CC BY
66
УДК 621.391: 535.42
Г.С. Крутчинский
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО САМОР A30JPEBA АКУСТООПТИЧЕСКИХ ДЕФЛЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ Те02 и РЬМоО,
Таганрогский государственный радиотехнический университет,
347928, г, Таганрог, ГСП - 17а, пер. Некрасовский, 44, каф, РТЭ, тел.: 61630, e-mail: [email protected]
В акустоогггических (АО) частотно-определительных устройствах в качестве основного элемента используется акустооптический дефлектор (АОД). С помощью АОД осуществляется дифракция света лазерного луча на ультразвуковых волнах, распространяющихся в кристалле АОД. Поступающий на электрический вход АОД радиосигнал образует с помощью пьезопреобразователя дифракционную решетку в кристалле с периодом, равным длине акустической волны. При этом угол дифракции в и распределение интенсивности ЦХ) в дифрагированном луче света в дальней зоне от АОД в случае воздействия радиоимпульса определяется следующими соотношениями [1]:
где / - интенсивность падающего на АОД света лазера,
7] -дифракционная эффективность АОД,
X -геометрическая координата, вдоль которой расположены фотоприемни-
ки,
Л - длина волны падающего света лазера,
А - длина акустических волн в кристалле,
Ь - ширина световой апертуры АОД, равная ширине падающего луча, f - частота входного радиосигнала,
и - скорость ультразвука в кристалле АОД,
F - фокусное расстояние линзы.
Для уменьшения времени измерения мгновенных значений амплитуды и частоты всего устройства в целом стремятся выбирать временную апертуру АО
дефлектора-^/ небольшой, а также минимизировать время темновой апертуры
, осуществляя при этом дифракцию в ближней зоне пьез о преобразователя на
расстоянии I. При поступлении на вход радиосигнала большой мощности происходит тепловой само разогрев его светозвукопровода. Отмеченное приводит в первую очередь к изменению скорости ультразвука и дифракционной эффективности, что влечет за собой появление дополнительных ошибок измерения частоты и амплитуды радиосигнала, находящегося в апертуре АОД .
Целью представленных исследований является экспериментальная оценка погрешности измерения частоты и амплитуды радиосигналов в АО приемниках-
2-Л
(D
частотомерах, в АОД которых проявляется зависимость отмеченных параметров под влиянием радиосигналов значительной мощности.
Экспериментальная установка в своей основе повторяла классическую схему АО спектроанализатора с пространственным интегрированием [1]. дополненную устройством межканального уточнения местоположения максимума дифрагированного пятна света. Дополнительное устройство состояло из дифференциального видеоусилителя, входы которого подключены к соседним элементам фотоприемной линейки. Это позволило регистрировать координату максимума распределения 1(X) с погрешностью не хуже 10 мкм. Отмеченное
дало возможность примерно на порядок повысить точность измерения по сравнению со случаем съема сигнала с единичного фотоприёмника.
Для электрической ВЧ-мощности рэ, не превышающей 2Вт, экспериментально установлено, что форма распределения светового пятна практически сохраняется (рис.1). Изменение средней электрической мощности ВЧ-сигнала производилось путем вариации скважности коротких модулирующих видеоимпульсов при условии постоянства импульсной мощности Ри- При этом средняя ВЧ-
мощность определяется из соотношения
Рэ-^Ри’
1 и
где Гц - длительность, Ти -период модулирующих прямоугольных видеоимпульсов.
При выборе величины Гу и т целесообразно руководствоваться следующими соображениями. Для обеспечения неизменности во времени (на интервале Гг/ иТи) закона распределения температуры кристалла вблизи пьезопреобразователя (то есть в области пространственного градиента температуры [2]), величины Гу и Ти не превышали 100 мкс.
Рис.1. Распределение интенсивности в дифрагированном пятне света при различных значениях
Измерение распределения интенсивности 1( X) осуществлялось посредством фотоприемников (типа МФ-14), работающих в режиме накопления заряда. В этом случае контролируемое напряжение V определяется следующим соотношением:
С/= £■,!?,*.-а2 т„2. (2)
где С- ёмкость фотодиода,
-чувствительность фотоприемника,
2
а - площадь его фоточувствительной поверхности.
