RU2677117C1

RU2677117C1 - Acoustooptic bragg element

Info

Publication number: RU2677117C1
Application number: RU2018107380A
Authority: RU
Inventors: Евгений Леонардович Никишин; Сергей Валентинович Заварин; Станислав Олегович Васецкий
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-01-15

Abstract

FIELD: optics; acoustics.SUBSTANCE: invention relates to acoustooptics and can be used in devices deflection and modulation of laser beams and, in particular, in the development of information input devices in systems for optical processing of radio signals. Device consists of a photoelastic medium and a multi-element piezoelectric transducer acoustically connected to it, containing a sequence of electrically connected in a row arranged by means of long ribbon conductors with one of the electrodes of the transmission line of capacitive elements filled in the form of a piezoelectric layer of the same thickness, in which the electrodes are located on the opposite side of the piezoelectric layer, are also connected directly to the same electrode of the transmission line, and the first ribbon conductor connecting the capacitive element at the row and the electrode of the transmission line is connected in its middle part to another electrode of the transmission line, and the electrode of each capacitive element between the piezoelectric layer and the photoelastic medium is made in the form of a wedge with a thickness varying in the direction of a number of capacitive elements. Each ribbon conductor connects a group of several, at least two adjacent capacitive elements with one of the electrodes of the transmission line, and the gap between adjacent ribbon conductors is equal to the arithmetic average of the gaps between the capacitive elements in the extreme pairs, located next to each other in adjacent groups of capacitive elements.EFFECT: technical result consists in increasing the diffraction efficiency during the operation of the Bragg acousto-optic element in the upper part of the decimeter and centimeter range of electromagnetic wavelengths.4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в приборах отклонения и модуляции лазерных пучков и, в частности, при разработке устройств ввода информации в системах оптической обработки радиосигналов.The invention relates to acousto-optics and can be used in devices for deflecting and modulating laser beams and, in particular, in the development of information input devices in optical processing systems for radio signals.

Известен акустооптический элемент Брэгга, содержащий фотоупругую среду и расположенный на ней многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь в виде металлизированной поверхности, нанесенного поверх нее пьезоэлектрического слоя и размещенной на пьезоэлектрическом слое плоской меандровой системы (а.с. СССР №989520, опубл. 15.01.83., МПК: G02F 1/33). Электрическая эквивалентная схема такого преобразователя представляет собой периодическую волноведущую систему типа фильтр низких частот. Электромагнитный сигнал распространяется от элемента к элементу вдоль пьезоэлектрического преобразователя и по мере распространения преобразуется на пьезоэлектрических элементах в акустический сигнал. Преобразователь хорошо согласуется с передающей СВЧ линией и формирует в фотоупругой среде набор акустических пучков, один из которых изменяет направление своего распространения при изменении частоты электромагнитного сигнала почти по закону соответствия условию Брэгга. В результате в акустооптическом элементе осуществляется автоматическая подстройка угла падения светового луча на результирующий фронт акустической волны в рабочем пучке под условие Брэгга в широкой полосе частот.A known Bragg acousto-optical element containing a photoelastic medium and a multielement piezoelectric transducer located on it in the form of a metallized surface deposited on top of it a piezoelectric layer and placed on a piezoelectric layer of a flat meander system (AS USSR No. 989520, publ. 15.01.83., IPC : G02F 1/33). The electrical equivalent circuit of such a converter is a periodic waveguide system such as a low-pass filter. An electromagnetic signal propagates from element to element along the piezoelectric transducer and, as it propagates, it is converted on the piezoelectric elements into an acoustic signal. The converter is in good agreement with the microwave transmission line and forms a set of acoustic beams in a photoelastic medium, one of which changes its propagation direction when the frequency of the electromagnetic signal changes, almost according to the Bragg condition. As a result, in the acousto-optical element, the angle of incidence of the light beam is automatically adjusted to the resulting front of the acoustic wave in the working beam under the Bragg condition in a wide frequency band.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность дифракции при работе на частотах СВЧ диапазона. Низкая эффективность дифракции, величина которой пропорциональна интенсивности акустической волны и длине акустооптического взаимодействия, обусловлена тем, что с увеличением центральной частоты рабочего диапазона для реализации широкополосной дифракции необходимо уменьшать период многоэлементного преобразователя обратно пропорционально квадрату частоты. При этом резко уменьшается поперечное сечение проводников преобразователя, их сопротивление увеличивается, и потери электромагнитного сигнала в преобразователе возрастают. Из-за сильного ослабления электромагнитного сигнала происходит снижение интенсивности акустической волны и уменьшение длины акустооптического взаимодействия, связанное также с резким уменьшением периода расположения элементов в преобразователе при неизменном общем количестве излучающих элементов. Кроме того необходимо отметить, что интенсивность рабочего акустического пучка составляет лишь около четверти от всей интенсивности акустических волн, генерируемых таким многоэлементным преобразователем. В результате на высоких частотах такой акустооптический элемент Брэгга имеет очень низкую дифракционную эффективность.The disadvantage of this device is the low diffraction efficiency when operating at microwave frequencies. The low diffraction efficiency, the value of which is proportional to the intensity of the acoustic wave and the length of the acousto-optic interaction, is due to the fact that with an increase in the central frequency of the operating range for the implementation of broadband diffraction, it is necessary to reduce the period of the multi-element converter inversely to the square of the frequency. In this case, the cross section of the converter conductors decreases sharply, their resistance increases, and the loss of the electromagnetic signal in the converter increases. Due to the strong attenuation of the electromagnetic signal, there is a decrease in the intensity of the acoustic wave and a decrease in the length of the acousto-optical interaction, which is also associated with a sharp decrease in the period of arrangement of elements in the transducer with a constant total number of radiating elements. In addition, it should be noted that the intensity of the working acoustic beam is only about a quarter of the total intensity of the acoustic waves generated by such a multi-element transducer. As a result, at high frequencies, such an acousto-optical Bragg element has a very low diffraction efficiency.

Известен также акустооптический элемент Брэгга, в котором расположенный на фотоупругой среде многоэлементный электроакустический преобразователь выполнен в виде последовательности пьезоэлементов, образованных пьезослоем, заключенным между перекрывающимися участками верхних и нижнего электродов, верхние электроды представляют собой последовательность полосок, меандр или гребенку, нижний электрод выполнен в виде полуплоскости, пьезослой выполнен переменной толщины вдоль последовательности пьезоэлементов, а начало каждого предыдущего пьезоэлемента последовательности расположено относительно начала последующего на расстоянии, увеличивающемся в направлении увеличения толщины пьезослоя (патент РФ №2085983, опубл. 27.07.97., МПК: G02F 1/33). Этот преобразователь также с точки зрения электрической эквивалентной схемы представляет периодическую волноведущую систему фильтрового типа. В патенте рассмотрены варианты конструкций, образующих фильтр высоких частот, фильтр низких частот и полосовой фильтр.The Bragg acousto-optical element is also known, in which a multi-element electro-acoustic transducer located on a photoelastic medium is made in the form of a sequence of piezoelectric elements formed by a piezoelectric layer enclosed between overlapping sections of the upper and lower electrodes, the upper electrodes are a sequence of strips, a meander or comb, the lower electrode is made in the form of a half-plane , the piezoelectric layer is made of variable thickness along the sequence of piezoelectric elements, and the beginning of each previous the rest of the piezoelectric element of the sequence is located relative to the beginning of the subsequent one at a distance increasing in the direction of increasing the thickness of the piezoelectric layer (RF patent No. 2085983, publ. 07.27.97., IPC: G02F 1/33). From the point of view of the electric equivalent circuit, this converter also represents a filter-type periodic waveguide system. The patent discusses design options that form a high-pass filter, a low-pass filter and a band-pass filter.

Акустооптическому элементу Брэгга с многоэлементным пьезоэлектрическим преобразователем любой из этих конструкций присущ такой же недостаток, как и элементу Брэгга по а.с. №989520. А именно: низкая эффективность дифракции при работе в диапазоне СВЧ. Требуемый для широкополосной работы акустооптического элемента период расположения пьезоэлектрических элементов с увеличением центральной частоты прибора уменьшается обратно пропорционально квадрату ее величины. Площадь поперечного сечения проводников преобразователя при этом резко сокращается, их сопротивление существенно возрастает, а уровень интенсивности распространяющегося вдоль преобразователя электромагнитного сигнала значительно снижается из-за потерь энергии. Наряду с ослаблением электромагнитного сигнала происходит уменьшение длины акустооптического взаимодействия. В преобразователе рассматриваемой конструкции уменьшение длины акустооптического взаимодействия происходит еще и потому, что в нем пьезоэлектрический слой выполнен переменной толщины. В результате электромагнитный сигнал конкретной частоты преобразуется в акустический сигнал лишь на ограниченном участке преобразователя. Длину этого участка, казалось бы, можно увеличить, увеличив число излучающих элементов с периодом следования соответствующим толщине пьезоэлектрического слоя в данном месте преобразователя. Но рост числа элементов преобразователя с одновременным уменьшением их периода в СВЧ диапазоне приводит к еще более негативному проявлению омических потерь и та часть преобразователя, которая расположена с противоположного от входа сигнала края, не будет вообще работать, поскольку сигнал из-за сильного затухания просто не дойдет до нее. Поэтому полоса рабочих частот значительно уменьшится. Для работы в данном акустооптическом элементе используется один акустический пучок из нескольких, формируемых многоэлементным преобразователем. Интенсивность этого пучка в лучшем случае составляет лишь четвертую часть от общей интенсивности акустических волн, возбуждаемых преобразователем. Соответственно в четыре раза снижается эффективность дифракции по сравнению с акустооптическими элементами, в которых преобразователи формируют один акустический пучок. В силу перечисленных причин эффективность дифракции акустооптического элемента Брэгга рассматриваемой конструкции в верхней части дециметрового и сантиметровом диапазоне длин волн оказывается низкой.The acousto-optic Bragg element with a multi-element piezoelectric transducer of any of these structures has the same drawback as the A. Bragg element No. 989520. Namely: low diffraction efficiency when operating in the microwave range. The period of arrangement of the piezoelectric elements required for the broadband operation of the acousto-optical element with an increase in the center frequency of the device decreases inversely with the square of its value. The cross-sectional area of the converter conductors is sharply reduced, their resistance increases significantly, and the intensity level of the electromagnetic signal propagating along the converter is significantly reduced due to energy loss. Along with the attenuation of the electromagnetic signal, a decrease in the length of the acousto-optical interaction occurs. In the transducer of the design under consideration, a decrease in the length of the acousto-optical interaction occurs also because the piezoelectric layer in it is made of variable thickness. As a result, an electromagnetic signal of a specific frequency is converted into an acoustic signal only in a limited area of the transducer. It would seem that the length of this section can be increased by increasing the number of radiating elements with a repetition period corresponding to the thickness of the piezoelectric layer at a given point in the transducer. But an increase in the number of converter elements with a simultaneous decrease in their period in the microwave range leads to an even more negative manifestation of ohmic losses, and that part of the converter located from the edge opposite from the input of the signal will not work at all, because the signal simply will not reach due to strong attenuation to her. Therefore, the operating frequency band will be significantly reduced. To work in this acousto-optical element, one acoustic beam of several formed by a multi-element transducer is used. The intensity of this beam at best is only a quarter of the total intensity of the acoustic waves excited by the transducer. Accordingly, the diffraction efficiency is reduced four times in comparison with acousto-optical elements in which the transducers form one acoustic beam. For these reasons, the diffraction efficiency of the acousto-optical Bragg element of the considered design in the upper part of the decimeter and centimeter wavelengths is low.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является акустооптический элемент Брэгга, состоящий из фотоупругой среды, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, образованный последовательностью расположенных в ряд электрически соединенных посредством длинных ленточных проводников с одним из электродов передающей линии емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя одинаковой толщины, у которых электроды, расположенные с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя, также соединены непосредственно с этим же электродом передающей линии, причем первый ленточный проводник, соединяющий крайний в ряду емкостной элемент и электрод передающей линии, соединен в своей средней части с другим электродом передающей линии, а электрод каждого емкостного элемента между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой выполнен в виде клина с изменяющейся в направлении ряда емкостных элементов толщиной (Зюрюкин, Ю.А. Дефлекторы лазерного пучка для акустооптической обработки радиосигналов / Ю.А. Зюрюкин, С.В. Заварин, Л.А. Шехтман // Проблемы оптической физики: Материалы 6-й Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. - Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж», 2003. С. 38-43). В акустооптическом элементе Брэгга такой конструкции многоэлементный преобразователь формирует акустическое поле с диаграммой направленности в виде набора лепестков различной интенсивности, один из которых используется для реализации широкополосной дифракции. Благодаря применению расположенных между фотоупругой средой и пьезоэлектрическим слоем постоянной толщины электродов емкостных элементов, выполненных в форме клина с изменяющейся толщиной в направлении ряда емкостных элементов, в рабочем акустическом пучке, с которым взаимодействует свет в широкой полосе частот, сосредоточена большая часть энергии генерируемых преобразователем акустических волн.The closest in technical essence to the claimed one is the Bragg acousto-optic element, consisting of a photoelastic medium on which a multi-element electro-acoustic transducer is located, formed by a sequence of capacitive elements electrically connected by means of long ribbon conductors with one of the electrodes of the transmission line and filled in the same way as a piezoelectric layer thicknesses with electrodes located on the opposite side of the piezoelectric They are also connected directly to the same electrode of the transmission line, the first ribbon conductor connecting the capacitive element in the row and the electrode of the transmission line connected in its middle part to another electrode of the transmission line, and the electrode of each capacitive element between the piezoelectric layer and the photoelastic medium made in the form of a wedge with a thickness varying in the direction of a number of capacitive elements (Zyuryukin, Yu.A. Laser beam deflectors for acousto-optical processing of radio signals / Yu.A. Zyuryukin, S.V. Zavarin, L.A. Shekhtman // Problems of Optical Physics: Materials of the 6th International Youth Scientific School of Optics, Laser Physics and Biophysics. - Saratov: Publishing House of the State Research Center "College", 2003. S. 38-43). In an acousto-optical Bragg element of this design, a multi-element transducer forms an acoustic field with a radiation pattern in the form of a set of petals of various intensities, one of which is used to implement broadband diffraction. Due to the use of capacitive elements located between the photoelastic medium and the piezoelectric layer of constant thickness electrodes, made in the form of a wedge with varying thickness in the direction of a number of capacitive elements, in the working acoustic beam, with which light interacts in a wide frequency band, most of the energy generated by the acoustic wave transducer is concentrated .

