Приборы и техника эксперимента, 2020, № 6, стр. 46-52

2.1. Принцип многолучевой дифракции

Фотоупругий эффект (основа а.о.) в большинстве сред при рабочих интенсивностях звуковых волн линеен. Однако мощность дифракционных порядков от входной акустической мощности при дифракции на одночастотном акустическом сигнале зависит нелинейно [6]. В случае многочастотного сигнала, помимо основных дифракционных порядков, соответствующих акустическим частотам, в общем случае появляются интермодуляционные порядки [14–18]. Например, если сигнал состоит из частот  f₁, f₂, f₃, то появятся дополнительные интермодуляционные дифракционные порядки, соответствующие комбинационным частотам: 2f₁ – f₂, 2f₁ + f₂ – 2f₃ и т.д. Кроме того, мощность каждого из основных порядков нелинейным образом зависит от мощности соответствующей ему компоненты входного сигнала. Таким образом, при эффективности дифракции более 40% дифракционное поле является сложной функцией амплитуд и фаз всех частотных компонент сигнала (рис. 1).

Рис. 1.

Основные k_d и интермодуляционные k_id дифракционные лучи при подаче многочастотного акустического сигнала U(t).

Исходное излучение k₀ под воздействием звукового поля, образованного сигналом U(t), создает световое поле:

– набор основных лучей k_d, каждый из которых соответствует генерируемым частотам  f₁, …, f_n;

– набор интермодуляционных порядков k_id в поле основных дифракционных лучей и k_i0 вблизи нулевого порядка.

Физический принцип, позволяющий подавлять интермодуляционные эффекты и формировать высокоэффективное многолучевое а.о.-поле, состоит в том, что акустическая волна подвергается угловой (частотной, фазовой) модуляции [19, 20]. В результате исчезают интермодуляционные лучи, и распределение световой мощности по дифрагированным лучам пропорционально распределению мощности по соответствующим частотным компонентам сигнала.

При этом важно соотношение между пространственным периодом модуляции T звука и поперечным размером D светового пучка (рис. 2). Так, если период Т больше фазовой задержки τ, то световое поле на выходе дефлектора состоит из пространственно пересекающихся лучей, если меньше, то из пространственно разделенных лучей.

Рис. 2.

Иллюстрация условия разделения лучей на примере трех радиочастот: а – П – пьезопреобразователь, D – апертура светового луча, V_s и T – соответственно скорость и период модуляции звуковой волны, τ – время прохода звуковой волны через световую апертуру; б – угловая картина дифракционного поля: слева – лучи перекрываются с образованием областей интерференции, справа – лучи разделены.

2.2. Синтез акустического сигнала для многолучевой дифракции

Сигнал с угловой модуляцией, сформированный аналоговым методом, очень сложен в аппаратной реализации. Был разработан метод цифрового синтеза сигнала (подобного фазово-модулированному) из конечного набора монохроматических частотных компонент.

Из заданного набора частот можно создать различные по форме сигналы в зависимости от их фаз. Поэтому необходимо подобрать такие фазы составляющих, чтобы результирующий сигнал максимально приблизился к оптимальному фазово-модулированному виду. Методика синтеза таких узкополосных сигналов изложена в [21]. При этом фазы составляющих не являются жестко определенными, а подчиняются связям, число которых меньше числа частот. При расширении полосы частот необходима коррекция сигнала, что позволяет дополнительно увеличить полезную эффективность [22].

Если период сигнала в несколько раз меньше времени пересечения звуком световой апертуры, то угловое расстояние между соседними рабочими лучами в несколько раз больше ширины их углового спектра. Многолучевая картина является практически стационарной, испытывая небольшие периодические биения из-за частичного наложения рабочих лучей. Очевидно, что многолучевую картину заданного вида можно масштабировать в угловом пространстве.

