авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Министерство образования и науки Российской Федерации

УДК 535.31 681.7 53.082.5

ГРНТИ 29.31.29;

29.37.25;

29.33.43;

29.31.27;

29.31.21

Инв. № 01201060357

ПРИНЯТО: УТВЕРЖДЕНО:

Исполнитель: Государственный заказчик

Государственное образовательное учреждение Министерство образования и науки

высшего профессионального образования Российской Федерации "Московский физико-технический институт"(Государственный университет) От имени Руководителя организации От имени Государственного заказчика _ / Н.Н. Кудрявцев / /_/ М.П. М.П.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ о выполнении 1 этапа Государственного контракта № П1267 от 9 июня 2010 г.

Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт"(Государственный университет) Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и научно педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.1 Проведение научных исследований молодыми учеными кандидатами наук.

Проект: Проведение поисковых научно-исследовательских работ по созданию двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6x градусов углом сканирования Руководитель проекта:

/ Батурин Андрей Сергеевич (подпись) Москва 2010 г.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ по Государственному контракту П1267 от 9 июня 2010 на выполнение поисковых научно исследовательских работ для государственных нужд Организация-Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт"(Государственный университет) Руководитель темы:

кандидат физико Батурин А. C.

математических наук, без подпись, дата ученого звания Исполнители темы:

без ученой степени, без Усачев А. C.

ученого звания, аспирант подпись, дата без ученой степени, без Махнырь К. А.

ученого звания, студент подпись, дата кандидат физико Талалаев М. А.

математических наук, без подпись, дата ученого звания без ученой степени, без Гук А. С.

ученого звания, студент подпись, дата Болбот Е.А.

нормоконтроллер подпись, дата Реферат Отчет 44 с., 1 ч., 10 рис., 4 табл., 46 источн., 1 прил.

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР, ИЗОТРОПНЫЕ ПРОВОДЯЩИЕ КРИСТАЛЛЫ, ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА ЗВУКЕ, ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, УГЛОВОЕ РАЗРЕШЕНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКОГО СКАНЕРА, БРЕГГОВСКИЙ РЕЖИМ ДИФРАКЦИИ В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 1 этапу Государственного контракта № П1267 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по созданию двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 60x 60 градусов углом сканирования» (шифр «НК-651П») от 9 июня 2010 по направлению «Радиофизика, акустика и электроника», выполняемому в рамках мероприятия 1.3.1 «Проведение научных исследований молодыми учеными - кандидатами наук» мероприятия 1.3 «Проведение научных исследований молодыми учеными - кандидатами наук и целевыми аспирантами в научно-образовательных центрах» направления 1 «Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Объектом исследования являются акустооптические дефлекторы, выполняемые на кристалле парателлурита в качестве светопровода с акустическим пьезоизлучателем из ниобата лития.

Цель работы - проведение поисковых научно-исследовательских работ по созданию двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6 х 6 градусов углом сканирования.

На данном этапе был проведен обзор научно-технической литературы, а также обзор рынка акустооптических дефлекторов. Обосновано направление исследований и уточнен план теоретических и экспериментальных работ. Проведен расчет геометрии акустооптической ячейки.

Основные технико-эксплуатационные параметры акустооптических дефлекторов: угол сканирования 6 градусов при эффективности дифракции не ниже 90%, что достигается варьированием геометрии акустооптических ячеек и формой пьезопреобразователя.

Акустооптические дефлекторы с увеличенным до 6 градусов углом сканирования имеют в раза больший угол, по сравнению со стандартными предложениями на рынке. Это позволит в соответствующее число раз увеличить область сканирования в задачах лазерной локации и создания телевизионных изображений.

Перечень сокращений и терминов АОД – акустооптический дефлектор – устройство, основанное на явлении акустооптической дифракции или рефракции, осуществляющее отклонение светового луча в пространстве в любом заданном направлении, либо непрерывную развёртку светового луча (сканирование).

АОЯ – акустооптическая ячейка – составляющая часть АОД.

ЛСС – лазерная сканирующая система.

АСС – акустооптическая сканирующая система, ЛСС на основе АОД.

Акустооптический эффект – явление дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении в ней акустической волны.

Акустооптическая дифракция – дифракция когерентного излучения на звуковой волне.

Брэгговский режим дифракции (режим Брэгга) – режим акустооптической дифракции, который наблюдается на высоких частотах ультразвука при котором дифракционная картина, даже при большой акустической мощности состоит, как правило, только из двух дифракционных максимумов нулевого и первого порядков.

Электроакустические преобразователи (ЭП) – это устройства, преобразующие электрическую энергию в акустическую (энергию упругих колебаний среды) и обратно.

Пьезопреобразователь – электроакустический преобразователь, работающий на основе обратного пьезоэлектрического эффекта.

Содержание Реферат......................................................................................................................................................... 3  Перечень сокращений и терминов............................................................................................................ 4  Содержание.................................................................................................................................................. 5  Введение...................................................................................................................................................... 6  1  Аналитический обзор......................................................................................................................... 8  2  Выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований............................... 19  3  План проведения теоретических и экспериментальных исследований...................................... 21  4  Теоретические исследования 1 этапа.............................................................................................. 23  4.1  Разработка концепции и оптической схемы однокоординатной акустооптической сканирующей системы......................................................................................................................... 23  4.2  Расчет однокоординатной акустооптической сканирующей системы................................. 25  Заключение................................................................................................................................................ 38  Список использованных источников...................................................................................................... 39  ПРИЛОЖЕНИЕ А..................................................................................................................................... 43  Введение Для изменения направления распространения когерентного пучка света применяются различные системы сканирования: механические системы сканирования, содержащие быстродвижущееся зеркало, и немеханические, исключающие движущиеся детали и основанные на различных физических эффектах. Механические системы сканирования, состоящие из гармонически колеблющегося зеркала, исторически появились раньше. Их быстродействие ограничено 50кГц – 50 000 независимых разрешимых положений в секунду. Немеханические системы сканирования представлены электрооптическими и акустооптическими дефлекторами.

Быстродействие акустооптических дефлекторов в настоящее время ограничено 150 кГц или 150 000 независимыми разрешимыми положениями в секунду. Электрооптические дефлекторы имеют на сегодняшний день наилучшее быстродействие. Помимо быстродействия, важным параметром системы сканирования являются полное число разрешимых положений, определяемое как отношение диапазона углов отклонения пучка к угловой расходимости пучка.

В настоящее время акустооптический эффект (дифракция света на ультразвуковых волнах) является наиболее перспективным методом безынерционного немеханического сканирования лазерным излучением. Преимущества акустооптических дефлекторов заключаются в высоком быстродействии, высокой точности и стабильности управления. Кроме того, акустооптические дефлекторы позволяют управлять угловыми параметрами лазерного излучения по произвольному алгоритму (в том числе и в режиме свободных выборок), при этом переключение излучения из одной точки пространства в другую происходит без прохождения промежуточных положений и время переключения не зависит от расстояния между этими точками.

Недостатком акустооптических систем является сравнительно малый диапазон углов отклонения. У серийно производимых на сегодняшний день акустооптических двукоординатных систем сканирования он составляет не более 2х2 градуса. Это сильно ограничивает возможности применения акустооптических систем и уже с середины 90-х годов, является самым значимым критерием, по которому, при выборе устройства для лазерной локации, акустооптическим системам, в большинстве случаев, предпочитают зеркальные, несмотря на низкое быстродействие, инерционность и низкую точность позиционирования последних.

В настоящей работе поставлена задача проведения поисковых научно-исследовательских работ по созданию двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6 х 6 градусов углом сканирования.

Увеличение угла сканирования в 3 раза (относительно максимально достижимого ранее), должно сопровождаться сохранением коэффициента оптической передачи на прежнем уровне и увеличением числа независимых разрешимых положений в соответствующее число раз.

В процессе выполнения данной поисковой научно-исследовательской работы выполняются требования:

• обеспечение безопасности для жизни и здоровья людей и охраны окружающей среды, совместимости и взаимозаменяемости;

• стандартизация, унификация и метрологическое обеспечение;

• ограничение номенклатуры применяемых материалов и комплектующих изделий;

• экономическое и рациональное использование топливно-энергетических и материальных ресурсов при создании и эксплуатации создаваемой продукции;

• обеспечение конкурентоспособности продукции, намечаемой к созданию.