Недостатком данного акустооптического элемента Брэгга является низкая эффективность дифракции при работе в верхней части дециметрового и сантиметровом диапазоне длин электромагнитных волн. Электрическая эквивалентная схема преобразователя представляет полосовой фильтр. Электромагнитный сигнал поступает на вход преобразователя и распространяется вдоль него, частично преобразуясь по мере распространения в акустический сигнал на пьезоэлектрических элементах. С ростом рабочих частот для осуществления автоматической подстройки рабочего акустического пучка под условие Брэгга необходимо уменьшать период расположения емкостных элементов обратно пропорционально квадрату частоты. При этом резко уменьшается площадь поперечного сечения проводников преобразователя и растет их сопротивление. Поэтому уровень электромагнитного сигнала снижается и интенсивность акустических волн, возбуждаемых преобразователем, сильно падает. Также из-за уменьшения периода и сильного затухания в преобразователе как волноведущей системе электромагнитного сигнала значительно сокращается длина акустооптического взаимодействия. В результате эффективность дифракции резко уменьшается.The disadvantage of this acousto-optical Bragg element is the low diffraction efficiency when working in the upper part of the decimeter and centimeter range of electromagnetic wavelengths. The electrical equivalent circuit of the converter is a bandpass filter. An electromagnetic signal is fed to the input of the transducer and propagates along it, partially transforming as it propagates into an acoustic signal on piezoelectric elements. With an increase in operating frequencies, for the automatic adjustment of the working acoustic beam to the Bragg condition, it is necessary to reduce the period of arrangement of capacitive elements in inverse proportion to the square of the frequency. In this case, the cross-sectional area of the converter conductors sharply decreases and their resistance increases. Therefore, the level of the electromagnetic signal decreases and the intensity of the acoustic waves excited by the transducer drops significantly. Also, due to the reduction of the period and strong attenuation in the transducer as a waveguide system of the electromagnetic signal, the length of the acousto-optic interaction is significantly reduced. As a result, the diffraction efficiency decreases sharply.

Технической проблемой заявляемого изобретения является существенное повышение эффективности дифракции при работе акустооптического элемента Брэгга в верхней части дециметрового и сантиметровом диапазоне длин электромагнитных волн.The technical problem of the claimed invention is a significant increase in diffraction efficiency during operation of the acousto-optical Bragg element in the upper part of the decimeter and centimeter range of electromagnetic waves.

Поставленная проблема решается тем, что в акустооптическом элементе Брэгга, состоящем из фотоупругой среды и акустически связанного с ней многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, содержащего последовательность расположенных в ряд электрически соединенных посредством длинных ленточных проводников с одним из электродов передающей линии емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя одинаковой толщины, у которых электроды, расположенные с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя, также соединены непосредственно с этим же электродом передающей линии, причем первый ленточный проводник, соединяющий крайний в ряду емкостной элемент и электрод передающей линии, соединен в своей средней части с другим электродом передающей линии, а электрод каждого емкостного элемента между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой выполнен в виде клина с изменяющейся в направлении ряда емкостных элементов толщиной, каждый ленточный проводник соединяет группу из нескольких, по крайней мере двух, рядом расположенных емкостных элементов с одним из электродов передающей линии, а зазор между соседними ленточными проводниками равен среднему арифметическому от зазоров между емкостными элементами в крайних парах, расположенных рядом в соседних группах емкостных элементов.The posed problem is solved in that in the Bragg acousto-optical element, consisting of a photoelastic medium and a multi-element piezoelectric transducer acoustically connected to it, containing a sequence of capacitive elements electrically connected by means of long ribbon conductors with one of the electrodes of the transmission line and filled in the form of a piezoelectric layer of the same thicknesses, in which electrodes located on the opposite side of the piezoelectric layer are also connected inenes directly with the same electrode of the transmission line, the first ribbon conductor connecting the capacitive element in the row and the electrode of the transmission line connected in its middle part to another electrode of the transmission line, and the electrode of each capacitive element between the piezoelectric layer and the photoelastic medium is made in the form wedge with a thickness varying in the direction of a number of capacitive elements, each ribbon conductor connects a group of several at least two adjacent capacitive elements with one of the electrodes of the transmission line, and the gap between adjacent tape conductors is equal to the arithmetic average of the gaps between the capacitive elements in the extreme pairs located adjacent to adjacent groups of capacitive elements.