Для этого нужно совместно менять угол расходимости падающего света и период акустического сигнала. Поэтому возможна реализация определенной многолучевой диаграммы направленности с различной шириной спектра акустического сигнала. При смене многолучевой картины возникают переходные искажения. Как показано в [23], искажения минимальны, если в момент изменения акустического сигнала его фаза не меняется.

Рис. 3 иллюстрирует деление на 7 равномощных лучей с суммарной полезной эффективностью 85%.

Рис. 3.

Эквидистантная 7-лучевая диаграмма направленности.

В табл. 1 представлены расчетные параметры, формирующие деление на N = 8 и 9 эквидистантных равномощных лучей (k – номера позиций, занимаемых лучами в эквидистантном угловом наборе, k = 0 – позиция в центре дифрагированной картины) по критерию максимальной суммарной эффективности. Здесь параметр ${{\alpha }_{k}} = v{\text{/}}\pi $ – доля индекса фазовой модуляции $v$ (и управляющего напряжения) от величины, при которой достигается максимальная эффективность дифракции (близкая к 100%) в одночастотном режиме.

Реализация наперед заданного набора дифракционных лучей осуществляется исключением из полного набора частот некоторых компонент. Например, исключение из 5-лучевой картины позиций k = –1 и 0 позволяет формировать 3-лучевую картину с однолучевой эффективностью 16% (см. результаты эксперимента ниже). Расчетные параметры для этого случая: α_–2 = α₁ = α₂ = 0.31, φ_–2 = = –43°, φ₁ = –1°, φ₂ = –152°.

Важно, что методика позволяет формировать произвольное высокоэффективное многолучевое поле в пределах всего углового диапазона а.о.-устройства.

4.1. Система лазерного вывода изображения

Лазерные граверы предназначены для прямого изготовления печатных форм офсетной, высокой или глубокой печати, а также фотоформ гравированием посредством воздействия лазерного излучения большой мощности на фотоматериал. Как правило, используются лазеры с длиной волны 1.06 мкм, с помощью которых удаляется маска в местах формирования печатных элементов. Создание мощных лазеров и повышение чувствительности фотоматериалов обусловливают возможность повышения скорости записи. Многолучевой а.о.д. позволяет создать высокоскоростной лазерный гравер (рис. 6).

Рис. 6.

Схема гравера.

Вращение барабана обеспечивает развертку изображения по координате Y, а перемещение каретки с а.о.д. и коллиматором волоконного лазера – развертку по координате X. Высокая скорость записи обеспечивается одномоментным формированием линейки пикселей ΔX вдоль оси X.

Неполяризованное излучение мощного непрерывного волоконного лазера (мощность до 50 Вт, качество луча М² < 1.05) направляется на многолучевой а.о.д., состоящий из двух последовательно включенных а.о.д.: первый а.о.д. отклоняет одну поляризационную компоненту света, второй – ортогональную [26–28]. Чередование ортогонально поляризованных лучей от каждого а.о.д. обеспечивает:

– отсутствие интерференционных эффектов вблизи соседних пикселей на обрабатываемом материале;

– снижение ограничений, связанных с разрешающей способностью а.о.д., – угловое расстояние между лучами для каждого дефлектора равно трем расходимостям входного света.

Параллельная многоканальная запись изображения существенно повышает производительность гравера.

4.2. Коммутатор-мультиплексор волоконно-оптических каналов

Многолучевой а.о.д. является основой системы коммутатор-мультиплексор волоконно-оптических каналов с алгоритмом переключения каналов 1 × N [29–33].

По сравнению с однокоординатной схемой число выходных каналов возрастает в квадрате при использовании двухкоординатного а.о.д. (рис. 7).

Рис. 7.

Схема двухкоординатного переключателя каналов. Л₁, Л₂– линзы.

Свет выходного световода коллимируется оптикой Л₁ и поступает на двухккоординатную систему дефлекторов а.о.д.1 и а.о.д.2, после чего оптикой Л₂ фокусируется на выходную матрицу световодов.

