых жидкостей, что особенно эффективно для их согласования.
Для обеспечения необходимого уровня поглощения ультразвуковой волны необходимо обеспечить достаточную для этого толщину поглотителя.
a/2=g
Ко
Рисунок 3 Схема направлений АОВ световой волны с исходной и отраженной
звуковыми волнами.
Коэффициент потерь e ультразвука для распространяющегося в неограниченной среде твердого тела с длиной волны 12 связан с коэффициентом поглощения an [2] соотношением:
Л2 1
— = — (1)
pe аП к '
Обозначим отношение амплитуды поглощенной (до необходимого значения) ультразвуковой волны - DPn при ее распространении в среде к амплитуде исходной - АР0 через:
DP,
П
АРП
a ■ r
n n
(2)
где коэффициент an < 1; rn - коэффициент отражения. Тогда, в соответствии с изложенными определениями, необходимая толщина поглотителя может быть рассчитана с помощью выражения:
dn = л 2 (3)
n РЄ
При прохождении ультразвуковой волны границы раздела максимально допустимое значение фазовой погрешности преобразование значения фазы световой волны зависит от передаточной функции конкретного оптического устройства и всегда может быть определена, как 5Фгтах = Г(готр.) функция готр.. Поэтому всегда можно исходя из допустимого значения 8Фгтах вычислить максимально допустимое значение коэффициента отражения гдоп.. Так для гетеродинных интерферометров с акустооптическим преобразованием фазы
измерительной световой волны при 8Фгтах £ 0,01 рад., ЯДОп £ 0,05. В работе [4] было получено выражение для расчета численного значения отношения волновых сопротивлений р1с1 и р2с2 материала светозвукопровода и поглотителя
твс,
1 — r 1 + r
доп £ m £ доп
1 , _ 11 вс ~ 1
1 + Гдоп 1 — Гдоп
(4)
которое определяет область допустимых значений твс для обеспечения режима "бегущей" волны. Из применяемых пар "жидкость-полимер" последнему условию при гдоп £ 0,005 и соответственно 0,99 £ твс £ 1,01 в настоящее время не удовлетворяет ни одна. Для снижения требований по согласованию волновых сопротивлений материалов была разработана и исследована конструкция поглотителя, использующая свойства "резонансного"
прохождения ультразвуковой волны через пластину полимера. В этом случае коэффициент отражения:
R
(т1 —1)2
П
4тес ■ Ctg2
2pdn
У Л 2 J
+ {ml +1)2
(5)
где dn - толщина пластины, Л2 - длина ультразвуковой волны в материале поглотителя. Периодичность функции (5) показывает, что ее минимальное значение наблюдается
Rn = min при dn = N Л2 (6)
где N - целое положительное число.
Отсюда видно, что для обеспечения требуемого значения Rn необходимо с заданной точностью обеспечить размер толщины пластины поглотителя dn исходя из (6) и (3).
На рисунке 2 в разрезе представлена схематически конструкция разработанного в настоящей работе АОМ. На нем последовательно обозначены основные функциональные узлы: 1 - пластина круглого
пьезоизлучателя, 2 - оптически прозрачный корпус, 3 - круглая пластина поглотителя толщиной dn, 4 - соединительное отверстие, 5 - заливная пробка, 6 -воздушный "пузырек-демпфер", 7 - "рабочая" жидкость.
Специальной формы двухкамерная конструкция жидкостного АОМ позволяет удовлетворить "противоречивые" эксплуатационные требования. Для обеспечения неразрушаемости конструкции АОМ вследствие объемного расширения "рабочей" жидкости при больших перепадах температуры, при этом наиболее слабым звеном является тонкая (порядка 0,3 мм) пластина пьезоизлучателя, в объеме "рабочей" жидкости должен присутствовать небольшой ( » 0,035 мл) воздушный пузырек, выполняющий функции демпфера объемного расширения. В то же время, в рабочей зоне светозвукопровода не должно находиться посторонних тел, нарушающих нормальное акустооптическое взаимодействие.
