Приборы и техника эксперимента, 2021, № 5, стр. 100-104

1. ВВЕДЕНИЕ

Прикладная акустооптика (а.о.) – это управление параметрами светового излучения и создание устройств для этих целей. Теория а.о.-дифракции и ряд практически интересных приборных реализаций описаны достаточно подробно в работах [1–7]. Особую нишу в современных лазерных системах занимают а.о.-дефлекторы (а.о.д.) – устройства для углового сканирования лазерного луча. Совокупность таких параметров, как управление интенсивным (десятки и сотни киловатт на квадратный сантиметр) лазерным излучением, высокое быстродействие, отсутствие механически перемещаемых элементов, малые вносимые световые потери, небольшие габариты и масса, делают а.о.д. перспективным элементом в различных лазерных системах [8–10].

Доминирующим материалом современных а.о.д. является монокристалл парателлурита (TeO₂). Кристалл обладает феноменально большой величиной а.о.-качества – М₂ = 1000 ⋅ 10^–18 с³/г (при дифракции на медленной сдвиговой акустической моде), широким диапазоном прозрачности – от 0.35 до 5 мкм, высокой лучевой стойкостью. Развита технология производства больших (со стороной более 20 мм) однородных кристаллов TeO₂. Дефлектор на базе парателлурита – объект данной работы.

Акустооптические дефлекторы находят широкое применение в лазерных системах вывода (нанесения) изображения, маркировки узлов и деталей, в 3-D принтерах как в комбинации с электромеханическими сканерами, так и самостоятельно [11]. Одной из задач в таких системах является повышение кратковременной и долговременной стабильности основных параметров а.о.д. Так, нестабильность положения лазерного луча и изменение эффективности дифракции снижают качество выводимого изображения. Это происходит, в том числе, из-за тепловых эффектов [12–20]. Нестабильность параметров связана с температурой как а.о.-ячейки в целом, так и отдельных ее элементов – кристалла TeO₂ и пьезопреобразователя. Стабилизация температуры а.о.д. в целом достаточно очевидна, технически несложна, но, как будет показано в данной работе, полностью не решает задачу стабилизации параметров.

Внимание данной работы акцентируется на исследовании эффектов, возникающих при внутреннем нагреве, в частности выделении подводимой управляющей радиомощности, и их влиянии на стабильность основных параметров а.о.д. Задача работы – определение численных значений приемлемого (компромиссного) соотношения между основными параметрами (эффективность, полоса сканирования) и максимальным уровнем управляющей мощности.

2. КОНСТРУКЦИЯ ДЕФЛЕКТОРА

Электрическая мощность, подводимая к а.о.д., вызывает повышение температуры в различных областях а.о.-кристалла. Основные механизмы выделения тепла следующие. Первый – это нагрев области, прилежащей к пьезопреобразователю, в силу потерь на преобразование электричество–звук. Оценки в диапазоне акустической частоты до 100 МГц составляют 2–4 дБ. Второй – затухание (диссипация) в теле кристалла ТеО₂. Диссипация для медленной сдвиговой моды равна 2.4 дБ/см на частоте 100 МГц, поэтому на частоте около 40 МГц при длине кристалла 15 мм такие потери составят около 2 дБ. Третий – выделение тепла на тыльном торце звукопровода – в поглотителе звука.

Особенностью разработанной конструкции а.о.д. является использование технологии отвода тепла от пьезопреобразователя через жидкостный контакт [21–23]. Суть в том, что значительное различие комплексного импеданса для сдвиговых акустических колебаний жидкостей и твердого тела (пьезопреобразователя) обеспечивает акустическую изоляцию последнего от теплоотвода при хорошей передаче тепла. Принципиальная схема конструкции приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема а.о.д. 1 – кристалл TеO₂, 2 – пьезопреобразователь, 3 – жидкостный слой, 4 – тело теплоотвода, 5 – поглотитель отраженной волны.