Примеры возможных двумерных распределений интенсивности света в плоскости матрицы выходных световодов представлены на рис. 8.

Рис. 8.

Примеры некоторых комбинаций работы переключателя: a – все элементы матрицы “освещены” лазерным излучением равномерно; б–г – лазерный свет в равных энергетических пропорциях подается на определенные элементы матрицы. А.о.д.-Y, а.о.д.-X – дефлекторы с отклонением по Y- и X-координатам соответственно. Направляемые на матрицу лучи закрашены.

Варианты мультиплицирования:

a) во все входные каналы матрицы одновременно;

б) в произвольную прямоугольную область матрицы;

в) в любой набор одной строки или одного столбца матрицы;

г) в пересечение набора строк с набором столбцов матрицы.

4.3. Управление энергетическим профилем лазерного излучения

В системах лазерной обработки материалов нормальное (гауссово) угловое распределение интенсивности лазерного излучения не является оптимальным. На рис. 9 представлено нормированное гауссово угловое распределение.

Рис. 9.

Гауссово угловое распределение лазерного света: Θ – нормированные углы, I – относительная интенсивность. Используемая энергетическая угловая часть ΔΘ по уровню I₀ = 0.9.

Примем, что энергетический порог воздействия на обрабатываемый материал равен уровню I₀ = 0.9, тогда отношение полезно используемой мощности к полной мощности для гауссова луча составляет ≈35%. Для эффективного использования мощности лазера целесообразен свет с профилем, близким к П-образному, а в ряде случаев – и к более сложному.

Промышленность выпускает оптические линзовые системы, трансформирующие исходно гауссов лазерный луч в излучение с неизменяемым профилем, близким к прямоугольному, – шейпер (shaper). Акустооптические методы позволяют быстропеременно модифицировать профиль лазерного луча [34, 35], в том числе и многолучевым методом [36].

Как было указано в разд. 2, отношение периода модуляции T к времени пересечения звуком апертуры света τ определяет степень перекрытия лучей. В данном случае используется режим, когда Т > τ, и соседние лучи перекрываются с образованием единого луча (см. рис. 3 и 2б). Число, соотношения амплитуд и фаз управляющих сигналов определяют форму итогового профиля луча, в частности прямоугольность. Отметим, что термин “единый луч” корректен, если не учитывать интерференцию (биения), возникающую в областях перекрытия лучей; частота биений равна разности частот ближайших электрических сигналов (0.3 МГц в условиях эксперимента). В большинстве практических случаев, связанных с лазерной обработкой материалов, смещение луча “от точки к точке” не превышает десятков миллисекунд. При таком усреднении термин “единый луч” вполне правомерен.

На рис. 10 представлены зависимости относительной интенсивности η лазерного излучения от угловых характеристик света на выходе а.о.д., полученные при измерениях на экспериментальной установке, описанной в разд. 3. Профиль на рис. 10б прямоугольный, а профиль на рис. 10в предпочтителен в системах, когда лазерный нагрев в центре луча чрезмерен, а по периметру недостаточен, например при наплаве металлов в 3D-принтерах.

Рис. 10.

Профиль дифрагированного поля: а – при одной управляющей частоте 41 МГц; б – П-образный профиль при пяти управляющих частотах – центральной 41 МГц и четырех симметрично расположенных боковых ±0.3 и ±0.6 МГц; в – с провалом в центре, полученным изменением соотношения амплитуд сигнала для П-образного профиля.

По результатам можно резюмировать, что эффект многолучевой а.о.-дифракции позволяет формировать распределения лазерного излучения как П-образной, так и другой формы при суммарной эффективности ≥85–90%. Принципиальное достоинство метода – возможность быстрого изменения энергетической формы выходного луча. Быстродействие определяется скоростью звука в а.о.-кристалле и апертурой света и достигает в эксперименте около 10 мкс.