Кроме того проблема решается тем, что период расположения емкостных элементов в каждой группе, соединенной длинным ленточным проводником с одним из электродов передающей линии, или в каждом равном наборе групп монотонно изменяется от

до

, где λ_o - длина волны света в вакууме, n - показатель преломления фотоупругой среды, ν_зв - скорость упругих волн в фотоупругой среде, ƒ_o - центральная частота диапазона, Δƒ - полоса рабочих частот.In addition, the problem is solved by the fact that the period of the arrangement of capacitive elements in each group connected by a long ribbon conductor to one of the electrodes of the transmission line, or in each equal set of groups monotonously varies from

before

where λ _o is the wavelength of light in vacuum, n is the refractive index of the photoelastic medium, ν _sv is the speed of elastic waves in the photoelastic medium, ƒ _o is the center frequency of the range, Δƒ is the operating frequency band.

Поставленная проблема также решается тем, что первый ленточный проводник, соединяющий группу крайних в ряду емкостных элементов и электрод передающей линии, соединен с другим электродом передающей линии посредством образующего индуктивность ленточного проводника.The posed problem is also solved by the fact that the first tape conductor connecting the group of capacitive elements in the row and the electrode of the transmission line is connected to another electrode of the transmission line by means of an inductance forming the ribbon conductor.

Проблема решается, кроме того, тем, что ленточный проводник, соединяющий группу емкостных элементов с одним из электродов передающей линии, расположенный на противоположном по отношению к ленточному проводнику, соединенному в своей средней части с другим электродом передающей линии, крае преобразователя, соединен с активной согласующей нагрузкой, сопротивление которой равно волновому сопротивлению передающей линии.The problem is also solved by the fact that the tape conductor connecting the group of capacitive elements to one of the electrodes of the transmission line, located on the opposite to the tape conductor connected in its middle part to the other electrode of the transmission line, the edge of the converter, is connected to the active matching load, the resistance of which is equal to the wave resistance of the transmission line.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - общий вид заявляемого акустооптического элемента Брэгга, фиг. 2 - схема расположения электродов емкостных элементов с монотонно изменяющимся периодом и заполнением в виде пьезоэлектрического слоя в группе емкостных элементов, соединенной ленточным проводником с электродом передающей линии, фиг. 3 - схема расположения электродов емкостных элементов с монотонно изменяющимся периодом в наборе из двух последовательных групп, соединенных ленточными проводниками с электродом передающей линии, фиг. 4 - электрическая эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя заявляемого акустооптического элемента, когда изменение периода согласно формуле изобретения выполнено в пределах каждой группы емкостных элементов, фиг. 5 - форма поперечного сечения электродов в емкостных элементах преобразователя с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя одинаковой толщины и электродом в виде клина между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой.The invention is illustrated by drawings: FIG. 1 is a general view of the inventive acousto-optical Bragg element, FIG. 2 is a diagram of an arrangement of electrodes of capacitive elements with a monotonously varying period and filling in the form of a piezoelectric layer in a group of capacitive elements connected by a ribbon conductor to the electrode of the transmission line, FIG. 3 is a diagram of an arrangement of electrodes of capacitive elements with a monotonously varying period in a set of two consecutive groups connected by tape conductors to an electrode of a transmission line, FIG. 4 is an electrical equivalent circuit of a piezoelectric transducer of the claimed acousto-optic element when a period change according to the claims is made within each group of capacitive elements, FIG. 5 is a cross-sectional view of electrodes in capacitive elements of a transducer with filling in the form of a piezoelectric layer of the same thickness and an electrode in the form of a wedge between the piezoelectric layer and the photoelastic medium.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - фотоупругая среда, 2 - пьезоэлектрический слой, 3 - два общих проводника, электрически замкнутых на один из электродов передающей линии, 4 - ленточный проводник, соединяющий группу емкостных элементов с одним из электродов передающей линии, 5 - группа емкостных элементов преобразователя, 6 - ленточный проводник, соединяющий преобразователь со вторым электродом передающей линии, 7 - активная согласующая нагрузка, 8 - электроды емкостных элементов с одной стороны пьезоэлектрического слоя, соединенные ленточными проводниками с замкнутым на один из электродов передающей линии общим проводником, 9 - электроды емкостных элементов с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя, соединенные непосредственно с замкнутым на один из электродов передающей линии общим проводником, 10 - волновая поверхность упругой волны, возбуждаемой пьезоэлектрическим элементом, 11 - набор из соединенных ленточными проводниками с общим проводником двух групп емкостных элементов, в котором период следования элементов монотонно изменяется, 12 - электрод емкостного элемента клиновидной формы между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой.The positions in the drawings indicate: 1 - photoelastic medium, 2 - piezoelectric layer, 3 - two common conductors electrically closed to one of the electrodes of the transmission line, 4 - tape conductor connecting the group of capacitive elements with one of the electrodes of the transmission line, 5 - group of capacitive transducer elements, 6 - tape conductor connecting the transducer to the second electrode of the transmission line, 7 - active matching load, 8 - electrodes of capacitive elements on one side of the piezoelectric layer, connected tape conductors with a common conductor closed to one of the electrodes of the transmission line, 9 - electrodes of capacitive elements on the opposite side of the piezoelectric layer, connected directly to the common conductor closed to one of the electrodes of the transmission line, 10 - wave surface of an elastic wave excited by the piezoelectric element, 11 - a set of two groups of capacitive elements connected by tape conductors with a common conductor, in which the period of the elements monotonously varies, 12 - an electrode of capacitive electric wedge-shaped element between the piezoelectric layer and the photoelastic medium.