Внешний вид а.о.д. представлен на рис. 2.

Рис. 2.

Внешний вид а.о.д. Плата электрического согласования снята. 1 – кристалл TеO₂, 2 – латунный корпус, 3 –жидкостный контакт.

Кристалл ТеО₂ (1) приклеен к латунному корпусу 2, и через слой жидкости 3 (d = 5–10 мкм) торец пьезопреобразователя находится в контакте c вертикальной стенкой держателя. В качестве жидкостного слоя используется глицерин – невысыхающая жидкость с малым давлением насыщенного пара при высокой температуре.

Параметры а.о.д. (используемого далее в экспериментах) следующие: пьезопреобразователь сдвиговых колебаний из LiNbO₃ длиной 5 мм и высотой 4 мм, наклон акустического вектора 6° к оси [110]. Технология акустического контакта (акустического согласования преобразователя и ТеО₂) обеспечивала акустическую полосу 20–50 МГц при КСВ < 2 и потери на преобразования 2.4–2.6 дБ.

Длительная эксплуатация данной конструкции показала, что управляющие мощности непрерывного радиосигнала не приводят к деградации дефлектора.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА И УСТАНОВКА

На рис. 3 показаны измеряемые параметры а.о.д.

Рис. 3.

Измеряемые параметры а.о.д. Положительное направление лучей показано знаком “+”.

Излучение I лазера с расходимостью α на выходе а.о.д. преобразуется в лучи нулевого I₀ и дифракционного I₁ порядка с углом межу ними θ. В зависимости от подводимой мощности Р измерялись девиация дифрагированного луча Δθ и его измененная расходимость α₁. Измерения проводились в двух геометрических конфигурациях (см. вставки на рис. 3): I – когда свет падал на набегающий акустический фронт и II – на развернутый на 180° акустический фронт. Тепловая модификация лазерных лучей на выходе а.о.д. измерялась на установке, схема которой представлена на рис. 4.

Рис. 4.

Схема установки. 1 – а.о.д., 2 – линза, 3 – измеритель профиля луча; I – входной луч, I₀ и I₁ – лучи соответственно нулевого и дифракционного порядка дифракции.

Измерялись абсолютные величины светового диаметра D и смещение луча ∆d, данные регистрировались в 2-D и 3-D виде и пересчитывались в углы.

4. ДАННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТА. ЭФФЕКТ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ

Эксперимент с а.о.д. (параметры см. выше) проводился на частоте звука 42 МГц при подводимой непрерывной мощности управления в диапазоне до 5 Вт. Лазерный луч с длиной волны λ = 0.63 мкм на входе а.о.д. имел апертуру 2.5 мм и расходимость α = 0.7 мрад. Полный угол отклонения θ = 41 мрад.

Рис. 5 показывает изменение температуры поверхности кристалла а.о.д. в экспериментальном диапазоне непрерывной мощности управления.

Рис. 5.

Зависимость температуры грани кристалла ТеO₂ от подводимой мощности при точности измерений температуры 3%, мощности – 5%.

На рис. 6 представлено изменение относительного положения дифрагированного луча от температуры кристалла при малых управляющих мощностях (без внутреннего нагрева) [23]. Отметим, что абсолютная величина угла отклонения с ростом температуры уменьшается. Поскольку θ = $\lambda f{\text{/}}{v}$, где f и $v$ – соответственно частота и скорость звуковой волны, это однозначно связано с тем, что с ростом температуры скорость звука возрастает.

Рис. 6.

Зависимость относительной девиации (отклонения) первого брэгговского порядка от температуры кристалла при точности измерений Δθ/α 5%, температуры – 3%.

Дальнейшие измерения проводились в зависимости от подводимой управляющей радиомощности. На рис. 7 показана относительная девиация (отклонение) нулевого и первого брэгговского порядков.

Рис. 7.