Форма «нерабочей» камеры II в виде усеченного конуса и место расположения соединительного отверстия 4, обеспечивают малую вероятность
проникновения воздушного пузырька в «рабочую» камеру I, при работе АОМ в различных пространственных положениях относительно направления действия выталкивающей силы.
При конструкции поглотителя в виде плоскопараллельной пластины, разделяющей две камеры многоапертурного АОМ и помещенной в «рабочую» жидкость, поглощаемая ультразвуковая волна проходит толщину поглотителя по крайней мере 2 раза. Поэтому минимальная необходимая толщина пластины поглотителя в соответствии с (3) может быть уменьшена. Окончательно, учитывая свойства прохождения ультразвуковой волны в пластине поглотителя, для обеспечения минимальных значений коэффициента отражения Rn (5) размер толщины пластины должен выбираться кратным половине длины ультразвуковой волны в материале поглотителя и больше размера, определяемого выражением:
d = g'-— п g 2
где g' - целое число, удовлетворяющее условию:
1
ln
g
a - r
n n
КЄ
(7)
(8)
Коэффициент отражения rn должен удовлетворять условию rn £ гдоп.
Значение коэффициента ап характеризует заданную эффективность поглотителя и определяет степень ослабления вторичной ультразвуковой волны, возвращающейся в светозвукопровод АОМ после двухкратного прохождения пластины поглотителя.
В разработанной конструкции значение ап выбиралось равным 0,01. Например, минимальные размеры толщины пластины из полистирола, фторопласта - 3 и вакуумной резины, необходимые для обеспечения коэффициента отражения rn = rdon = 0,005 при ап = 0,01 при частоте ультразвуковой волны Fm = 8,0 МГц соответственно равны: dn1” = 36,44 мм, dn2” = 2,68 мм, dn3” = 1,57 мм.
Как видно из приведенных расчетных данных, для полимеров (при частоте ультразвуковой волны Fm = 8 МГ ц), у которых коэффициент потерь є < 0,03 толщина пластины поглотителя, при равных заданных параметрах an и rn получается больше 15 мм, что непропорционально увеличивает габариты узла поглотителя. Поэтому с конструктивной точки зрения рекомендуется применять полимеры и пластмассы, у которых є > 0,03.
Последовательность операций расчета геометрических параметров и выбора материалов для светозвукопровода и поглотителя, для обеспечения заданного максимально допустимого значения случайной фазовой погрешности преобразования ЛФщоп - в АОМ, зависит от конкретных конструктивных и эксплуатационных требований. Поскольку синтез полимеров с заданными акустическими параметрами является более сложным технологическим процессом, чем синтез органических жидкостей, так как уже их смеси с различными добавками существенно изменяют их акустические
параметры, расчет должен исходить из параметров имеющихся полимеров.
Экспериментальное исследование достигаемых значений rn
осуществлялось на стенде, реализующем гетеродинный оптический метод. Так для исследования в качестве поглотителя вакуумной резины с Су.з..= 1570 м/с, ап = 0,01; Fm= 8,0 МГц и гпдоп £ 0,005. Расчетное значение d”n = 3,14 ± 0,002 мм с допуском на 0,992 £ твс £ 1,008, волновое сопротивление жидкости получилось равным 183,52 £ р1с1 £ 186,48, по значениям которого для применения рекомендован антифриз "Тосол-40М".
ЛИТЕРАТУРА
1 . Капезин С.В., Телешевский В.И. Оптико-электронный фазовый интерферометр для контроля размеров.- В кн.: Методы и средства обработки оптической информации. М.: МДНТП, 1983. С. 36-40.
2. Магдин Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение: М.: Советское радио, 1978., 111 с.
3. Богданов С.В., Шелопут Д.В. Материалы для акустооптических устройств. - В кн.: Свойства материалов, используемых в устройствах оптоэлектроники. Красноярск, 1975, с. 46-57.
4. Капезин С.В. "Повышение точности лазерных интерференционных акустооптических измерительных систем методом автоматической компенсации" Автореф. дис. канд. техн. наук. - М. 1984., 28с.
