Акустический журнал, 2021, T. 67, № 2, стр. 138-144

1. ВВЕДЕНИЕ

Акустооптика (АО) основана на фотоупругом эффекте, возникающем при распространении ультразвуковой волны в прозрачной среде [1–9]. Принципиальными достоинствами АО приборов являются: возможность управления интенсивным (десятки и сотни киловатт на квадратный сантиметр) лазерным излучением, малые вносимые световые потери (единицы процентов), высокое быстродействие (до десятков наносекунд), отсутствие механически перемещаемых элементов, небольшие габариты и вес.

Основным материалом современных АО приборов является монокристалл парателлурита (TeO₂). Кристалл обладает феноменально большой величиной АО качества – М₂ ≈ 1000 × 10^–18 с³/г (дифракция на медленной сдвиговой акустической моде) [10, 11]; широким диапазоном прозрачности, от 0.35 до 5 мкм [12]; высокой лучевой стойкостью; развитой технологией производства больших однородных кристаллов со стороной до 50 мм [13]. Большая акустическая анизотропия парателлурита является причиной необычных акустических эффектов [14–19].

Принципиальным для высокоэффективной дифракции света в TeO₂ является необходимость строго определенной (круговой либо линейной) входной поляризации лазерного излучения. В то же время, как правило, мощные промышленные лазеры имеют неполяризованное излучение. Известны методы и схемы создания поляризационно-независимых однокоординатных дефлекторов (АОД) на TeO₂, основанные на использовании двух последовательно включенных дефлекторов с фазовой полуволновой пластиной между ними [20, 21]. Очевидная схема двухкоординатного дефлектора заключается в последовательном ортогональном расположении двух однокоординатных дефлекторов и, следовательно, четырех кристаллов TeO₂ и двух фазовых пластин. Видно, что такое решение достаточно сложно.

Настоящая работа посвящена разработке и созданию простой оптической схемы высокоэффективного поляризацинно-нечувствительного двухкоординатного АОД, состоящего только из трех кристаллов TeO₂, использованию дефлектора в системе оптического переключателя каналов связи.

2. ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТРЕХКРИСТАЛЬНОЙ СХЕМЫ ДЕФЛЕКТОРА

В разработанной схеме используются три АО кристалла (единичные дефлекторы) без фазовых пластин. Принципиальным является то, что при АО дифракции происходит поворот плоскости поляризации света на 90^о градусов. Принцип работы схематично показан на рис. 1.

Рис. 1.

(а) – Объемная схема дефлектора, (б) – ход лучей в ортогональных проекциях. Изображение лучей, как имеющих различное пространственное положение, – условное.

Дефлектор содержит три последовательно расположенных кристалла: C1, C2 и C3. Исходный неполяризованный луч 0 направлен по оси Z и может быть представлен как суперпозиция двух линейно поляризованных лучей. Первый из них, поляризованный вдоль оси Y, не испытывает дифракции и проходит кристалл C1 без отклонения – луч 1. Второй, с поляризацией вдоль оси X, претерпевает дифракцию в кристалле C1, меняет поляризацию на ортогональную (т.е. вдоль оси Y) и отклоняется в плоскости XZ на угол, пропорциональный частоте акустической волны – луч 2. Лучи 1 и 2 одинаково поляризованы и распространяются под небольшим углом друг к другу. Оба луча падают на второй кристалл C2 под углом Брэгга, совместно отклоняются в плоскости YZ на одинаковый угол и меняют поляризацию на ортогональную, образуя лучи 3 и 4. Кристалл C3 ориентирован так, что луч 4 не дифрагирует, а луч 3 испытывает брэгговскую дифракцию и меняет поляризационную моду – луч 5. Если частоты акустических волн в кристаллах C1 и С3 одинаковы, то выходные лучи 5 и 6 параллельны друг другу.

Таким образом, исходный неполяризованный луч 0 после прохождения трехкристалльного дефлектора преобразуется в совокупность двух параллельных лучей, имеющих ортогональные поляризации, и немного сдвинутых друг относительно друга. Звуковые частоты задают угловое отклонение Θ_x и Θ_y составного выходного луча в некотором диапазоне, а управляющие напряжения определяют его мощность (вплоть до мощности входного луча).

3. ОСОБЕННОСТИ ТРЕХКРИСТАЛЬНОГО ДЕФЛЕКТОРА НА TeO₂

Основой устройства являются единичные неаксиальные АОД на основе TeO₂, предложенные в работе [22]. В настоящее время такие АОД широко используются, при этом новые идеи позволяют улучшить их характеристики [23–28]. Принцип дифракции иллюстрирует рис. 2. Плоскость АО взаимодействия содержит оптическую ось и ось [110]. Преобразователь длиной L возбуждает поперечную медленную звуковую волну, волновой вектор K которой составляет небольшой угол α = 4°…6° с осью [110]. Вследствие сильной акустической анизотропии направление распространения энергии (вдоль групповой скорости S) отклонено на угол ψ. Представленный вариант реализует дифракцию в –1 порядок, при котором волновые векторы взаимодействующих волн образуют практически прямоугольный треугольник: k_d = k_t – K + Δk. Вектор расстройки Δk направлен по нормали к возмущенному акустическому слою. Обычно геометрия является не строго касательной, и при изменении частоты звука вектор K пересекает волновую поверхность в двух близких точках. Это позволяет расширить диапазон сканирования за счет незначительной потери эффективности. В центре диапазона угол θ_d между оптической осью и вектором k_d равен углу α.

Рис. 2.

(а) – Векторная диаграмма и (б) – геометрия АО взаимодействия.

Пусть падающее излучение (“i”) принадлежит к необыкновенной моде. Тогда в зависимости от акустической мощности и параметра ΔkLcos ψ падающее излучение делится между проходящим (“t”) той же оптической моды и дифрагированным (“d”, обыкновенная мода). Изменение частоты (при необходимом уровне акустической мощности) приводит к практически полному отклонению падающего света в некотором угловом диапазоне вместе со сменой поляризационной моды.

Если входной луч неполяризован (совокупность двух ортогонально поляризованных лучей одного направления), то дифрагировать будет только один луч с “e”-поляризацией, образуя отклоненный и неотклоненный лучи одинаковой “o”-поляризации.

Существенными, в плане реализации разработанной схемы АОД, являются параметры “дефлекторной” геометрии, когда падающий свет распространяется в плоскости, отклоненной на угол β от оптической оси – рис. 3. Волновой вектор звука не лежит в этой плоскости, но поскольку K $ \ll $ k_t,d, то дифрагированный свет распространяется практически в этой же плоскости. Рис. 4 показывает, как при этом меняются угол θ_t и частота звука f_s0, соответствующие центру диапазона дефлектора.

Рис. 3.

Векторная диаграмма при отклонении плоскости АО взаимодействия от оптической оси.

Рис. 4.

Зависимость центральных параметров полосы пропускания при изменении плоскости АО взаимодействия.

Расчеты проведены для экспериментальной ситуации: длина световой волны λ = 1.064 мкм, угол α = 6°, длина преобразователя L = 5 мм. Для упрощения расчетов использован прием, предложенный в работе [29]. Из-за наличия оптической оси эти зависимости симметричны относительно значения β = 0. Отклонение от этого значения приводит к уменьшению угла θ_t и росту звуковой частоты. Однако в существенном для дальнейшего рассмотрения диапазоне |β| < 2° эти изменения незначительные.