Предлагаемый акустооптический элемент Брэгга (фиг. 1) включает фотоупругую среду 1, на которой расположен многоэлементный электроакустический преобразователь, содержащий последовательность размещенных в ряд емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя 2 одинаковой толщины. Весь ряд емкостных элементов преобразователя поделен на равные по длине в направлении ряда группы 5. Электроды емкостных элементов 8 (фиг. 2) с одной стороны пьезоэлектрического слоя 2 в каждой группе 5 соединены посредством ленточного проводника 4 с общим проводником 3, который замкнут на один из электродов передающей линии. Электроды емкостных элементов 9 с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя 2 соединены непосредственно с общим проводником 3, который замкнут на один из электродов передающей линии. Электроды 8 в каждой группе или все электроды 9 с одной из сторон пьезоэлектрического слоя 2 могут быть выполнены как общий электрод в виде полуплоскости. Электроды емкостных элементов 8 и 9 разделены пьезоэлектрическим слоем 2 одинаковой по всему преобразователю толщины и перекрывают друг друга, образуя ряд пьезоэлектрических излучателей упругих волн 10 (фиг. 5). Электроды емкостных элементов 8 и (или) 9 в группе 5 (фиг. 2) или в каждом равном наборе групп 11 (фиг. 3) расположены с периодом следования, монотонно изменяющимся от

до

, где λ_o - длина волны света в вакууме, n - показатель преломления фотоупругой среды, ν_зв - скорость упругих волн в фотоупругой среде, ƒ_o - центральная частота диапазона, Δƒ - полоса рабочих частот. Зазор между соседними ленточными проводниками 4 равен среднему арифметическому от зазоров между электродами 8 или 9 в крайних парах, расположенных рядом в соседних группах 5 емкостных элементов. В каждом емкостном элементе электрод 12 (это может быть электрод 8 или 9), расположенный между фотоупругой средой 1 и пьезоэлектрическим слоем 2 (фиг. 5), имеет форму клина с толщиной, изменяющейся в направлении ряда емкостных элементов. Один из крайних ленточных проводников 4 в своей средней части соединен посредством образующего индуктивность ленточного проводника 6 с электродом передающей линии, а другой крайний ленточный проводник 4 соединен с активной согласующей нагрузкой 7.The proposed Bragg acousto-optical element (Fig. 1) includes a photoelastic medium 1 on which a multi-element electro-acoustic transducer is located, containing a sequence of capacitive elements placed in a row with filling in the form of a piezoelectric layer 2 of the same thickness. The whole series of capacitive elements of the transducer is divided into equal lengths in the direction of the row of group 5. The electrodes of the capacitive elements 8 (Fig. 2) on one side of the piezoelectric layer 2 in each group 5 are connected by a ribbon conductor 4 with a common conductor 3, which is closed to one of electrodes of the transmission line. The electrodes of the capacitive elements 9 on the opposite side of the piezoelectric layer 2 are connected directly to a common conductor 3, which is closed to one of the electrodes of the transmission line. The electrodes 8 in each group or all electrodes 9 on one of the sides of the piezoelectric layer 2 can be made as a common electrode in the form of a half-plane. The electrodes of the capacitive elements 8 and 9 are separated by a piezoelectric layer 2 of the same thickness throughout the transducer and overlap each other, forming a series of piezoelectric emitters of elastic waves 10 (Fig. 5). The electrodes of the capacitive elements 8 and (or) 9 in group 5 (Fig. 2) or in each equal set of groups 11 (Fig. 3) are located with a repetition period that varies monotonically from

before

where λ _o is the wavelength of light in vacuum, n is the refractive index of the photoelastic medium, ν _sv is the speed of elastic waves in the photoelastic medium, ƒ _o is the center frequency of the range, Δƒ is the operating frequency band. The gap between adjacent tape conductors 4 is equal to the arithmetic average of the gaps between the electrodes 8 or 9 in the extreme pairs located adjacent to adjacent groups of 5 capacitive elements. In each capacitive element, the electrode 12 (this may be electrode 8 or 9) located between the photoelastic medium 1 and the piezoelectric layer 2 (Fig. 5) has a wedge shape with a thickness that varies in the direction of a series of capacitive elements. One of the extreme tape conductors 4 in its middle part is connected by means of an inductance-forming tape conductor 6 to the electrode of the transmission line, and the other extreme tape conductor 4 is connected to the active matching load 7.

