Акустооптичний модулятор

Акустооптичний модулятор, що складається з джерела світлового випромінювання, генератора високочастотних електричних сигналів, амплітудного модулятора, звукопроводу, до одного кінця якого приєднаний п'єзоперетворювач, а до другого - поглинач та фотоприймач, який відрізняється тим, що звукопровід виготовлений з кристала бета-борату барію у вигляді паралелепіпеда з гранями, через які проходить світло, перпендикулярними до кристалографічної осі [010], а п'єзоперетворювач приєднаний до грані, перпендикулярної до кристалографічної осі [100] Винахід відноситься до галузі приладобудування, а саме пристроїв для модуляції та керування оптичним випромінюванням і може бути використаний для модуляції надпотужного лазерного випромінювання, для внутрішньо резонаторної модуляції добротності потужних лазерів, в ультрафіолетовій фотолітографії ВІДОМІ акустооптичні модулятори [Балакший В И , Парыгин В Н , Чирков Л Е Физические основы акустооптики — М Радио и связь, 1985 — 280 с ], що містять джерело світлового випромінювання, генератор високочастотних електричних сигналів, амплітудний модулятор, звукопровід, до одного кінця якого приєднаний п'єзоперетворювач, а до другого - поглинач, фотоприймач, в яких для виготовлення звукопроводу використовується парателурит, нюбат ЛІТІЮ, молібдат свинцю Але ці матеріали мають низьку порогову СТІЙКІСТЬ, тому не можуть використовуватись для керування надпотужними джерелами лазерного випромінювання Через те, що ці матеріали є прозорими у видимій та інфрачервоній області спектру (0,4 - 4,5мкм а до другого - поглинач та фотоприймач, звукопровід якого виготовлений з плавленого кварцу, область прозорості якого (0,2 - 4,5) мкм, але цей матеріал має мале значення коефіцієнта акустооптичної якості матеріалу ІУІ2= 1,56x10 15 с3/кг для = 0,47x10 поздовжньої акустичної хвилі та с /кг для поперечної акустичної хвилі [Балакший В И , Парыгин В Н , Чирков Л Е Физические основы акустооптики — М Радио и связь, 1985 — 280 с ] Найбільш близьким за технічною суттю прототипом є акустооптичний модулятор [Naoya Uchida and Nobukazu Nnzeki Acoustooptic Deflection Materials and Techmgues //Proceeding of the IEEE, vol 61, N 8, 1973, p 1073 - 1092], що складається з джерела світлового випромінювання, генератора високочастотних електричних сигналів, амплітудного модулятора, звукопроводу, до одного кінця якого приєднаний п'єзоперетворювач, а до другого - поглинач та фотоприймач, звукопровід якого виготовлено з кристалу дипдрофосфату калію (KDP) Область прозорості кристалів дипдрофосфату калію - (0,25 - 1,7) мкм, коефіцієнт акустооптичної якості - Мг = 1,91x10 15 с3/кг Значення порогової променевої СТІЙКОСТІ цього кристалу становить (0,4 - 14)х1013 Вт/м2 [Никогосян Д Н Новый перспективний кристалл бета-борат бария для нелинейной оптики // Электронная техника Сер Лазерная техника и оптоэлектроника Вьп 2(54), 1980, С 3 13] В основу винаходу поставлене завдання вдос нюбат ЛІТІЮ, 0,35 - 5,0 мкм парателурит, 0,42 5,5мкм - молібдат свинцю) вони не можуть використовуватись в ультрафіолетовій області спектру Відомий акустооптичний модулятор для використання в ультрафіолетовій області спектру, який складається з джерела світлового випромінювання, генератора високочастотних електричних сигналів, амплітудного модулятора, звукопроводу, до одного кінця якого приєднаний п'єзоперетворювач, го го ю 53370 коналити акустооптичнии модулятор шляхом використання нового акустооптичного матеріалу, прозорого в ультрафіолетовій області, що дозволить збільшити його променеву СТІЙКІСТЬ та розшириш спектральний діапазон, особливо в ультрафіолетову область Поставлене завдання вирішується тим, що у відомому акустооптичному модуляторі, що складається з джерела світлового випромінювання, генератора високочастотних електричних сигналів, амплітудного