Рис. 5 иллюстрирует эффективность дифракции в пределах акустической полосы преобразователя. При этом угол отклонения света пропорционален звуковой частоте. Линия 1 соответствует геометрии взаимодействия в плоскости, содержащей оптическую ось. Параметры подобраны таким образом, что в центре диапазона эффективность дифракции составляет η = 90%. Близкая линия 2 отражает аналогичную зависимость, но в плоскости, отклоненной на небольшой фиксированный угол β. Линии 3–4 отражают изменение функции пропускания при небольшом изменении угла β вблизи центрального значения 0.78° и фиксированном угле θ_t. Важно, что в этом случае наблюдается асимметрия: при уменьшении угла β эффективность в центре диапазона уменьшается (линия 3), при увеличении растет (линия 4, диапазон при этом сужается).

Рис. 5.

Зависимость эффективности дифракции от частоты звука. 1 – плоскость АО-дифракции содержит оптическую ось (β = 0, θ_t = 4.2°); 2–4 дифракция в плоскости, образующей угол β с оптической осью (θ_t = 4.4°, β = 0.78° (2), 0.50° (3), 1.10° (4)).

Эти особенности определяют эффективность трехкристалльного дефлектора (см. рис.1). Падающий неполяризованный луч 0 мощностью W₀ можно представить как совокупность двух совпадающих лучей с ортогональными поляризациями, каждый мощностью W₀/2. Только один из них (X-поляризация) способен дифрагировать, так как является необыкновенным в кристалле C1. Пусть η₁ – эффективность дифракции в первом кристалле, при этом линия 1 на рис. 5 дает частотную зависимость эффективности. Тогда мощность луча 2 дает выражение W₂ = η₁W₀/2. Вследствие этого луч 2 несет не только половину мощности луча 0 (Y-поляризация), но и небольшую неиспользованную при дифракции долю луча ортогональной поляризации: W₁ = (1 + η₁)W₀/2.

Лучи 1 и 2 направляют на кристалл C2, повернутый относительно кристалла C1 на угол, близкий к 90°. Оба луча, за исключением небольшой доли в луче 1, поляризованы одинаково, в кристалле C2 являются необыкновенными и способны дифрагировать. Кристалл также повернут на небольшой угол в плоскости XZ таким образом, что оба луча падают не в плоскости, содержащей оптическую ось. Очевидно, что для луча 1 угол β₁ фиксирован, а угол β₂ сканирует некоторый интервал в зависимости от частоты звука в кристалле C1. Кристалл C2 ориентирован так, что для лучей 1 и 2, образующихся при подаче центральной частоты в кристалле C1, выполняется условие β₁ = –β₂. Иначе говоря, лучи 1 и 2 во втором кристалле распространяются почти симметрично относительно плоскости, содержащей оптическую ось.

Дифрагируя, оба этих луча синхронно отклоняются и меняют свои поляризации, превращаясь в лучи 3 и 4 (на рис. 1 не показано, что небольшая часть лучей 1 и 2, не испытавшая дифракции, не меняет направления распространения). Эффективность дифракции луча 1 передает линия 2 на рис. 5, а для луча 2 эффективность зависит также от частоты в кристалле C1 и поэтому ее поведение меняется в диапазоне между линиями 3 и 4 на рис. 5. С учетом доли луча 2, неспособной к дифракции, а также зависимости эффективности дифракции η₂(β) во втором кристалле, мощности лучей 3 и 4 удовлетворяют соотношениям: W₃ = = η₂(β₁)W₀/2, W₄ = η₁η₂(β₂)W₀/2.

Эти одинаково поляризованные лучи направляют в кристалл C3, ориентированный так, что плоскость АО взаимодействия содержит оптическую ось, но только луч 3 падает на акустическую волну под углом Брэгга. Поэтому он дифрагирует (теперь это луч 5), отклоняясь в сторону луча 4, который проходит кристалл без дифракции (луч 6). Если частоты сигналов, подаваемых на кристаллы C1 и C3, одинаковы, то лучи 5 и 6 параллельны. Их мощности имеют вид: W₅ = η₃W₃, W₆ = W₄, где η₃ – эффективность дифракции в этом кристалле.