Заявляемый акустооптический элемент Брэгга работает следующим образом. Электромагнитный СВЧ сигнал подают по передающей линии на обладающий индуктивностью ленточный проводник 6, который электрически соединен с первым ленточным проводником 4 пьезоэлектрического преобразователя. Этот ленточный проводник 6 образует элемент, который улучшает согласование входного сопротивления непосредственно самого преобразователя с волновым сопротивлением передающей линии. За счет лучшего согласования и уменьшения КСВН на входе преобразователя уменьшается доля отраженной от входа преобразователя энергии электромагнитного сигнала и, следовательно, увеличивается доля энергии преобразуемой в энергию упругих волн. Это является одним из факторов, способствующих увеличению эффективности дифракции акустооптического элемента Брэгга. Далее электромагнитный сигнал поступает на пьезоэлектрические элементы преобразователя первой в ряду группы 5 емкостных элементов. Электрическая эквивалентная схема преобразователя предлагаемого акустооптического элемента Брэгга представляет собой полосовой фильтр (фиг. 4). Каждый ленточный проводник 4 обладает индуктивностью L_п. Электроемкости пьезоэлектрических элементов количеством m штук в группе 5, соединенной ленточным проводником 4 с общим проводником 3, обозначены на рисунке (фиг. 4) как С₁, С₂, …С_m. Сопротивление резистора R обусловлено преобразованием группой 5 пьезоэлектрических элементов части электромагнитной энергии в энергию упругих волн и активным сопротивлением ленточного проводника 4. Электрические емкости С₀ обозначают емкости между соседними ленточными проводниками 4. Индуктивности L_в обусловлены взаимной индуктивностью соседних ленточных проводников 4. Согласующая нагрузка обозначена как R_н. Такая фильтровая система является волноведущей системой, вдоль которой распространяется поступивший на вход электромагнитный сигнал, и который по мере распространения по системе преобразуется на пьезоэлектрических элементах С₁, С₂, …С_m в каждой группе 5 емкостных элементов в акустический сигнал. Таким образом, уровень электромагнитного сигнала уменьшается по мере его распространения вдоль преобразователя из-за преобразования в акустический сигнал и из-за потерь энергии в обладающих активным сопротивлением ленточных проводниках 4. В реальных преобразователях СВЧ диапазона, в которых период расположения емкостных элементов составляет десятки микрометров и менее, а также из-за сильного проявления скин-эффекта, сопротивление проводников велико и ослабление электромагнитного сигнала в основном обусловлено потерями энергии в ленточных проводниках. Поэтому соединение группы 5 емкостных элементов преобразователя с общим проводником 3 посредством широкого ленточного проводника 4, обладающего, учитывая сильное проявление скин-эффекта в СВЧ диапазоне, значительно меньшим активным сопротивлением, чем у узких ленточных проводников соединяющих каждый емкостной элемент по отдельности, позволяет значительно снизить потери энергии и увеличить эффективность дифракции акустооптического элемента. Уменьшение затухания электромагнитного сигнала в преобразователе позволяет также увеличить его длину, а значит увеличить длину акустооптического взаимодействия и тем самым еще больше повысить эффективность дифракции акустооптического элемента. Но поскольку длинный преобразователь постоянного периода излучает акустический пучок, обладающий небольшой дифракционной расходимостью, которая недостаточна для наблюдения дифракции в широкой полосе частот, то с целью сохранения широкой полосы рабочих частот акустооптического элемента при высокой эффективности дифракции емкостные элементы в преобразователе расположены с монотонно изменяющимся периодом согласно формуле изобретения. Часть преобразователя, в которой емкостные элементы расположены с наименьшим периодом, обеспечивает выполнение условия Брэгга и работу акустооптического элемента в средней части диапазона рабочих частот. Часть преобразователя, в которой емкостные элементы имеют наибольший период следования, обеспечивает выполнение условия Брэгга и работу акустооптического элемента на низкочастотном и высокочастотном краях диапазона. Так как уровень электромагнитного сигнала по мере распространения в преобразователе как волноведущей системе уменьшается по экспоненциальному закону, то акустический сигнал, возбуждаемый участком преобразователя, расположенного в конце системы, оказывается слабым. Если в преобразователе с монотонно изменяющимся по всей его длине периодом расположения емкостных элементов электромагнитный сигнал от передающей линии поступает на участок преобразователя с большим периодом, то из-за сильного уменьшения уровня электромагнитного сигнала в преобразователе с большим числом пьезоэлектрических элементов эффективность дифракции акустооптического элемента в средней части диапазона оказывается крайне низкой или дифракция совсем отсутствует. Если электромагнитный сигнал от передающей линии поступает на участок преобразователя с малым периодом расположения емкостных элементов, то эффективность дифракции акустооптического элемента значительно снижается или спадает до нуля на низкочастотном и высокочастотном участках диапазона. В преобразователе заявляемого устройства емкостные элементы расположены с периодом, изменяющимся от минимального до максимального значения в соответствии с формулой изобретения в пределах одной группы 5 или в пределах равного набора групп 11. Поэтому и участки преобразователя с малым периодом расположения емкостных элементов и участки с большим периодом возбуждают упругие волны практически одинаковой интенсивности. А эффективность дифракции оказывается практически одинаковой по всему диапазону рабочих частот. Последний по ходу электромагнитного сигнала ленточный проводник 4 соединен посредством ленточного проводника, обладающего индуктивностью, с активной согласующей нагрузкой 7 с сопротивлением равным волновому сопротивлению передающей линии. В результате, если электромагнитный сигнал на выходе из волноведущей системы имеет уровень отличный от нуля, то он поглощается нагрузкой 7. А в волноведущей системе преобразователя отраженный и распространяющийся в направлении передающей линии электромагнитный сигнал отсутствует. Поэтому преобразователь не будет возбуждать дополнительные акустические волны, с которыми мог бы взаимодействовать падающий свет, и в результате которого возникли бы паразитные дифрагированные лучи. Отсутствие отраженного электромагнитного сигнала приводит также к уменьшению КСВН на входе преобразователя. При распространении по преобразователю в прямом направлении электромагнитного СВЧ сигнала, в пьезоэлектрическом слое 2 за счет обратного пьезоэффекта в емкостных элементах возникают механические колебания с частотой электромагнитного сигнала. Эти механические колебания распространяются в направлении фотоупругой среды 1 и проходят сквозь клиновидный электрод 12. Так как пьезоэлектрический слой 2 расположен на клиновидном электроде 12, то поверхность результирующего волнового фронта акустической волны 10, излучаемой совокупностью всех емкостных элементов с близким значением периода, составляет с плоской поверхностью фотоупругой среды 1, на которой расположен преобразователь, угол, величина которого зависит от перепада толщины клиновидного электрода 12 на период следования емкостных элементов р (фиг. 5). Выбирая в заявляемом акустооптическом элементе, максимальную толщину клиновидного электрода, равную половине длины акустической волны Λ/2, излучаемой на центральной частоте диапазона, а минимальную толщину при совпадении ширины электродов и зазоров между ними равную нулю, можно получить акустическую волну с практически плоским результирующим волновым фронтом 10. В итоге получается диаграмма направленности преобразователя, состоящая практически из одного акустического пучка. Изменение частоты электромагнитного сигнала сопровождается изменением длины возбуждаемой акустической волны Λ, а, следовательно, приводит к изменению угла наклона ее результирующего волнового фронта 10. При выборе периода расположения емкостных элементов в соответствии с формулой изобретения изменение наклона результирующего волнового фронта 10 обеспечивает выполнение условия Брэгга в широкой полосе частот. В результате концентрации акустической энергии преимущественно в одном узком лепестке диаграммы направленности электроакустического преобразователя эффективность дифракции падающего светового пучка на акустических волнах существенно увеличивается.The inventive acousto-optical element of Bragg works as follows. An electromagnetic microwave signal is supplied via a transmission line to an inductance band conductor 6, which is electrically connected to the first tape conductor 4 of the piezoelectric transducer. This tape conductor 6 forms an element that improves the matching of the input impedance of the converter itself with the impedance of the transmission line. Due to better matching and reduction of the VSWR at the input of the converter, the fraction of the energy of the electromagnetic signal reflected from the input of the converter decreases and, therefore, the proportion of energy converted into elastic wave energy increases. This is one of the factors contributing to an increase in the diffraction efficiency of the acousto-optical Bragg element. Next, the electromagnetic signal is applied to the piezoelectric elements of the transducer of the first group of 5 capacitive elements in a row. The electrical equivalent circuit of the Converter of the proposed acousto-optical element Bragg is a band-pass filter (Fig. 4). Each tape conductor 4 has an inductance L _p . The electric capacities of the piezoelectric elements of m pieces in group 5, connected by a ribbon conductor 4 to a common conductor 3, are indicated in the figure (Fig. 4) as C ₁ , C ₂ , ... C _m . The resistance of the resistor R is due to the conversion by the group of 5 piezoelectric elements of a part of the electromagnetic energy into elastic wave energy and the active resistance of the tape conductor 4. Electrical capacitances C ₀ denote the capacitances between adjacent tape conductors 4. The inductances L _{c are} due to the mutual inductance of the adjacent tape conductors 4. The matching load is indicated as R _n Such a filter system is a waveguide system along which the electromagnetic signal received at the input propagates, and which, as it propagates through the system, is converted on piezoelectric elements C ₁ , C ₂ , ... C _m in each group of 5 capacitive elements into an acoustic signal. Thus, the level of the electromagnetic signal decreases as it propagates along the transducer due to conversion to an acoustic signal and due to energy losses in the active conductors of the tape conductors 4. In real microwave converters, in which the period of location of capacitive elements is tens of micrometers and less, and also because of the strong manifestation of the skin effect, the resistance of the conductors is large and the attenuation of the electromagnetic signal is mainly due to energy losses in precision conductors. Therefore, the connection of group 5 of the capacitive elements of the transducer with a common conductor 3 by means of a wide ribbon conductor 4, which, taking into account the strong manifestation of the skin effect in the microwave range, has significantly lower resistance than narrow tape conductors connecting each capacitive element individually, it can significantly reduce losses energy and increase the diffraction efficiency of the acousto-optical element. Reducing the attenuation of the electromagnetic signal in the Converter also allows you to increase its length, and thus increase the length of the acousto-optical interaction and thereby further increase the diffraction efficiency of the acousto-optical element. But since a long transducer of a constant period emits an acoustic beam with a small diffraction divergence, which is insufficient to observe diffraction in a wide frequency band, in order to maintain a wide band of operating frequencies of an acousto-optical element with high diffraction efficiency, the capacitive elements in the transducer are arranged with a monotonously varying period according to the formula inventions. The part of the converter in which the capacitive elements are located with the shortest period ensures the fulfillment of the Bragg condition and the operation of the acousto-optical element in the middle part of the operating frequency range. The part of the transducer in which the capacitive elements have the largest repetition period ensures the fulfillment of the Bragg condition and the operation of the acousto-optical element at the low-frequency and high-frequency edges of the range. Since the level of the electromagnetic signal as it propagates in the transducer as a waveguide system decreases exponentially, the acoustic signal excited by the portion of the transducer located at the end of the system is weak. If in a transducer with a period of location of capacitive elements monotonically varying along its entire length, the electromagnetic signal from the transmission line enters the transducer section with a large period, then due to a strong decrease in the level of the electromagnetic signal in the transducer with a large number of piezoelectric elements, the diffraction efficiency of the acousto-optic element in the middle part range is extremely low or no diffraction at all. If the electromagnetic signal from the transmission line enters the converter section with a short period of the arrangement of capacitive elements, the diffraction efficiency of the acousto-optical element is significantly reduced or decreases to zero in the low-frequency and high-frequency parts of the range. In the Converter of the claimed device, the capacitive elements are located with a period varying from minimum to maximum values in accordance with the claims within the same group 5 or within an equal set of groups 11. Therefore, the sections of the converter with a short period of location of capacitive elements and sections with a large period excite elastic waves of almost the same intensity. And the diffraction efficiency is almost the same over the entire range of operating frequencies. Last along the electromagnetic signal, the tape conductor 4 is connected by means of a tape conductor having inductance, with an active matching load 7 with a resistance equal to the wave resistance of the transmission line. As a result, if the electromagnetic signal at the output of the waveguide system has a level other than zero, then it is absorbed by the load 7. And in the waveguide system of the converter, the electromagnetic signal reflected and propagating in the direction of the transmission line is absent. Therefore, the transducer will not generate additional acoustic waves with which incident light could interact, and as a result of which stray diffracted rays would arise. The absence of a reflected electromagnetic signal also leads to a decrease in VSWR at the input of the converter. When the electromagnetic microwave signal propagates through the converter in the forward direction, in the piezoelectric layer 2 due to the inverse piezoelectric effect, capacitive elements generate mechanical vibrations with the frequency of the electromagnetic signal. These mechanical vibrations propagate in the direction of the photoelastic medium 1 and pass through the wedge-shaped electrode 12. Since the piezoelectric layer 2 is located on the wedge-shaped electrode 12, the surface of the resulting wavefront of the acoustic wave 10 emitted by the set of all capacitive elements with a close period value is flat photoelastic medium 1, on which the transducer is located, an angle, the magnitude of which depends on the difference in the thickness of the wedge-shaped electrode 12 for the period following ostomy elements p (Fig. 5). Choosing in the claimed acousto-optical element, the maximum thickness of the wedge-shaped electrode equal to half the length of the acoustic wave Λ / 2 emitted at the center frequency of the range, and the minimum thickness when the width of the electrodes and the gaps between them is equal to zero, you can get an acoustic wave with an almost flat resulting wavefront 10. The result is a radiation pattern of the transducer, consisting of almost one acoustic beam. A change in the frequency of the electromagnetic signal is accompanied by a change in the length of the excited acoustic wave Λ, and, consequently, leads to a change in the angle of inclination of its resulting wavefront 10. When choosing the period of arrangement of capacitive elements in accordance with the claims, changing the inclination of the resulting wavefront 10 ensures that the Bragg condition is satisfied in a wide frequency band. As a result of the concentration of acoustic energy mainly in one narrow lobe of the directivity pattern of the electro-acoustic transducer, the diffraction efficiency of the incident light beam by acoustic waves increases significantly.