Зависимости относительной девиации угла отклонения дифракционного (1) и нулевого (2) порядка от подводимой к а.о.д. электрической мощности: а – свет падает на “набегающий” акустический фронт, б – на “убегающий”. Точность измерений Δθ/α 10%, P – 5%.

Абсолютная девиация дифракционного порядка составила ≈0.06 мрад/Вт (для случая на рис.7а) и ≈0.1 мрад/Вт (для случая на рис. 7б).

На рис. 8 представлена зависимость относительного уширения дифрагированного луча от подводимой мощности управления. Абсолютное уширение составило (в линейном приближении зависимости) ≈0.35 мрад/Вт.

Рис. 8.

Относительное уширение дифрагированного луча при точности измерений α₁/α 10%, мощности – 5%.

Анализ результатов показывает, что наблюдаемая зависимость углового положения лучей от мощности ультразвука линейна и имеет специфические особенности. Первая – это различие знака отклонения нулевого и 1-го дифракционных порядков для противоположных положений а.о.д. относительно падающего луча (0 или 180°). Вторая особенность – различие абсолютных величин температурной девиации 1-го дифракционного порядка для противоположных положений а.о.д. Существенно, что при равных мощностях сигнала отношение девиаций оставляет ~1.5 и, по сути, является эффектом компенсации температурной зависимости угла отклонения.

Качественное объяснение наблюдаемым эффектам следующее. Пренебрегая затуханием звука в ТеО₂, положим, что основной источник тепла – область кристалла вблизи преобразователя. Рассмотрим два независимых температурных механизма, приводящих к изменению угловых положений лучей на выходе а.о.д. Первый – это положительное температурное изменение оптической плотности [24]. Вследствие того что нагрев максимален около преобразователя и спадает при удалении от него, объем кристалла можно представить в виде оптического клина – более оптически плотного у преобразователя и менее – при удалении от него.

Следовательно, отклонение луча (по этому механизму) будет происходить в сторону основания клина, т.е. в сторону преобразователя (см. вставки I и II на рис. 3), величину отклонения обозначим как Δθ_к. Данное воздействие происходит как на падающий луч, так и на дифрагированный с одним знаком отклонения: на рис. 7а – против угла дифракции, на рис. 7б – в направлении дифракции.

Второй механизм – это изменение (увеличение) скорости звука, которое влияет только на дифрагированный луч, уменьшая угол дифракции на величину Δθ_т. Таким образом, в зависимости от положения а.о.д. относительно падающего луча лазера суммарная величина девиации первого порядка дифракции составит: Δθ = Δθ_к – Δθ_т (см. рис. 7а) и Δθ = Δθ_к + Δθ_т (см. рис. 7б).

Обнаруженный эффект можно охарактеризовать как внутреннюю компенсацию тепловой зависимости положения дифрагированного луча и следует учитывать (использовать) при конструировании систем, содержащих а.о.д. на основе ТеО₂.

Также наблюдается линейно-зависимое от мощности звука уширение дифрагированного порядка, причиной которого является оптическая неоднородность кристалла в области а.о.-взаимодействия, что также необходимо учитывать.

ВЫВОДЫ

1. Разработана конструкция а.о.д. на основе кристалла ТеО₂ с отводом тепла от тыльной поверхности пьезопреобразователя через тонкий жидкостный контакт, который обеспечивает хороший отвод тепла при акустической изоляции. Конструкция обеспечивает возможность непрерывной работы при управляющей мощности до 5 Вт. Это позволяет существенно уменьшить длину преобразователя, что расширяет полосу сканирования а.о.д.

2. Измерена зависимость углового положения дифрагированного излучения от управляющей радиомощности и получены соотношения между величиной тепловой девиации и уровнем мощности. Установлено, что величина отклонения зависит от расположения а.о.д. относительно входного лазерного луча (0 или 180°), что имеет значение для повышения стабильности параметров устройств на основе а.о.д.