На первом этапе работы запланированы следующие исследования: аналитический обзор;

выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований;

план проведения экспериментальных и теоретических исследований;

расчет однокоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6 градусов углом сканирования;

разработка концепции и оптической схемы однокоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6 градусов углом сканирования.

1 Аналитический обзор 1.1 Применение лазерных сканирующих систем Дальнейший прогресс в лазерной технике и расширение областей ее применения связаны как с совершенствованием самих лазеров, так и развитием методов эффективного управления параметрами лазерного излучения. Одной из важных технических задач, имеющих многочисленные практические применения, является отклонение лазерного луча на заданный угол - сканирование. Рассмотрим основные области применения дефлекторов, реализующих сканирование лазерным лучом.

Наземное лазерное сканирование получение трехмерной модели объекта;

• получение чертежей;

• выявление дефектов и различных конструкций посредством сравнения с проектной • моделью;

определение и оценка значений деформации посредством сравнения с ранее • произведенными измерениями;

получение топографических планов методом виртуальной съемки.

• Основные преимущества применения лазерных технологий сканирования:

многократное использование данных;

• оптимизация временных и финансовых затрат;

• минимизация «человеческого фактора» без остановки производственных работ;

• возможность обмера объектов, прикосновение к которым нежелательно или невозможно в • принципе.

Медицина Косметическая хирургия;

• Коррекция зрения;

• Хирургия (гинекология, урология, лапароскопия);

• Стоматология • Диагностика заболеваний • Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга • Промышленность Поверхностная лазерная обработка • Лазерная термообработка • Лазерная закалка o Лазерный отжиг o Лазерный отпуск o Лазерное оплавление • Оплавление для улучшения качества поверхности o Аморфизация o Получение поверхностных покрытий • Лазерное легирование o Лазерная наплавка o Вакуумно-лазерное напыление o Ударное воздействие • Ударное упрочнение o Инициирование физико-химических процессов o Инициирование поверхностных химических реакций • Лазерная сварка соединения.

• Лазерное разделение материалов • Лазерная резка • Газолазерная резка • Термораскалывание • Скрайбирование • Лазерная размерная обработка • Лазерная маркировка и гравировка • Лазерная обработка отверстий • Нефтегазовая и горная промышленность Крупномасштабное топографическое картографирование площадных и линейных • объектов в составе изысканий, проектирования, строительства, инвентаризации объектов обустройства месторождений Создание цифровых моделей нефте- и газопроводов • Диагностика продуктопроводов • Оценка объемов горной выработки, снежной массы • Экологический мониторинг и моделирование • Электроэнергетика Обследование ЛЭП и других объектов сетевого хозяйства (в том числе электрических • подстанций) Создание трехмерных векторных моделей ЛЭП и других географических объектов в • полосе отчуждения Оценка состояния растительности, определение мест возможных замыканий • Создание фотокарт полосы отчуждения • Дорожное хозяйство Проектирование, строительство и реконструкция трасс автомобильных и железных • дорог Определение объемов земляных работ • Экономическая оценка проектов • Лесное хозяйство Таксация леса • Определение объема биомассы, количества деревьев, распределение деревьев по • высотам Кадастр • Береговые линии мониторинг и моделирование наводнений • Мониторинг эрозионных процессов • Проектирование и строительство береговых сооружений, пирсов, дамб • 1.2 Классификация отклоняющих систем Наиболее распространенным методом отклонения лазерного излучения является использование электромеханических устройств. В типичном электромеханическом дефлекторе сканирование осуществляется путем поворота зеркала, укрепленного на оси электромотора, или наклоном зеркала с помощью пьезоэлектрического привода. Для пространственного управления излучением используются два дефлектора с ортогональным расположением зеркал.

К достоинствам электромеханических устройств следует отнести большое число разрешимых положений и большой угол отклонения света, а также относительно малую потребляемую мощность. Недостатки электромеханических устройств связаны с инертностью зеркала, что приводит к низкому быстродействию и относительно невысокой динамической угловой точности. У наилучших образцов реальная величина быстродействия сканирования в режиме свободных выборок составляет величину не более 50 кГц при диаметре зеркала до мм и падает с увеличением размера зеркала.

Ряд задач в области лазерной техники требуют существенного увеличения быстродействия и точности управления лазерным лучом. Кроме того, для многочисленных задач, решаемых с помощью лазерных систем, существует необходимость работы в режиме «свободных выборок», который позволяет реализовать произвольный алгоритм сканирования.

Указанные проблемы могут быть решены только путем применения немеханических безынерционных устройств управления направлением распространения лазерного излучения.

В наибольшей степени разработаны методы немеханического управления пространственнно-временными параметрами лазерного излучения, основанные на электрооптическом и акустооптическом эффектах.

Электрооптические устройства характеризуются быстрым откликом, порядка 10 нс. При подаче электрического напряжения на некоторые кристаллы (например, ниобат лития, дигидрофосфат калия) происходит изменение показателя преломления и, следовательно, изменение направления луча, проходящего через призму. Существуют также устройства, в которых благодаря специальной форме кристалла под действием электрического поля создается линейное градиентное изменение показателя преломления. Однако угловой диапазон сканирования электрооптических дефлекторов ограничивается десятком угловых минут. Кроме того, потребляемая мощность электрооптических устройств очень высока.

Другим более перспективным направлением являются методы немеханического безинерционного сканирования, основанные на акустооптическом эффекте. На основе дифракционных акустооптических дефлекторов достигается диапазон углов сканирования в несколько градусов. Быстродействие акустооптических дефлекторов в зависимости от световой апертуры и типа конструкции составляет от единиц до десятка микросекунд, что медленнее, чем у электрооптики, но быстрее, чем у механических систем.

По сравнению с электромеханическими системами сканирования преимущества безынерционных акустооптических дефлекторов заключается в более высоком быстродействии, высокой точности и стабильности управления лазерным лучом. Кроме того, они обладают более широкими функциональными возможностями, так как управление параметрами лазерного излучения может производиться по любому алгоритму, в том числе и в режиме свободных выборок. Например, переключение излучения из одной точки пространства в другую происходит без прохождения промежуточных положений и время переключения не зависит от расстояния между этими точками.

1.3 Рынок акустооптических систем 1.3.1 Классы применения Ключевыми параметрами акустооптических устройств являются • число разрешимых положений • быстродействие • эффективность дифракции В соответствии с описанными выше областями применения и обозначенными здесь параметрами можно выделить следующие классы применения подобных устройств, смотри таблицу 1.

Таблица 1 – Классы применения акустооптических дефлекторов Медицинские и Быстродействующие сканеры научные приложения Мониторинг, 3D моделирование Сканеры с высоким разрешением и картографирование Сканеры с высокой эффективностью дифракции Лазерная обработка материалов Сканеры с как можно большим углом сканирования при Задачи лазерной локации и высокой эффективности дифракции, высоком числе проекционные телевизионные разрешимых положений и высоком быстродействии лазерные системы 1.3.2 Выбор оптимального материала Основным материалом, из которого изготавливается большинство акустооптических элементов является парателлурит [1]. Он обладает редким сочетанием свойств, сделавших этот материал одним из самых перспективных в акустооптике – в настоящее время только на данном кристалле можно получить угол дифракции 6 градусов по одной координате при хорошей эффективности дифракции [2]. Так, сдвиговая волна, распространяющаяся вдоль оси [110], имеет очень небольшую скорость – всего 610 м/с, что позволяет при тех же апертурах светового луча получать большее по сравнению с другими материалами разрешение.

1.3.3 Анализ технических характеристик АОД Акустооптические дефлекторы и сканирующие системы, основанные на их основе, уже давно производятся в промышленных масштабах. К 2010 году в мире насчитывается порядка крупных и малых предприятий производящих акустооптические системы. Несмотря на то, что некоторые производители акустооптических дефлекторов ориентированы в большей степени под узкоспециализированные задачи, большинство предлагают широкий спектр акустооптических устройств для различных областей применения.