Для экспериментальной проверки работоспособности высокочастотного акустооптического элемента Брэгга предлагаемой конструкции был изготовлен образец устройства на основе кристалла ниобата лития (LiNbO₃). Оптические грани кристалла были выбраны так, что направление распространения излучения He-Ne лазера (λ₀=632,8 нм), поляризованного в плоскости перпендикулярной плоскости дифракции, составляло угол 40° с кристаллографической осью Y и 60° с осью Z. Расположенный на кристалле ниобата лития электроакустический преобразователь на основе пьезоактивной пленки оксида цинка (ZnO) генерировал продольные акустические волны, распространяющиеся вдоль оси кристалла X. Каждая группа емкостных элементов преобразователя содержала по 8 элементов и соединялась нанесенным на кристалл медным ленточным проводником шириной 0,5 мм и длиной 6 мм с общим проводником, замкнутым на внешний провод коаксиальной передающей линии. Период расположения емкостных элементов в каждом из 6 наборов, состоящем из двух групп, монотонно уменьшался от 67 мкм до 59 мкм. Общая длина преобразователя составляла 6 мм, на которой размещались 12 групп емкостных элементов. Клиновидный электрод каждого емкостного элемента был выполнен из меди. Его толщина изменялась от нуля до 1,0 мкм. Поверх клиновидных электродов был нанесен пьезоэлектрический слой оксида цинка толщиной 1,1 мкм. Верхние электроды каждого емкостного элемента толщиной 0,2 мкм выполнены из алюминия. Размер перекрытия электродов емкостных элементов в направлении перпендикулярном плоскости дифракции составлял 200 мкм. Исследование диаграммы направленности преобразователя экспериментального образца элемента Брэгга при угловой расстройке показало, что на центральной частоте 2,25 ГГц преобразователь излучает большую часть акустической энергии в рабочий лепесток, на котором и происходит эффективная дифракция падающего луча лазера. Элемент Брэгга с указанными параметрами работал в полосе частот 1,5 ГГц при максимальной эффективности дифракции 5%/Вт.To experimentally test the operability of the Bragg high-frequency acousto-optic element of the proposed design, a device model based on a lithium niobate crystal (LiNbO ₃ ) was manufactured. The optical faces of the crystal were chosen so that the propagation direction of the He-Ne laser radiation (λ ₀ = 632.8 nm), polarized in the plane perpendicular to the diffraction plane, made an angle of 40 ° with the crystallographic Y axis and 60 ° with the Z axis. Located on the crystal lithium niobate electroacoustic transducer based on a piezoelectric film of zinc oxide (ZnO) generated longitudinal acoustic waves propagating along the axis of the crystal X. Each group of capacitive elements of the transducer contained 8 elements and connected anesennym crystal copper tape on the conductor width 0.5 mm and 6 mm in length with a common conductor which is closed to the outer wire of the coaxial transmission line. The period of arrangement of capacitive elements in each of the 6 sets, consisting of two groups, monotonically decreased from 67 μm to 59 μm. The total length of the transducer was 6 mm, which housed 12 groups of capacitive elements. The wedge-shaped electrode of each capacitive element was made of copper. Its thickness varied from zero to 1.0 μm. A piezoelectric layer of zinc oxide 1.1 μm thick was deposited on top of the wedge-shaped electrodes. The upper electrodes of each capacitive element with a thickness of 0.2 μm are made of aluminum. The overlap size of the electrodes of the capacitive elements in the direction perpendicular to the diffraction plane was 200 μm. The study of the radiation pattern of the transducer of the experimental sample of the Bragg element during angular detuning showed that at the central frequency of 2.25 GHz, the transducer emits most of the acoustic energy into the working lobe, on which the effective diffraction of the incident laser beam occurs. The Bragg element with the indicated parameters worked in the frequency band of 1.5 GHz with a maximum diffraction efficiency of 5% / W.