Если после рассмотренной схемы установлена линза, то эти лучи будут сфокусированы в одно пятно с той же поляризацией, что и исходный луч. Положением пятна в фокальной плоскости линзы можно управлять, меняя частоты сигналов, подаваемых на кристаллы. Лучи можно пространственно совместить и без использования линзы, выбрав частоты сигналов, подаваемых на кристаллы C1 и C3 с такой разницей, чтобы угол между лучами обеспечил их пересечение на заданном расстоянии.

Рис. 6 демонстрирует расчетную эффективность рассмотренной схемы двухкоординатного отклонения (в воздухе). Центру картины соответствуют центральные частоты всех трех дефлекторов. Существенно, что эффективность сканирования не обладает симметрией по углу δΘ_x, что объясняется рассмотренными особенностями взаимодействия в кристалле C2. По нанесенным уровням эффективности видно, что с эффективностью не менее 80% диапазон сканирования составляет ±1° по каждому измерению относительно центра картины.

Рис. 6.

Эффективность двухкоординатного сканирования в воздухе.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ДЕФЛЕКТОРА

Конструкция трехкристального дефлектора – переключателя волоконных каналов [30] показана на рис. 7. Использовались три идентичных дефлектора с параметрами: α = 6°, пьезопребразователь из LiNbO₃ имел размеры: L = 5 мм (длина взаимодействия), H = 6 мм (высота). Акустическая полоса преобразователя: 20–50 МГц, длина волны света 1.06 мкм. Дефлектор сопряжен с разъемами типа FC-PC. Вход – одно волокно, выход квадратная матрица, содержащая 25 световодов (5 × 5) и вмонтированная в один разъем. Устройство в сборе с волоконными световодами представлено на рис. 8.

Рис. 7.

Внешний вид изготовленного дефлектора. C1, C2 и C3 – единичные дефлекторы на ТеО₂, 1 – входной коллиматор, 2 – выходной, габариты устройства: 100 × 65 × 65 мм.

Рис. 8.

Внешний вид переключателя волоконных каналов.

Измерения основных параметров дефлектора показали:

– суммарные потери света от 3.8 до 5.3 дБ;

– развязка между каналами от –45 до –60 дБ;

– время переключения 7 мкс;

– при изменении поляризации входного излучения в диапазоне 90° коэффициент передачи световой мощности изменяется от 100 до 92%.

Число каналов может быть увеличено при более плотной упаковке световодов, но при этом ухудшается развязка между каналами. Например, при использовании матрицы 10 × 10 (всего 100 световодов) развязка составит около –30 дБ.

Известно, что для увеличения числа разрешимых угловых положений необходимо уменьшать расходимость света на входе дефлектора. В частности, разрешение каждого из использованных единичных дефлекторов (при расширении пучка света) может достигать порядка 200 значений. При этом увеличение ширины пучка ухудшает быстродействие. Таким образом, с учетом ограничений по времени переключения рассмотренная схема может обеспечить несколько десятков тысяч разрешимых положений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена новая схема высокоэффективного поляризационно-независимого двухкоординатного АО дефлектора. Дефлектор состоит только из трех оптических элементов – единичных АО кристаллов. Изучены и рассчитаны основные характеристики дефлектора на базе кристалла парателлурита. Установлено, что для длины волны света 1.06 мкм в диапазоне акустических частот 25–45 МГц дефлектор обеспечивает двухкоординатное сканирование не менее 1° с эффективностью более 80%.

2. Создана практическая модель дефлектора – переключателя волоконных каналов, объединенного с одномодовыми волоконными световодами – одним на входе и матрицей 5 × 5 на выходе, с паразитной засветкой соседних каналов не хуже 45 дБ.

Работа выполнена за счет бюджетного финансирования в рамках государственного задания по теме 0030-2019-0014.

Авторы благодарят Благотворительный Фонд Андрея Мельниченко (The Andrey Melnichenko Foundation) за помощь при проведении данного исследования.