В результате поиска и сопоставления характеристик АОД компаний-производителей была составлена таблица 2, из которой видно, что после превышения угла сканирования в градуса даже при незначительном увеличении угла сканирования сильно уменьшается эффективность дифракции. Максимальная эффективность дифракции в двухкоординатном дефлекторе в 80% достигается в акустооптическом устройстве компании Panasonic EFLD250S с углом сканирования 2,7 на 2,7 градусов. А в АОД TED10-100-50-.532 компании Brimrose при большем угле сканирования 3*3 градуса эффективность дифракции составляет меньше 70%.

Так же видно, что при угле сканирования в диапазоне 1,5 – 3 градуса показатель эффективности дифракции в основном колеблется от 35 до 70 %.

Для некоторых задач значение эффективности не играет большой роли, тогда расширения угла в однокоординатной системе можно добиться снижением порога эффективности дифракции. В двукоординатной системе при диапазонах углов сканирования больших 3 градусов волновой вектор света начинает заметно выходить из плоскости дифракции во второй ячейке, что приводит к резкому снижению эффективности дифракции по краям.

В нашей работе планируется достигнуть угла сканирования 6 на 6 градусов, при фиксированном значении эффективности дифракции по одной координате на уровне не ниже %, так чтобы эффективность двукоординатной системы в целом оказалась не ниже 80%.

Причем частотный диапазон ультразвука должен так же оставаться на фиксированном уровне для обеспечения большого числа разрешимых положений. Проведенный нами обзор научно технических публикаций с глубиной 10 лет и коммерческих предложений производителей акустооптических устройств показал, что подобного сочетания параметров в АОД пока реализовать никому не удалось.

Таблица 2 – Технические характеристики существующих АОД Длина эфф. Аперту Част. Центр. Кол-во Угол Время Мощн. Модель волны дифр. ра, мм2 диап., част., точек скан., пробега звука,, нм по двум МГц МГц град. волны Вт корд., t, мкс % 532 70 3*7 50 100 500*500 3*3 10 - TED10-100-50-. BRIMROSE [3] 532 60 10*10 45 100 675*675 2.3*2.3 15 - 2DS-100-45- 4.5*4,5 250*250 2.3*2.3 6,5 DTSXY- EOPC 532 50 50 82 [4] 7.5*7.5 400*400 2.8*2.8 10,3 DTSXY- GOOCH&HOUSEGO 530 49 5*5 50 100 375*375 2.2*2.2 7,5 2 45100-5-6.5DEG-. [5] INTRAACTION DTD-274HA6 2 1024 70 4*4 16 27 - 2.6*2.6 1,6 [6] AXIS DEFLECTOR ISOMET [7] 532 35 9.3*9.3 50 100 750*750 2.5*2.5 15 8 LS110a-532-XY MOSLASER 532 54 9*9 32 80 1.5*1.5 20 5 AC- LAB [8] MT-BERLIN [9] 633 - 10*10 50 85 500*500 2*2 10 - D-011-01/ NOAHCORP 532 70 19*19 30 100 - - - [10] * R-T-A [11] 532 48 8*8 130 115 300*300 2,3*2,3 6 - RTA-PC-AOD- SIGMA-OPTIC [12] 514 36 10*10 35 85 525*525 - 15 - 45100-5-6.5DEG-.51 SINTECOPT. [13] 530 50 5*5 50 100 375*375 2,3*2,3 7,5 XY PANASONIC [14] 633 80 3,5*3,5 50 75 - 2,7*2,7 5,3 0,6 EFLD250S QBICLASER[15] 532 70 4,2*4,2 50 250 - 2,7*2,7 - 1 AADTSX- 1.4 Тенденции исследований и разработок в области акустооптических дефлекторов 1.4.1 Анализ научно-технических публикаций В настоящем разделе отчета представлен аналитический обзор публикаций в научно технической литературе по вопросам систем отклонения лазерного света в пространстве, основанных на акустооптическом эффекте. Большая часть публикаций последних лет посвящена экспериментам с формой волнового фронта акустического поля в светопроводе. В частности, изучению пространственной структуры звукового поля [16], где было показано, что причиной эффекта является дифракционное искривление волновых фронтов звукового пучка в плоскости акустооптической дифракции и решена задача оптимизации размеров пьезопреобразователя и пространственного положения входного светового луча по критерию минимально необходимой мощности акустического поля. В [17] было указано на наличие неоднородного распределения плотности звука, вызванного упругой анизотропией и расходимостью звукового поля в плоскости, перпендикулярной к плоскости дифракции. Для дефлектора с поверхностным многоэлементным преобразователем [18], выполненным с изменяющейся длиной акустооптического взаимодействия, теоретически и экспериментально проанализировано поведение его амплитудно-частотных характеристик, получающихся при различных углах падения света на возбуждаемый преобразователем ультразвуковой столб.

Исследованы закономерности дифракции света на акустических волнах, генерируемых в акустооптических ячейках пьезоэлектрическими преобразователями сложной конфигурации [19] и было показано, что улучшение характеристик акустооптических систем за счет использования преобразователей сложной формы сопровождается уширением полосы пропускания и незначительным снижением интенсивности дифрагированного света. Описан и исследован эффект брэгговской дифракции без перемодуляции [20, 21], заключающийся в том, что по мере увеличения интенсивности акустической волны эффективность брэгговского порядка, достигнув максимального значения порядка 100%, далее практически не меняется.

Показано условие применимости данного эффекта. Исследован режим многочастотного акустического поля для наносекундного импульсного лазерного излучения [22] и показано, что при малой длительности импульса дифракционное поле практически стационарно и определяется положением манипуляций акустического сигнала на апертуре света. Изучено формирование высокоэффективного многолучевого поля на сумме частотно эквидистантных монохроматических акустических волн с детерминированными фазами и амплитудами [23] и разработан модулятор, расщепляющий исходное лазерное излучение на пять равноинтенсивных лучей с суммарной эффективностью близкой к 100%. Обобщается комплекс исследований и разработок, направленных на решение задач высокоэффективного акустооптического управления неполяризованным лазерным излучением [24]. Рассматриваются вариант создания телевизионной развертки на основе импульсного лазера [25].

1.4.2 Анализ патентов Глубина поиска по источникам патентной информации составила примерно 35 лет, поскольку данная область является очень узким разделом физики, а так же исходя из потребности в информации для решения поставленных задач, а именно: определение технического уровня с учетом тенденции развития данного вида техники.

Внимание уделяется патентной документации ведущих зарубежных стран и международных организаций, начиная с 1976г. по 2010 г. включительно, по следующим источникам патентной информации (в основном по автоматизированным информационным патентным базам):

• Базы данных Федерального института промышленной собственности (ФИПС):

реферативная и полнотекстовая 1994-2004 г.

• Поисковые системы европейского патентного ведомство, международной организации интеллектуальной собственности, патентных ведомств США, Японии и Австралии (patentlens.com, wipo.com, ep.espacenet.com, fips.ru) Поиск патентных материалов проводился в информационном массиве ведущих зарубежных стран, прежде всего США, Японии, стран Европейского Союза и России, так как именно в патентных ведомствах этих странах публикуется большая часть работ по созданию устройств, основанных на акустооптическом эффекте.

Поиск проводился по ключевым словам: акустооптика, акустооптический дефлектор, акусто оптический дефлектор, акусто-оптический дефлектор, акустооптическая ячейка, акусто оптическая ячейка, акусто-оптическая ячейка, акустооптическая дифракция, лазерные системы сканирования, на русском и английском языках. Так же поиск велся по авторам, имеющим большое количество патентов или статей по данной теме.

Проведенные патентные исследования показывают, что за более чем 30 лет, с момента открытия анизотропной дифракции, прорывных и коренных изменений, координальным образом меняющих устройство и параметры акустооптических устройств не происходило. Даже принципиальные изменения в схемах функционирования АСС дают небольшой выигрыш в таких параметрах как угол сканирования, эффективность дифракции, число разрешимых положений и их комбинаций. Тем не менее можно отметить, что есть работы, направленные на улучшение какого-то одного параметра АОД, что позволяет разделить выделенные патенты на некоторые смысловые группы.

К первой относятся сканирующие системы, использующие электромеханические элементы или совмещают электромеханические СС с акустооптическими. Для некоторых областей применения, таких как машинная обработка поля микрообъектов, требуется применение сканирующих систем, позволяющих точно позиционировать луч лазера на образце или обрабатывать поле микрообъектов биологического, органического или много происхождения. Так а ряде устройств применяются средства сканирования с использованием зеркал и электромеханики. В патенте US6057525 [26] используется лазер видимого диапазона излучения и наклонные зеркала по осям X – Y, служащие для позиционирования и сканирования указанного лазерного луча на обрабатываемую деталь, причем каждое зеркало включает электроприводы по осям X и Y, управляемые по напряжению. Устройство обеспечивает наведение с погрешностью 1 микрорадиан на частотах от 1Гц до 1000Гц.

Существенным недостатком всех электромеханических устройств является их низкое быстродействие и не достаточная для современных технологических процессов точность позиционирования.

В патенте US5361269 [27] описывается устройство, в котором для сканирования по одной из осей применяется акустооптический дефлектор. В этом патенте описаны устройство и способ для немеханического сканирования пучка света, излучаемого лазерным диодом, которые реализуются за счет изменения длины волны или частоты пучка с помощью изменения тока, приложенного к диоду, и наведения пучка на дифракционную решетку, с тем, чтобы менять положение пучка, когда он выходит из дифракционной решетки.

В патенте RU2193793 [28] описано устройство для обработки объекта лазерным когерентным излучением ультрафиолетового диапазона длин волн с повышенным углом сканирования и пониженной мощностью высокочастотного сигнала управления, выполненное в виде двухкоординатного акустооптического сканера. Как и другие подобные устройства, выполненные для ультрафиолетового диапазона, данное устройство не обладает достаточной эффективностью дифракции, за счет чего и удается расширить угол сканирования.

Еще одна группа патентов, направленных на создание широкой полосы частот ультразвука (US4624534 [29],US 5907428 [30], US4843335 [31]). В последнем лазерное излучение сразу делится на несколько пучков и подается на отдельные дефлекторы, которые управляются разными частотами, затем результирующие пучки сводятся цилиндрической линзой. Сами авторы констатируют небольшое число разрешимых положений этой системы.

В устройствах, описанных в патентах US4889415 [32] и US4000493 [33], меняются геометрические и пространственные параметры дефлектора. В первом, грани дефлектора, на которые падает излучение, расположены нормально к пучку и нормально к плоскости расположения пьезопреобразователя, тогда как перед и после прохождения дефлектора ставятся определенным образом изготовленные линзы.

Патент US4112461 [34] к группе патентов, где эффективность дифракции достигается при маленьком угле сканирования. Это устройство рассчитано на длины волн красного, зеленого и синего света.

Но при этом максимальный угол сканирования, которые достигается для красного света, составляет всего 1,1 мрад.

В патентах US5043965 [35] и US5890789 [36] наблюдается примерно приемлемое соотношение параметров АОД, но оптические схемы очень громоздкие, что затрудняет юстировку и настройку таких систем.

Одним из интересных патентов, описывающих технические устройства для решения задачи близкой направлению нашего исследования является патент US4118113 [37], в котором исследуется использование второго порядка дифракции, что позволит увеличить угол сканирования в два раза при частотном диапазоне 24 МГц и времени пробега около микросекунд. При этом в патенте отсутствует подробное рассмотрение вопроса эффективности дифракции при таком режиме, но констатируется низкое значение этого показателя.

В итоге патентного поиска было выявлено отсутствие устройства или метода, способного расширить угол сканирования АОД и при этом сохранить эффективность дифракции на уровне 90%, и увеличить число разрешимых положений.

Кроме того, анализ патентов показал отсутствие патентованных работ в направлении управления звуковым полем внутри кристалла, что по нашему мнению является очень перспективным и может стать одним из направлений дальнейших исследований.

2 Выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований Целью настоящей работы является проведение поисковых научно-исследовательских работ по созданию двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6 x 6 градусов углом сканирования. Область применения таких устройств охватывает широкий спектр задач. В частности, использование высокоточных и высокоскоростных акустооптических дефлекторов существенно повысит тактико-технические характеристики комплексов лазерной локации, лазерных проекционных систем, а также повысит прецизионность и производительность технологических лазерных установок гравировки и раскройки материалов. В данной работе спектральный диапазон рабочих длин волн разрабатываемых дефлекторов охватывает видимую и ближнюю ИК области, характерные для указанных выше применений.

К дефлекторам, предназначенным для использования в указанных областях применения, предъявляются требованиях минимизации световых потерь при сканировании. Поскольку акустооптические дефлекторы относятся к классу дифракционных устройств, и основные потери связаны с наличием нерабочих дифракционных порядков, то дефлектор должен работать в строго брэгговском режиме, обладать высокой и равномерной дифракционной эффективностью и увеличение диапазона углов сканирования не должно сопровождаться ее снижением.

Расширение диапазона углов сканирования при высокой эффективности дифракции всегда являлось предметом исследований в области акустооптического взаимодействия. В настоящее время наиболее перспективными в этом плане являются дефлекторы, принцип действия которых основан на анизотропной дифракции лазерного излучения на «медленной»

сдвиговой звуковой волне в монокристалле парателлурита.

Как правило, двукоординатный дефлектор состоит из двух последовательно расположенных однокоординатных ячеек. Для пространственного сканирования ячейки устанавливаются ортогонально друг к другу. Каждая осуществляет сканирование по соответствующей координате.

Сочетание увеличенного диапазона сканирования по углу (с соответствующим увеличением числа разрешимых положений) и малых световых потерь является весьма актуальной задачей и требует новых оригинальных подходов для ее решения. Увеличить число разрешимых положений возможно с помощью увеличения апертуры света, или управляя волновым фронтом акустического поля [19, 20, 21]. Также известно, что в области дифракции Брэгга увеличение разрешающей способности дефлектора за счет расширения диапазона рабочих акустических частот возможно лишь при управлении угловым положением акустического поля при изменении его частоты [38, 39]. Таким образом, для решения поставленной в проекте задачи: увеличение диапазона сканирования до 6х6 градусов с соответствующим увеличением числа разрешимых положений при эффективности дифракции не менее 80% следует выполнить исследования в направлениях:

• управление фронтом акустической волны для расширения частотного спектра АОД • оптимизация геометрии АОД для увеличения угла сканирования.

3 План проведения теоретических и экспериментальных исследований Этап 1 (до 10 сентября 2010 года).

1. Расчет однокоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до градусов углом сканирования (выполнено на 1 этапе).

2. Разработка концепции и оптической схемы однокоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6 градусов углом сканирования (выполнено на этапе).

Этап 2 (до 3 декабря 2010 года).

3. Создание однокоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до градусов углом сканирования.

4. Испытания однокоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до градусов углом сканирования.

Этап 3 (до 9 сентября 2011 года) 5. Расчет и разработка двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6х6 градусов углом сканирования.

6. Создание двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6х градусов углом сканирования.

7. Проведение испытаний двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6х6 градусов углом сканирования.

Этап 4 (до 2 декабря 2011 года) 8. Определение оптимальных параметров работы двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6х6 градусов углом сканирования.

9. Разработка методических материалов для организации лабораторной работы по исследованию двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6х6 градусов углом сканирования.

Этап 5 (до 10 сентября 2012 года) 10. Разработка лабораторной установки по исследованию свойств двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6х6 градусов углом сканирования.

11. Монтаж и настройка лабораторной установки по исследованию свойств двухкоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6х6 градусов углом сканирования.

Этап 6 (до 3 декабря 2012 года) 12. Подготовка методических материалов и итоговой отчетной научно-технической документации.

Каждый этап заканчивается подготовкой научно-технического отчета. На 3, 5 и 6 этапах работ планируется подготовка научной публикации. На 4 этапе после выполнения патентного поиска планируется подготовка и подача заявки патента на изобретение (устройство):

«Акустооптическая система с увеличенным углом сканирования». На 6 этапе предусмотрена выработка рекомендаций по возможности использования результатов поисковой научно исследовательской работы в реальном секторе экономики.