модулятора, звукопроводу, до одного кінця якого приєднаний п'єзоперетворювач, а до другого - поглинач та фотоприймач, звукопровід виготовлений з кристала бета-борату барію (ВВО) у вигляді паралелепіпеда з гранями, через які проходить світло перпендикулярними до кристалографічної осі [010], а п'єзоперетворювач приєднаний до грані, перпендикулярної до кристалографічної осі [100] Монокристали бета-борату барію, завдяки прозорості в широкому спектральному діапазоні і насамперед в ультрафіолетовій області - (0,2 - 3,5) мкм [Chen С , Wu В , Jiang F , You G A New Type Ultraviolet SHG Crystal - p - BaB 2 O4 //Scientia Smica, S e r B , 1985, N 3, p 235 -243] та високій променевій СТІЙКОСТІ - (23 - 50)х10 13 Вт/м2, ВІДОМІ ЯК ефективний нелінійно оптичний матеріал, який використовується для параметричної генерації в ультрафіолетовій та видимій областях спектру, особливо для перетворення частоти імпульсного лазерного випромінювання з високою піковою або середньою потужністю [Никогосян Д Н Новьй перспективний кристалл бета-борат бария для нелинейной оптики //Электронная техніка Сер Лазерная техника и оптоэлектроника Вьп 2 (54), 1980, С 3 - 1 3 ] Але ці монокристали ніколи не використовувались як акустооптичнии матеріал чного матеріалу є коефіцієнт акустооптичної якості = р2еФп6/р v3, 0) де реф - ефективний пружньооптичний коефіцієнт, п - показник заломлення, р -густина матеріалу, v - швидкість звукової хвилі в кристалі [Балакший В И , Парыгин В Н , Чирков Л Е Физические основы акустооптики — М Радио и связь, 1985 — 280 с ] Авторами запропоновано використати кристали бета-борату барію для виготовлення звукопроводу акустооптичного модулятора Проведені дослідження акустичних та пружньооптичних властивостей кристалів ВВО [Andrushchak A S , Adamiv V Т , Krupich О М , Martynyuk-Lotoska I Yu , Burak Ya V and Vlokh R О Amsotropy of Piezo- and Elastooptical Effect in p-BaB2O4 Crystals /Ferroelectncs, 2000, Vol 238, p 229 - 305] показали, що ці кристали можуть бути використані як ефективний матеріал для виготовлення акустооптичного модулятора, оскільки вони мають малі швидкості поширення звукових хвиль та невелику густину Наприклад, густина бета-борату барію р = 3840 м/с, показник заломлення п = 1,6673 [ЕітегІ D, Davis І , Velsko S , Graham Е К, Zalkm A Optical, Mechanical and Thermal Properties of Barium Borate//J Appl Phys, 1987, vol 62, N5, p 1968-1983], ШВИДКІСТЬ поперечної звукової хвилі, яка поширюється в напрямку [100] з поляризацією [001] становить v = 880м/с, ефективний пружньооптичний коефіцієнт для світлової хвилі, що поширюється в напрямку [010] рівний різ = -0,059 Коефіцієнт акустооптичної якості кристала бетаборату барію, розрахований за формулою (1), становить М 2 = 28,57x10 15 с3/кг, що перевищує ВІДПОВІДНИЙ коефіцієнт для кристалів KDP Акустооптичні властивості кристалів бета-борату барію та деяких інших матеріалів приведені в таблиці 2 Основним критерієм ефективності акустоопти Таблиця Акустооптичні властивості деяких матеріалів Матеріал Область прозорості, мкм Густина, рхЮ 3 , кг/м3 Показник заломлення, п мкм Плавл кварц ТеО 2 0,2-4,5 2,20 1,457 0,63 0,35-5 6,0 0,63 LiNbO3 0,4-4,5 4,63 2,26 2,412 2,26 2,29 Тип акустичної ХВИЛІ Швидкість звуку, v, м/с М 2 х10 15 , с3/кг РЬМоО4 0,42-5,5 6,95 2,262 0,63 5960 3760 4200 616 6570 1,56 0,47 34,5 25,6 1200 7,0 Попер 0,63 Позд Попер Позд Позд Попер Позд 3590 2,92 Позд 3630 36,3 2,386 36,1 KDP 0,25-1,7 2340 1,51 0,63 Позд 5500 1,91 ВВО 0,2-3,5 3840 1,6673 0,63 Попер 880 28,57 53370 На фіг 1 зображена структурна схема акустооптичного модулятора, де 1 - джерело світлового випромінювання, 2 - генератор високочастотних електричних сигналів, 3 -амплітудний модулятор, 4 - п'єзоперетворювач, 5 -звукопровід, 6 - поглинач, 7 - фотоприймач Акустооптичний модулятор складається з джерела світлового