Claims

1. The Bragg acousto-optic element, consisting of a photoelastic medium and a multielement piezoelectric transducer located on it, containing a sequence of capacitive elements electrically connected by means of long ribbon conductors with one of the electrodes of the transmission line and filled in the form of a piezoelectric layer of the same thickness, with electrodes located on the opposite side of the piezoelectric layer are also connected directly to the same electrode line, and the first ribbon conductor connecting the last in the row capacitive element and the electrode of the transmission line is connected in its middle part to another electrode of the transmission line, and the electrode of each capacitive element between the piezoelectric layer and the photoelastic medium is made in the form of a wedge with a variable in the direction of the row thickness of capacitive elements, characterized in that each ribbon conductor connects a group of several at least two adjacent capacitive elements to one of the electrodes transmitting lines, and the gap between adjacent tape conductors is equal to the arithmetic average of the gaps between the capacitive elements in the extreme pairs located next to adjacent groups of capacitive elements.

2. The Bragg acousto-optic element according to claim 1, characterized in that the period of location of the capacitive elements in each group connected by a long ribbon conductor to one of the electrodes of the transmission line, or monotonously varies from

before

3. The Bragg acousto-optic element according to claim 1, characterized in that the first ribbon conductor connecting the group of capacitive elements in the row and the electrode of the transmission line is connected to another electrode of the transmission line by means of an inductance forming a ribbon conductor.

4. The Bragg acousto-optic element according to claim 1, characterized in that the ribbon conductor connecting the group of capacitive elements to one of the electrodes of the transmission line is located on the opposite side of the ribbon conductor connected to the other electrode of the transmission line, the edge of the transducer connected to the active matching load, the resistance of which is equal to the wave resistance of the transmission line.