4 Теоретические исследования 1 этапа 4.1 Разработка концепции и оптической схемы однокоординатной акустооптической сканирующей системы В однокоординатный акустооптический дефлектор заводится излучение лазера на длине волны 514 нанометров под нужными углами к оптической оси кристалла парателлурита. На пьезопреобразователь акустооптического дефлектора подается управляющая частота, создаваемая с помощью генератора частот с частотой дискретизации 1 ГГц, порождающая звуковой столб в кристалле парателлурита. На входе и выходе из акустооптического дефлектора стоит коллимирующая оптика, обеспечивающая необходимую апертуру луча при входе в ячейку. Коллимирующая оптика состоит из объектива, установленного между лазером и акустооптическим дефлектором для придания пучку параллельной формы после выхода из лазера, выходного телескопа для обеспечения удобного для наблюдения масштаба картины на экране. Дифрагированный порядок во всем диапазоне рабочих частот в виде горизонтальной строки наблюдается на экране из миллиметровой бумаги для удобства проведения измерений.

Нулевой порядок при выходе из акустооптического дефлектора задерживается на поглотителе.

Рисунок 1 – Концептуальная схема однокоординатной акустооптической сканирующей системы.

Рисунок 2 – Оптическая схема акустооптического дефлектора с обозначениями параметров используемых при расчете.

4.2 Расчет однокоординатной акустооптической сканирующей системы 4.2.1 Входные и выходные параметры расчета В соответствии с ранее приведенным обоснованием направления исследований для реализации акустооптических дефлекторов был выбран вариант анизотропной дифракции лазерного излучения на «медленной» сдвиговой звуковой волне в монокристалле парателлурита. Поэтому ряд эксплуатационных параметров (допустимый спектр излучения, температурные параметры дефлектора и т.п.), обусловленных выбором материала в дальнейшем при расчетах и оптимизации не рассматриваются.

Для выполнения расчета задают следующие эксплуатационно-технические параметры:

1. Длина волны лазерного излучения, для которой выполняется расчет.

2. Диапазон улов сканирования.

3. Максимальное число разрешимых положений, что в совокупности с первым параметром определяет минимальный шаг сканирования.

4. Минимальное значение эффективности дифракции, которое должно достигаться для всего диапазона углов сканирования.

5. Время переключения в режиме произвольной выборки (определяется временем, за которое звуковая волна заполняет световую апертуру ячейки).

6. Допустимая потребляемая мощность.

В силу взаимосвязи ряда выше перечисленных параметров некоторые их комбинации являются не реализуемыми, поэтому для расчета вместо точных значений параметра может задаваться требование получения наилучшего достижимого значения (например, максимального диапазона углов сканирования).

В качестве жесткого критерия, заложенного в алгоритм расчета, установлено требование коллинеарности входного пучка и дифрагированного пучка на центральной частоте.

В связи с тем, что выбор материала акустооптического дефлектора в рамках проекта считается предопределенным, то параметры парателлурита уже введены в расчетную программу. Основные его свойства приведены в таблице.

Таблица 3 – Основные свойства парателлурита [1] Химическая формула ТеО Симметрия кристалла Тетрагональная Плотность, г/см3 6, 0,42 5, Область прозрачности, мкм Показатели преломления на длине волны 633 нм n0 2, ne 2, Скорость звука «медленной» сдвиговой волны, распространяющейся вдоль оси [110] перпендикулярно оси [001], м/с.

Коэффициент акустооптического качества М2 для -18 «медленной» сдвиговой волны, 10 с /г Расчет выполняют в программе, реализованной в среде Mathcad 14. Для этого вводят следующие входные параметры.

1. Длину волны лазерного излучения -.

2. Длину пьезоэлектрического излучателя – L.

3. Центральную частоту, на которую должен быть рассчитан АОД – f0. При задании центральной частоты следует проконтролировать, что вычисленное значение угла между направлением распространения входного луча в кристалле и оптической осью кристалла было не менее 40. Такой критерий выбирается из соображений минимизации влияния оптической активности (вращения плоскости поляризации), которая наблюдается в парателлурите в направлении оптической оси. При выполнении указанного критерия можно считать, что плоская поляризация волн в кристалле сохраняется.

4. Коэффициент рассогласования угла 0 для первичного расчета устанавливают равным 1, а в дальнейшем подбирают для расширения угла сканирования при сохранении заданного уровня эффективности дифракции.

5. Минимальное значение эффективности дифракции 0, которое должно достигаться для всего диапазона углов сканирования.

6. Угол падения светового излучения на входную грань акустооптического преобразователя.

7. Величину внутренней оптической апертуры дефлектора D.

По результатам расчета устанавливают следующие параметры (часть параметров поясняется рисунком 2).

1. Параметры акустооптического дефлектора а. Диапазон рабочих частот Fmax и Fmin в котором достигается заданная эффективность дифракции 0.

б. Диапазон углов сканирования w, соответствующий тому же критерию.

в. Оптимальную мощность звуковой волны Pa, которую требуется подводить для получения в максимуме расчетного значения эффективности дифракции равного 1.

г. Максимальное число разрешимых положений N.

д. Входную апертуру d.

е. Быстродействие дефлектора D (время переключения в режиме произвольной выборки), которое определяется временем, за которое звуковая волна заполняет световую апертуру ячейки.

2. Параметры, определяющие геометрию кристалла а. Угол между основанием трапеции и оптической осью системы.

б. Угол между входной стенкой и основанием трапеции A.

в. Угол между выходной стенкой и основанием трапеции В.

4.2.2 Физическая и математическая модель.

Так как рассматривается анизотропная дифракция лазерного излучения на «медленной» сдвиговой звуковой волне в монокристалле парателлурита (при этих условиях достигается наибольшее значение величины акустооптического качества M), то звуковую волну в кристалле направляют практически вдоль оси [110], которой отвечает наименьшая скорость распространения. На самом деле, как покажет дальнейший расчет, оптимальные условия достигаются, если направление волнового вектора q звуковой сдвиговой волны составляет небольшой угол с осью [110]. Для точного расчета следует учитывать зависимость скорости звука от направления распространения, тогда для фиксированной частоты звука f для модуля вектора q получим 2 f q=, (1) cos + v[001] sin 2 2 v [110] где v[110] = 616 м/с - скорость звука в направлении [110] со сдвиговой поляризацией [ 1 1 0 ], v[001] = 2104 м/с - скорость звука в направлении [001] со произвольной сдвиговой поляризацией.

Качественно процесс дифракции проще всего проанализировать по векторной диаграмме (рисунок ). Такое рассмотрение позволяет легко установить направление распространения излучения после дифракции в кристалле, но затрудняет расчет амплитуды прошедшей и дифрагировавшей волн.

[001] Z q k kd 0 X [110] 2 no 2 ne Рисунок 3 – Векторная диаграмма анизотропной дифракции в парателлурите.

Волновые поверхности 1 и 2 соответствуют «необыкновенному» и «обыкновенному» лучам в парателлурите.

Падающая световая волна поляризована в плоскости ( 1 1 0 ) и является в данном кристалле необыкновенной. Волной вектор падающей волны k0 составляет небольшой угол 0 с оптической осью кристалла [001]. Величина угла должна быть не менее 4, тогда можно приближенно считать, что плоская поляризация падающей волны сохраняется при прохождении через кристалл (см. комментарий выше). Если изменять угол 0 конец вектора k0 опишет эллипс «1» (рис. 1), поэтому при заданной длине волны света модуль вектора k0(0) зависит от направления распространения k02 sin 2 k02 cos 2 + =, (2) no (1 + ( ) ) ne где ( ) - малая поправка, связанная с поворотом плоскости поляризации при распространении вдоль оптической оси.

При дифракции в парателлурите поляризация света меняется на ортогональную, поэтому волновой вектор дифрагировавшей волны kd находится на эллипсе «2», который отвечает обыкновенной волне. С высокой точностью эллипс «2» можно считать 2 no окружностью, поэтому модуль указанного вектора kd =.

В процессе дифракции фотон с волновым вектором k0 поглощается фононом волновым вектором q и испускается фотон с волновым вектором kd, тогда из закона сохранения импульса k0 + q = kd (3) Обычно центральную частоту выбирают из условия, что вектора q и kd ортогональны. При этом обеспечивается симметричность при положительном и отрицательном отклонении и наибольший диапазон сканирования по углу.

Если задана требуемая центральная частота f0, то углы 0 и определяют, разрешив систему уравнений k02 ( 0 ) = q 2 ( f 0, ) + kd. (4) kd cos ( 0 ) = k0 ( 0 ) При изменении частоты звуковой волны и соответственно длины вектора q угол дифракции изменяется, и происходит сканирование дифрагированного луча.