випромінювання 1, генератора високочастотних електричних сигналів 2, амплітудного модулятора 3, звукопроводу 5, до одного кінця якого приєднаний п'єзоперетворювач 4, а до другого - поглинач 6 та фотоприймач 7 Звукопровід 5 акустооптичного модулятора виготовлений з кристалу бета-бороату барію у вигляді паралелепіпеда Грані звукопроводу, через які проходить світло, є перпендикулярними до кристалографічної осі [010] і поліруються по 14-му класу з площинністю не гірше 0,15 мкм П'єзоперетворювач 4 приєднаний до грані перпендикулярної до кристалографічної осі [100] так, що поляризація збудженої ним звукової хвилі паралельна до осі [001] Для забезпечення режиму біжучої хвилі грань звукопроводу, протилежна до п'єзоперетворювача (поглинач 6), скошується під кутом 2° - 6° Для збільшення ефективності поглинання акустичної хвилі до скошеної грані може бути приєднана індієва пластина В залежності від призначення акустооптичного модулятора, для здійснення корекції напрямів поширення вхідного та вихідного променя або вибору швидкості поширення звукової хвилі, можливе виготовлення звукопроводу з гранями, не перпендикулярними до кристалографічних осей Поперечна звукова хвиля збуджується п'єзоперетворювачем з нюбату ЛІТІЮ, вирізаного під кутом 163° до осі Y, який кріпиться до звукопроводу методом холодної вакуумної зварки Однак, для виготовлення п'єзоперетворювача можливе використання інших матеріалів (танталат ЛІТІЮ, йодад ЛІТІЮ, титанат свинцю та ш ) та інших способів приєднання п'єзоперетворювача до звукопроводу (склейка, термокомпресійна зварка та ш) Акустооптичний модулятор працює так Електричні сигнали з високочастотного генератора 2 модулюються по амплітуді за допомогою модуля тора 3 і подаються на п'єзоперетворювач 4, який збуджує в звукопроводі 5 амплітудно-модульовану пружну хвилю Режим біжучих акустичних хвиль забезпечується поглиначем 6 Акустооптичний модулятор працює в режимі дифракції Брега Світловий пучок від лазера 1, який освітлює звукопровід акустоптичного модулятора, частково дифрагує на амплітудно-модульованій пружній хвилі, що поширюється в звукопроводі В результаті дифракції світловий пучок розщеплюється на два світлових пучки - нульового (невідхилений пучок) та першого (відхилений пучок) порядків дифракції Відхилений світловий пучок першого порядку дифракції, інтенсивність якого змінюється синфазно з амплітудою пружної хвилі, є інформаційним пучком і реєструється фотоприймачем 7 Інформаційним пучком може бути і невідхилений пучок, інтенсивність якого змінюється в протифазі до амплітуди пружної хвилі В залежності від призначення акустооптичного модулятора як фотоприймач може бути використане інше чутливе до випромінювання середовище, або довільне середовище, в якому поширюється, заломлюється або від якого відбивається випромінювання (оптичне волокно, елементи оптичної схеми, дзеркала та ін,) З табл та опису видно, що запропонований нами як акустооптичний матеріал кристал бетаборату барію є прозорим в широкому (0,2 - 3,5) мкм спектральному діапазоні і насамперед в ультрафіолетовій області, має в 15 разів вищий, ніж прототип коефіцієнт акустооптичної якості Мг та променеву СТІЙКІСТЬ рівну (23-50)х1013 Вт/м2, що перевищує відповідну характеристикудля кристалів дипдрофосфату калію - (0,4 - 14)х1013 Вт/м2 Викладені матеріали доводять, що шляхом використання для звукопроводу кристалів бета-борату барію можна отримати передбачуваний технічний результат, а саме створити ефективний акустооптичний модулятор, збільшити його променеву СТІЙКІСТЬ та розширити спектральний діапазон і за рахунок цього використовувати акустооптичний модулятор для модуляції надпотужного лазерного випромінювання в широкому спектральному діапазоні, особливо в ультрафіолетовій області спектру 53370 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24