Приведенные на рис. I результаты показывают, что при Р^ < 2 Вт аргумент
12
функции
(выражение (1)) остается неизменным, поэтому, как это сле-
* J
дует из соотношений (I) и (2), можно определить искомые относительные изменения параметров дифракционной эффективности и частоты :
Ац__ л/ _ ли =
~П~ / " и / х'
Таким образом, результирующая точность экспериментального исследования определяется в основном точностью микрометрического стола, осуществляющего перемещение фотоприемника по оси X, и классом точности измерителя напряжения.
Исследования проводились для трех групп АО-дефлекторов промышленного изготовления. В первой группе (типа МЛ 201-2) на основе молибдата свинца (РЬМо04) кристалл имел тепловой контакт с корпусом одной нижней гранью, В двух других группах (на основе ларателлурита ( ГеОт)) АОД имели различную конструкцию: АО-дефлектор диапазона 27 МГц не имел надежного контакта между кристаллом и корпусом, а в АОД диапазона 160 МГц кристалл был жестко закреплен тремя гранями в металлическом корпусе. Измеренное значение коэффициента стоячей волны не превышало 1,3 для всех типов АОД диапазона 160 МГц и находилось в пределах 2,2 - 2,5 в АОД диапазона 27 МГц.
Неизменность формы распределения интенсивности (см.рис.1) позволяет утверждать, что в рассмотренных АОД не проявляется эффект акустотермической фокусировки луча, как это имеет место в высокоэффективных АОД на основе хал-когенидных стекол и прустита [3], что подтверждает постоянство рэлеевского параметра частотного разрешения.
Из полученных зависимостей видно, что относительная ошибка измерения частоты для АОД на основе РЬМо04 при =1,75 Вт достигает величины
4^,/ - 1,8% (рис.2а), что может превышать величину «частотной дискреты» АО-
измерителя. В случае увеличения расстояния ( от пьезопреобразователя до центра луча света лазера, рассматриваемая ошибка существенно уменьшается, что, однако, достигается ценой увеличения времени темновой апертуры С/ АОД. В экспе-
/ V
риментальных зависимостях для частотной ошибки Л/{Р3) (рис.2,6) и (рис.2,в)
для АОД на основе Те02 при длине темновой апертуры I более 1 мм относительная частотная погрешность не превышает 0,01 % .
Уменьшение дифракционной эффективности 7/ для АОД на основе
РЬМо04 составляет «4,6 % для электрической мощности 1.75 Вт. что отражено в рис. 1, где обе кривые распределения нормированы к максимальному значению 1(X) при /3=1,75 Вт. В других типах исследуемых приборов изменение Т) на превышало 1% при сохранении формы распределения К X )
Результаты представленных экспериментов позволяют рационально разрешить компромисс между временем задержки обрабатываемого сигнала в темповой апертуре АОД и возможной ошибкой определения частоты при значительной мощности измеряемого радиосигнала. Из сопоставления нескольких типов АОД различных конструкций видно, что наличие теплоотвода с нескольких боковых граней кристалла не дают заметного преимущества. Найденные погрешности относительного изменения дифракционной эффективности позволяют обосновать метрологические требования к другим функциональным узлам АО приемников-частотомеров, в частности к фотоприёмным элементам. Наряду с возможным эффектом саморазогрева АО-дефлекторов, следует обращать внимание на поддержание постоянства внешних температурных условий.
Л /,мги
2.5
2,0
1.5
1,0
0,5
0 0,25 0,5 0,75 1.0 1,25 1,5 Рэ,в»<
а
О 0,25 0,5 0,75 1,0 1.25 Ц Q 0.25 0.5 0 75 1,0 1.25 |,5 /»э,и»
б в Рис.2. Ошибка измерения частоты в зависимости от подаваемой на АОД мощности Рэ
ЛИТЕРАТУРА
1. Егоров Ю.В., Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акустооптические процессоры. М.: Радио и связь, 1991. 160 с.
2. Eschler Н. Performance limits of acoustooptic light deflectors due to thermal effects. Application Physics. 1976. T. 9. № 4. P. 289-306.
3. Зубринов И.М., Шепопут Д.В. Эффект акустотермической фокусировки лазерного луча в халькогенидных стеклах и прустите// ФТТ. 1975. Т.17.№ 3. С. 944-945.