В представленной на рисунке 1 векторной диаграмме вектор q направлен по касательной к внутренней волновой поверхности, и 3 волновых вектора составляют замкнутый прямоугольный треугольник. Эта ситуация соответствует выполнению, так называемого, условия Брэгга или фазового синхронизма. Соответствующая частота звуковой волны называется брэгговской. При выполнении этого условия эффективность дифракции достигает максимального значения. При изменении частоты звуковой волны вектора не образуют замкнутый треугольник, что приводит к снижению эффективности дифракции.

Для количественных расчетов зависимости эффективности дифракции от частоты звуковой волны и, соответственно угла сканирования, решается волновое уравнение вида 1 D rot rot E = (5) c 2 t Вектора электрического поля световой волны Е и электромагнитной индукции D связаны тензором индикатрисы Bij. В невозмущенном кристалле парателлурита тензор имеет вид B11 0 Bij = 0 B22 0, (6) 0 0 B 1, B33 = 2, – величина, характеризующая расщепление где B11 =, B22 = n (1 + ) n0 (1 ) ne волновых поверхностей вдоль оптической оси из-за вращения плоскости поляризации света в этом направлении.

Под действием сдвиговой акустической волны, поляризованной по оси [1 1 0] и распространяющейся под углом к оси [110] в тензоре (6) появляются добавки:

B12 = B12(0) sin(2ft + qr) = – 0,5 (p12 – p11) q u0 cos sin(2ft + qr), (7) B13 = B13(0) sin(2ft + qr) = – p44 q u0 sin sin(2ft + qr), (8) где pij – фотоупругие постоянные, u0, r – амплитуда звуковой волны и вектор-радиус распространения звуковой волны, соответственно.

В брэгговском режиме дифракции решение волнового уравнения представляется в виде суммы двух слагаемых: вектора электрической индукции D0 световой волны, распространяющейся в направлении падающего излучения (нулевой дифракционный порядок), D1 – дифранированное излучение (брэгговский дифракционный порядок):

D = D0 ei (0t – kr) + D1 ei (1t – Kr), (9) где 0 и 1 = 0 + 2f – оптическая частота падающего и дифрагированного света, соответственно.

Проекции векторов электрической индукции на координатные оси для «необыкновенной» падающей волны и «обыкновенной» дифрагированной равны D0 = (D0 cos0, 0, - D0 sin0), D1 = (0, D1, 0) (10) Введем, так называемый, вектор рассогласования k k = k 0 ( 0 ) + q ( f ) k d ( f ) (11) cos sin 0 kd x k = k0 ( 0 ) 0 + q ( f ) 0, 0 (12) sin 2 cos kd kd x 0 где kd x = q ( f ) cos + k0 ( 0 ) sin 0.

Вектор рассогласования k замыкает тройку векторов k(0), q и kd, если частота звука отличается от брэгговской. При выполнении условия фазового синхронизма k = 0.

Угол дифракции выражается соотношением k ( f ) = arccos 1 d x (13) kd После подстановки (10) и (12) в волновое уравнение, с учетом, что 0 2f, волновое уравнение распадается на два дифференциальных уравнения, связывающих амплитуды «нулевого» и брэгговского дифракционных порядков. В результате получим систему дифференциальных уравнений:

dD0 ( B12 (k0 cos 0 + k ) B23 k0sin 0 ) [ k0 + k cos 0 ] (0) (0) exp ( ikz ) D1 = (14) kd dz k0 cos B11 + k dD1 ( B12 cos B23 sin0 ) kd 2kd kcos1 + k (0) (0) 2 exp -ikz D = ( ) + (15) 2kd cos1 B dz Интерес представляет зависимость эффективности дифракции (f) от частоты звука на выходе из области акустооптического взаимодействия (z = L), которая определяется протяженностью звуковой волны вдоль распространения света. Под эффективностью понимается отношение интенсивности брэгговского порядка I1 = D1(z = L) D1*(z = L) к интенсивности падающего излучения I0 = D0(z = 0) D0*(z = 0) I ( f, L) = (16) I Решение системы (14)-(15) имеет вид 1 k ( f ) L + sin2 2, ( f, L) = (16) k ( f ) L + 2Pa M 2 L где =, L – длина акустооптического взаимодействия по оси z, Н – размеры 2 cos 2 0 H области акустооптического взаимодействия в направлениях, перпендикулярных оси z (значения Н должны превосходить световой диаметр светового излучения), – длина волны лазерного света в вакууме, М - коэффициент акустооптического качества. Величина М содержит все физические свойства парателлурита, связанные с акустооптическим взаимодействием. Мощность звуковой волны Ра связана с деформациями, вызываемыми звуковой волной, плотностью среды и объемом звукового поля соотношением 2 Pa S= (17) v3 LH Выражение (16) для эффективности дифракции получено в предположении строго выполнения брэгговского режима дифракции, то есть наличия в дифракционном поле только двух порядков. В работе [2] в качестве критерия данного режима сформулировано следующее условие 2 Lf Q= (18) v2 n = 0,6 мкм, f = 100 МГц и данным таблицы 1, длина Согласно (18) для взаимодействия L должна превышать величину 0,5 мм.

Полученное выражение (16) содержит 2 члена с различным физическим и 2Pa M 2 L конструктивным смыслом. В члене = 2 2 содержатся исходные конструктивные cos 0 H требования: длина волны излучения и световой диаметр светового излучения Н.

Мощность звука Ра является регулируемым параметром и определяется высокочастотной электрической мощностью, подаваемой на пьезоэлектрический преобразователь.

С другой стороны в члене k ( f ) L содержится зависимость эффективности дифракции от частоты звуковой волны. Из соотношения (16) легко видеть, что эффективность дифракции достигает максимума при k = 0 (выполнение условия фазового синхронизма) и при «оптимальном» значении Ра, при котором =. Для оценки значения Ра примем в качестве заданных требований к дефлектору длину волны лазерного излучения = 0,6 мкм, L = 1,5 мм и величину световой апертуры 10 мм. При этих данных Ра = 1,5 Вт.

Для анализа зависимости эффективности дифракции от частоты звука будем считать, что при любом ее значении звуковая мощность имеет оптимальное значение. Выражение (16) удобно записать в виде 1 sin 2 ( k( f ) L ) + 2 (f ) = 2 (19) ( k( f ) L ) + 2 Как видно из рисунка 4 (пример для длины волны 630 нм), эффективность слабо изменяется только в области выполнения условия Брэгга. Заданный допустимый уровень снижения эффективности дифракции определяет граничные пределы изменения частоты звуковой волны и диапазон углов сканирования. Для рассматриваемой модели однокоординатной ячейки 0,8 = 1.0340, 0,9 = 0.860.

Рисунок 4 - Зависимость эффективности дифракции от частоты звука (Гц).

Для расширения диапазона углов сканирования в анизотропных дефлекторах часто используется геометрия взаимодействия, изображенная на рисунке 5. В отличии от «касательной» геометрии рисунка 1 угол направления звуковой волны выбирается таким образом, чтобы условие фазового синхронизма выполнялось при 2-х значениях частоты звуковой волны: f1 и f2.

[001] Z 1 q1, q k 2 kd 1 kd 0 X [110] 2 no 2 ne Рисунок 5 – Векторная диаграмма, поясняющая работу акустооптического дефлектора в режиме «искаженной» геометрии для расширения спектра рабочих частот.

В этом случае зависимость (f) приобретает вид, изображенный на рисунке 6 для допустимых уровней снижения эффективности 0,8 и 0,9, соответственно.

Соответствующие углы сканирования составляют 0,8 = 1.4490 и 0,9 = 1.1940.

Возникающий провал в центре диапазон сканирования удовлетворяет условиям (f) 0, или (f) 0, Рисунок 6 – Зависимость эффективности дифракции от частоты звука (Гц) для случая «искаженной» геометрии.

