close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...акустооптических приборов c трансформацией упругих волн

код для вставкиСкачать
Разработка акустооптических приборов
c трансформацией упругих волн
Поликарпова Н.В., Волошинов В.Б.
Физический факультет, МГУ им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Россия; E-mail: [email protected]
Красновидово - 2014
Акустооптическое устройство
Акустооптическая ячейка на основе
кристалла парателлурита
АО ячейка
Акустооптическая ячейка
TeO2
Падающий луч
Продифрагировавший
луч
B
n(r,t)
Прошедший луч
Электрический сигнал
Пьезопреобразователь
•Создается из пьезоэлектрического кристалла
•Наиболее распространен
ниобат лития - LiNbO3
Нанесены металлические электроды
Сигнал, поданный на электроды, вызывает
колебания пьезокристалла
Акустооптическая ячейка
TeO2
Падающий луч
Продифрагировавший
луч
B
n(r,t)
Прошедший луч
Электрический сигнал
Поверхности обратных скоростей
в кристалле парателлурита
Поверхности обратных скоростей в плоскости XY
кристалла парателлурита
Y
1/VS
0.1
1/Vl
0.1
0
VL min = 3317 m / s
0.5
0.1
VL max = 4467 m / s
VS min = 616 m / s
VS max = 3050 m / s
0.15
Поверхности медленностей в плоскости (110)
кристалла парателлурита
[001]
1/VS1
0
1/Vl
0.5
1/VS2
1.0
1.5
10-5s/cm
[110]
VS2 min = 616 m / s
VS2 max = 2121 m / s
Возбуждение медленных сдвиговых волн в
кристалле парателлурита
Изготовление механического акустического
контакта между пьезопластинкой и кристаллом
оказывается непростым
При создании фильтров возникают
трудности из-за разницы акустических
импедансов материала преобразователя
(LiNbO3) и кристалла (ТеО2)
Акустический импеданс z = r * V,
где r -  
V – фазовая скорость акустической волны
Просветление в оптике – уменьшение
отражения света от поверхности в
результате нанесения на нее специальной
пленки
Назначение: улучшение качества
оптических приборов, уменьшение доли
отражаемой энергии
света от поверхности оптических стекол
У таких материалов, как LiNbO3 и TeO2, акустические
импедансы отличаются в 5-6 раз, что не позволяет
получить эффективное прохождение акустических
волн через склейку
LiNbO3
V = 4.8 * 105 см/с, r = 4.7 г/см3
Акустический импеданс:
z = r * V = 23 *105 г/cм2с
TeO2
Сдвиговая волна
V = 0.6 * 105 см/с, r = 6.0 г/см3
Акустический импеданс:
z = r * V = 3.6 *105 г/cм2с
TeO2
Продольная волна
V = 4.5 * 105 см/с, r = 6.0 г/см3
Акустический импеданс:
z = r * V = 27 *105 г/cм2с
Большая статическая емкость
(Согласование электрических параметров
пьезопреобразователя и генератора
высокочастотных колебаний
становится сложной технической задачей )
Преобразователь является резонансным - частота
определяется толщиной пьезопластинки
d = L / 2 = V / 2f
Чем выше значение частоты ультразвука f,
тем тоньше изготавливается преобразователь,
и тем больше оказывается его статическая емкость
d
C0= e S / 4pd,
где
e - диэлектрическая проницаемость,
S - площадь
e
S
Указанные трудности можно в значительной
степени обойти,
если возбуждать в парателлурите
продольные акустические волны,
а затем осуществить трансформацию
акустических мод из
продольной моды L в сдвиговую моду S.
Трансформация происходит при отражении
продольной волны ультразвука от свободной
границы раздела кристалл-вакуум
Коллинеарный фильтр
с оптическим отражением
[110]
Id
Io
[001]
Акустооптический фильтр
с акустическим отражением
[110]
I0
[001]
d
Id

D
Возбуждение ультразвука в кристалле
с большой акустической анизотропией
Возбуждение ультразвука в кристалле
с большой акустической анизотропией
Возбуждение ультразвука в кристалле
с большой акустической анизотропией
Распространение акустической волны с углом
между фазовой и групповой скоростью  = 740
Vф
 = 74 0
Преобразователь
Vгр
Vгр
900
TeO2
Изотропная
среда
Зависимость обратной скорости от направления распространения
звуковой волны в кристалле парателлурита
 = 74 0
Vф
Vгр
900
TeO2
Картина Шефера-Бергмана в кристалле парателлурита
(длина волны света 0.63 мкм)
Методическая разработка к задаче “Акустооптические методы исследования распространения упругих волн в
кристалле парателлурита”, физический факультет МГУ
Произвольный случай
отражения
TeO2
Отраженная
волна
Vg3
Падающая волна
D3