Следует заметить, что условие (f) 0,8 не всегда допустимо, если дефлектор предназначен для управления высоко энергетичным лазерным излучением. При двукоординатном сканировании значение теоретической эффективности дифракции будет составлять 64%. С учетом пассивных оптических потерь и влияния качества технологического изготовления общий коэффициент оптического пропускания может быть порядка 50%. В отмеченных ранее областях применения дефлекторов – оптической локации, проекционных и технологических системах - потеря примерно половины оптической мощности существенно понижает их потенциал. Поэтому в дальнейшем рассмотрении допустимым критерием при однокоординатном сканировании считается условие (f) 0, во всем диапазоне углов сканирования.

Практически все производимые в настоящее время дефлекторы имеют форму кристалла парателлурита, схематически показанную на рисунке 7.

[110] Падающее Сканируемое излучение излучение [001] Рисунок 7 – Типовая схема акустооптического дефлектора.

Падающее излучение составляет угол 0 с оптической осью [001]. Угол скоса входной грани кристалла рассчитывается таким образом, чтобы направление сканируемого излучения в центре диапазона сканирования совпадало с направлением падающего излучения. Это создает конструктивные удобства.

выше значение 0,9 = 1.1940 соответствует диапазону углов Рассчитанное сканирования внутри кристалла. В воздушной среде угол сканирования из-за преломления излучения на выходной грани кристалла задается соотношением ( f ) = arcsin ( n0sin ( ( f ) ) ) (20) При малых углах падении сканируемого излучения на выходную грань кристалла диапазон углов сканирования в воздушной среде увеличивается примерно в n0 раз:

0,9 n0 0,9 (21) Согласно (21) значение угла сканирования в воздухе составляет величину порядка 0,9 2,750, что по порядку величины соответствует угловому диапазону производимых акустооптических дефлекторов.

Для увеличения углового диапазона сканирования предлагается оригинальная конструкции акустооптической дефлектора. Основная идея заключается в том, что при сохранении результатов проведенных расчетов акустооптического взаимодействия в среде парателлурита обеспечить выход сканируемого излучения из кристалла под углом порядка 600. В этом случае зависимость угла сканирования на выходе из кристалла задается соотношением sin ( f ) = arcsin no sin ( f ) ( f 0 ) + arcsin, (22) no где f0 – значения частоты звука в центре диапазона углов сканирования.

Для значений углов преломления = 600 и 500 соответствующие диапазоны углов сканирования составляют 10,9 = 5.0250, 20,9 = 3.9720.

4.2.3 Результаты расчетов однокоординатного акустооптического дефлектора.

Оптическая схема однокоординатной сканирующей ячейки с увеличенным диапазоном углов сканирования приведена на рисунке 8. Угол падения и преломления составляет 600. Оптические грани кристалла должны быть просветлены для минимизации френелевских отражений излучения, падающего и преломленного для углов 600.

Рисунок 8 – Оптическая схема однокоординатной акустооптической ячейки.

Рисунок 9 – Зависимость эффективности дифракции от частоты ультразвука для различной центрально частоты. Ширина пьезоизлучателя L = 1 мм. Длина волны света 514 нм.

Таблица 4 – Результаты расчета параметров одноосных акустооптических дефлекторов при различных размерах пьезоизлучателя и центральных частотах для длины волны света 514 нм.

Исходные данные для расчета Рассчитанные параметры Угол наклона основания к оптической оси = 8, Длина пьезоизлучателя L = 0.5 мм Центральная частота f0 = 120 МГц. Диапазон частот 71,3…168,6 МГц Расширение спектра Угловой диапазон сканирования 9, Углы призмы А = 112,854, B = 66, Угол наклона основания к оптической оси = 8, Длина пьезоизлучателя L = 1 мм Центральная частота f0 = 120 МГц. Диапазон частот 85,5…154,5 МГц Расширение спектра Угловой диапазон сканирования 6, Углы призмы А = 112,854, B = 66, Угол наклона основания к оптической оси = 8, Длина пьезоизлучателя L = 1.5 мм Центральная частота f0 = 120 МГц. Диапазон частот 91,8…148,2 МГц Расширение спектра Угловой диапазон сканирования 5, Углы призмы А = 112,854, B = 66, Угол наклона основания к оптической оси = 9, Длина пьезоизлучателя L = 1 мм Центральная частота f0 = 120 МГц. Диапазон частот 95,5…144,4 МГц Угловой диапазон сканирования 4, Углы призмы А = 112,854, B = 66, Угол наклона основания к оптической оси = 7, Длина пьезоизлучателя L = 1 мм Центральная частота f0 = 100 МГц. Диапазон частот 75,5…124,4 МГц Угловой диапазон сканирования 4, Углы призмы А = 112,46, B = 67, Угол наклона основания к оптической оси = 5, Длина пьезоизлучателя L = 1 мм Центральная частота f0 = 80 МГц. Диапазон частот 55,5…104,5 МГц Угловой диапазон сканирования 4, Углы призмы А = 112,06, B = 67, Рисунок 10. Зависимость эффективности дифракции от частоты ультразвука для «искаженной» геометрии. Ширина пьезоизлучателя L = 1.5 мм. Длина волны света 514 нм.

Диапазон углов сканирования 5,62.

Заключение В ходе выполнения работы на текущем этапе получены следующие основные результаты:

• Проведен обзор научно-технической литературы с целью систематизации сведений о механических, электрооптических и акустооптических систем сканирования, а также обзор рынка акустооптических дефлекторов.

• Дано обоснование выбранному направлению исследований и уточнен план проведения теоретических и экспериментальных исследований.

• Разработана концепция и оптическая схема однокоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6 градусов углом сканирования.

• Выполнен расчет однокоординатной акустооптической сканирующей системы с увеличенным до 6 градусов углом сканирования, выявлены зависимости эффективности дифракции и углового разрешения сканирующей системы от частоты звука.

Поставленные на 1 этапе задачи выполнены полностью, в соответствии с заданием и в установленный срок.

Полученные в ходе первого этапа результаты, позволят на следующем этапе создать и испытать акустооптический дефлектор с углом сканирования в 6 градусов, а затем рассчитать и разработать двухкоординатную акустооптическую сканирующую систему с увеличенным до 6х6 градусов углом сканирования.

Согласно выполненному анализу научно-технической литературы и патентных источников, данная работа находится на мировом уровне, а в случае достижения заявленных параметров дефлекторов будет превосходить уровень современных серийных акустооптических дефлекторов.

Список использованных источников 1 Магдич Л.Н., МолчановВ.Я. Акустооптические устройства и их применение, М., «Сов.

радио», 1978.

2 Vizen F.L., Maslennikov V.N., Poluektov I.A., Pustovoit V.I., Semenov D.I. Deflection of an injection laser beam by an acousto-optic deflector // Kvant. Electron. - 1975, - Vol. 2, – p. 1391.

- ISSN 1464-4258.

3 http://www.brimrose.com/pdfandwordfiles/aodefl.pdf 4 http://www.eopc.com/scanners.html 5 http://www.goochandhousego.com/products/acousto-optics/deflectors 6 http://www.intraaction.com/FAQ_s/Contact_US/Definitions/Refrences/do_not_delete_page/defl ectors.html 7 http://www.isomet.com/FinalWebSite/PDFDocs/AO%20Sheets/LS110A-VIS.pdf 8 http://www.moslaserlab.ru/products/ao_komponents.htm 9 http://www.mt-berlin.com/charts/chart_04.htm#IND 10 http://www.noahcorp.com/photonicsinstruments/aodeflector.htm 11 http://r-t-a.com/75rus.html 12 http://www.sigma-optic.ru/aoustr.html 13 http://www.sintecoptronics.com/aom.htm 14 http://industrial.panasonic.com/www-ctlg/ctlg/qAKA0000_WW.html 15 http://www.qbiclaser.com/html/pdf/7/7-5.%20Acousto-Optic%20Deflectors.pdf 16 Антонов, С.Н., Вайнер А.В., Проклов В.В., Резвов Ю.Г. Влияние пространственной структуры звукового поля на брэгговскую акустооптическую дифракцию в условиях сильной акустической анизотропии [Текст] // Журнал технической физики. - 2010, - т. 80, вып. 3. – С. 97-106. - ISSN 0044-4642.

17 Магдич Л.Н., Писаревский Ю.В., Семеновский Н.Н., Сильвестрова О.Ю. Некоторые особенности влияния дифракции в упругоанизотропной среде на акустооптическое взаимодействие. [Текст] // Радиотехника и Электроника. - 2008, - т. 53, №. 12. – С. 1528 1532. - ISSN 0033-8494.

18 Волик Д.П., Роздобудько В.В. Анализ амплитудно-частотной характеристики акустооптического дефлектора с поверхностным аподизированным пьезопреобразователем // Журнал технической физики. - 2009, - т. 79, вып. 6. – С. 124 128. - ISSN 0044-4642.

19 Волошинов В.Б., Князев Г.А. Акустооптические ячейки с неодинаковой длиной взаимодействия в поперечном сечении светового луча [Текст] // Журнал технической физики. - 2003, - т. 73, вып. 11. – С. 118-122. - ISSN 0044-4642.

20 Антонов С.Н., Вайнер А.В., Проклов В.В., Резвов Ю.Г. Новый акустооптический эффект — брэгговская дифракция без перемодуляции [Текст] // Журнал технической физики. 2009, - т. 79, вып. 6. – С. 119-123. - ISSN 0044-4642.

21 Антонов С.Н., Вайнер А.В., Проклов В.В., Резвов Ю.Г. Брэгговская акустооптическая дифракция без перемодуляции при фазированном преобразователе [Текст] // Журнал технической физики. - 2010, - т. 80, вып. 9. – С. 104-109. - ISSN 0044-4642.

22 Антонов С.Н., Вайнер А.В., Проклов В.В., Резвов Ю.Г. Дифракция импульсного лазерного излучения на акустической волне с частотной и фазовой манипуляцией [Текст] // Журнал технической физики. - 2009, - т. 79, вып. 11. – С. 65-71. - ISSN 0044-4642.

23 Антонов С.Н., Вайнер А.В., Проклов В.В., Резвов Ю.Г. Высокоэффективная акустооптическая дифракция света на многочастотном звуке в геометрии неаксиального дефлектора [Текст] // Журнал технической физики. - 2008, - т. 78, вып. 6. – С. 79-83. ISSN 0044-4642.

24 Антонов С.Н. Акустооптические устройства управления неполяризованным светом [Текст] // Журнал технической физики. - 2004, - т. 74, вып. 10. – С. 84-89. - ISSN 0044 4642.

25 Gulyaev Yu.V., Kazaryan M.A., Mokrushin Yu.M., Prokhorov A.M., Shakin O.V. Acousto optical TV Projection Systems with Pulsed Lasers // Laser Physics: Novel methods of laser technologies. - 2002, - Vol. 12, №. 11. – pp. 1368-1380. - ISSN 1054-660X.

26 Patent 6057525 USA, US Classification 912/168, 912/173. Method and apparatus for precision laser micromachining / Chang J., Warner B.E., Dragon E.P.;

Assignees United States Enrichment Corporation, Bethesda MD;

Agents David G.Townsend, Townsend and Crew, LLP Beck, Esq.;

Publication date May 2, 2000. – 12 p.: ill.

27 Patent 5361269 USA, US Classification 359/202, 372/24, 385/7. Non-mechanical laser beam scanning device employing … / Kamatani Y., Kanagawa S.;

Agents John M. Brandt;

Publication date Nov 1, 1994. – 6 p.: ill.

28 Патент 2193793 Российская Федерация, МПК G 02 F 1/11, 1/33. Двухкоординатный сканер для когерентного излучения ультрафиолетового диапазона / Магдич Л.Н., Нарвер В.Н., Солодовников Н.П., Розенштейн В.Ю.;

заявитель и патентообладатель Русское технологическое агентство;

опубл. 27.11.02. – 10 с.: ил.

29 Patent 4624534 USA, US Classification 350/358. Acoustooptic deflection device capable of reducing a reflection loss over a wide frequency band / Amano S.;

Agents Roberts, Spiecens & Cohen;

Publication date Nov 25, 1986. – 14 p.: ill.

30 Patent 5907428 USA, US Classification 359/285359/305, 359/312, 359/314. Acousto-optic element light deflector light beam scanning apparatus and image recording apparatus / Yamashita A., Sumi K.;

Agents Sughrue, Mion, Zinn, Macpeak & Seas, PLLC;

Publication date May 25, 1999. – 44 p.: ill.

31 Patent 4843335 USA, US Classification 332/751, 350/355, 350/358. Acoustooptic modulation device capable of avoiding impedance mismatching over a wide frequency band / Amano S., Assignees Hoya Corporation, Tokyo;

Agents Roberts, Spiecens & Cohen;

Publication date Jun 27, 1989. – 15 p.: ill.

32 Patent 4889415 USA, US Classification 350/358, 369/119, 369/44. Light beam deflector devices / Umezu N., Agents Hill, Van Santen, Steadman, & Simpson;

Publication date Dec 26, 1989. – 8 p.: ill.

33 Patent 4000493 USA, US Classification 017/3LM, 346/1, 346/108, 354/5, 501/61W.

Acoustooptic scanner apparatus and method / Spaulding R.A., Pickering R.D., Agents Milton S.

Sales, Publication date Dec 28, 1976. – 12 p.: ill.

34 Patent 4112461 USA, US Classification 350/360, 358/63. Multiwavelength light beam deflection and modulation / Owens J.C., Assignees Eastman Kodak Company, Rochester NY, Agents Warren W. Kurz, Publication date Sep 5, 1978. – 15 p.: ill.

35 Patent 5043965 USA, US Classification 369/112, 369/116, 9 4/413, 9 4/414. Optical apparatus for optical information recording medium / Iida T., Nagate H., Taii T., Nunomura T., Assignees Hitachi Maxell, Ltd., Agents Birch, Stewart, Kolasch & Birch, Publication date Aug 27, 1991. – 29 p.: ill.

36 Patent 5890789 USA, US Classification 359/204, 359/285, 359/305, 359/310, 385/7. Multi beam emitting device having an acoustooptic element / Inagaki Y., Naiki T., Hamada A., Assignees Minolta Co., Ltd., Agents Sidley & Austin, Publication date Apr 6, 1999. – 29 p.: ill.

37 Patent 4118113 USA, US Classification 350/358. I-Cheng Chang, Hecht D.L., Assignees Itek Corporation, Lexington MA, Agents Homer O. Blair, Robert L. Nathans, Gerald H. Glanzman, Publication date Oct 3, 1978. – 4 p.: ill.

38 Korpel A., Adler R., Desmares P., Watson W. A television display using acoustic deflection and modulation of coherent light. – “Proc. IEEE”, 1966, v.54, №10, p. 1429-1437.

39 Alphonse G. A. Broad-band acousto-optic deflectors using sonic gratings for first-order beam steering. – “RCA Rev.”, 1972, v.33, №3, p.543-554.

40 Semenov D.V., E Nippolainen E., Kamshilin A.A. Comparison of acousto-optic deflectors for dynamic-speckle distance-measurement application // Journal of optics a: pure and applied optics. - 2007, №. 9. – pp. 704-708. -ISSN 1464-4258.

41 Voloshinov V.B., Balakshy V.I., Kulakova L.A., Gupta N. Acousto-optic properties of tellurium that are useful in anisotropic diffraction // Journal of optics a: pure and applied optics. - 2008, №. 10. – 9pp. - ISSN 1464-4258.

42 Semenov D.V., Sidorov I.S., Nippolainen E., Kamshilin A.A. Speckle-based sensor system for real-time distance and thickness monitoring of fast moving objects // Measurement science and technology. - 2010, №. 21. – 4pp. - ISSN 0957-0233.

43 Parygin V.N., Vershoubskiy A.V., Resvov Yu.G. Collinear and quasi-collinear diffraction of bounded beams in crystals: acousto-optic interaction for the example of paratellurite // Journal of optics a: pure and applied optics. - 2001, №. 3. – pp. 32-39. - ISSN 1464-4258.

44 Voloshinov V.B., Tchernyatin A.Yu., Simultaneous up-shifted and down-shifted Bragg diffraction in birefringent media // Journal of optics a: pure and applied optics. - 2000, №. 2. – pp. 389-394. -ISSN 1464-4258.

45 Шаскольская М.П., Акустические кристаллы, Москва, «Наука», 1982.

46 W.R.Klein and Cook Unified approach to ultrasonic light diffraction // IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. – 1967, - v. 14, - 123-134pp. - ISSN: 0018-9537.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.