K1
Вакуум
Отраженная
волна
K3
D2

K2
Vg2
Vg1
TeO2
D3 = 56.6°
R3 = 0.95
D2 = 162.3°
R2 = 0.05
D3
D2
 = 5°

K1

 = 41°
Трансформация продольной волны
ультразвука в сдвиговую акустическую
моду при отражении от свободной
границы раздела кристалл-вакуум
TeO2
Система координат, связанная с кристаллом
TeO2
Поверхности обратных скоростей
в плоскости XY
кристалла парателлурита
TeO2 Падающая волна продольная направлена
вдоль направления [1-10]
TeO2
Плоскость (1-10) кристалла парателлурита
TeO2
Поверхности обратных скоростей
в плоскости (1-10)
в кристалле парателлурита
Отраженная квазипоперечная волна
в плоскости (1-10) в кристалле парателлурита
R3
R2
R1
j=7
0
[110]
Угол отражения по отношению к направлению [1-10] j = 7 0 (V = 664 м/с)
Коэффициент отражения для квазипоперечной волны равен 90%
Коэффициенты отражения в зависимости от угла j
R
1.0
R1
0.8
0.6
0.4
0.2
R3
0
R2
300
600
900
j
TeO2
Волновые векторы
падающей и отраженной волн
Плоскость акустического отражения
Поверхности обратных скоростей в
кристалле парателлурита
Поверхности обратных скоростей в
кристалле парателлурита
Наклонная граница, при которой
наблюдается необходимая
отраженная волна
Угол наклона относительно [0-10]  = 8.4 0
Наклонная граница, при которой
наблюдается необходимая
отраженная волна
Вспомогательные плоскости
Вспомогательные плоскости
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
TeO2
Общая схема отражения
Коэффициент отражения для квазипоперечной волны близок к 100%
Коэффициенты отражения в зависимости от угла j
R
1.0
R1
0.8
0.6
0.4
0.2
R3
0
R2
300
600
900
j
Частотная характеристика преобразователя
Коэффициент передачи энергии
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
50 55 60
65 70
75 80 85
90 95 100 105 110 115 120 125
f, МГц
Акустооптическая ячейка
Преобразователь
Визуализация отраженного
акустического пучка
Преобразователь
Dependence of Bragg angle on frequency
"o" - wave, +1 - order; "o" - wave, -1 - order;
"e" - wave, -1 - order; "e" - wave, +1 - order;
Зависимость угла Брэгга от частоты
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160

140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-1 - "e"
+1 - "o"
-1 - "o"
30
40
50
60
+1 - "e"
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
f,MHz
Минимальное значение частоты f = 92.46 MHz (Для “o”-волны).
Точка пересечения “o” волн f = 144.73 MHz.
Минимальное значение частоты f = 92.34 MHz (Для “e”-волны).
Точка пересечения “o” и “e” волн f = 92.78 MHz.
Зависимость интенсивности дифракции от частоты
(для “o” – волны)
l = 0.63 мкм
f = 92.4 МГц
Df = 1.2 МГц
Полоса пропускания Dl = 82 A
Преобразование мод в кристалле ТеО2
Эффективность дифрагированного света
для квазисдвиговой акустической волны
Нулевой порядок
Первый порядок
Эффективность дифракции 80%
Эффективность дифрагированного света
для квазипродольной акустической волны
Нулевой порядок
Первый порядок
Эффективность дифракции 1.3 %
Коэффициенты акустооптического
качества
 pl
Эффективность дифракции I = siп 
 l соs
2
PM
2S




М – коэффициент акустооптического качества [10-15 с3/кг]
M=
2
pэфф
n6
rV3
Коэффициенты отражения волн
Коэффициент отражения R
N
Теория
Эксперимент
2a
Отраженная
1
квазипоперечная
волна
0,9
Отраженная 2b
квазипродольная
1a
волна
PQS/PQL= 6,7 + 0,15
0,1
Хорошее совпадение !
Выводы
•
Метод трансформации продольной волны ультразвука в сдвиговую
моду является эффективным способом возбуждения в парателлурите
медленной упругой волны вдоль направления [110].
•
Энергетический коэффициент отражения монотонно возрастает в
плоскости (110) от 90 % до 100 % при распространении волны от оси
[110] до [001].
•
Основные потери при преобразовании волн связаны с возбуждением
паразитных мод: до 10 % энергии уходит в квазипродольную
акустическую моду. Быстрая квазипоперечная мода не вносит
существенного вклада в формирование акустического поля.
•
Создана акустооптическая ячейка с трансформацией акустических мод.
Эксперимент качественно подтвердил вывод теории об эффективности
подобной трансформации в кристалле парателлурита.
•
Метод возбуждения волн может быть рекомендован для создания
модуляторов, дефлекторов и фильтров с медленной сдвиговой
акустической волной.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа