Акустооптичний модулятор

Реферат: Винахід належить 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. Акустооптичний модулятор складається з джерела світлового випромінювання, генератора високочастотних електричних сигналів, амплітудного модулятора, звукопроводу, до одного кінця якого приєднаний п'єзоперетворювач, а з другого - поглинач, та фотоприймача, як матеріал звукопроводу використане скло літій-цезієвого борату. Це дало можливість підвищити ефективність та спростити технологію виготовлення акустооптичного модулятора. UA 105356 C2 (12) UA 105356 C2 UA 105356 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить 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, ніобат літію, молібдат свинцю, халькогенідне скло. 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 спектра (0,4-4,5 мкм - ніобат літію, 0,35-5,0 мкм парателурит, 0,42-5,5 мкм - молібдат свинцю, 0,6-11,5 мкм - халькогенідне скло (As2S3)) вони не можуть використовуватись в ультрафіолетовій області спектра. Відомий акустооптичний модулятор, який використовується в ультрафіолетовій області спектра [Naoya Uchida and Nobukazu Niizeki. Acoustooptic Deflection Materials and Techniques.//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 фотоприймача, звукопровід якого виготовлено з кристалу дигідрофосфату калію (KDP). Область прозорості кристалів дигідрофосфату калію - (0,25-1,7) мкм, коефіцієнт -15 3 акустооптичної якості - М2=1,91 × 10 с /кг. Значення порогової променевої стійкості цього 13 2 кристала становить (0,4-14)х10 Вт/м [Никогосян Д. Н. Новый перспективный кристалл бетаборат бария для нелинейной оптики.//Электронная техника. Сер. Лазерная техника и оптоэлектроника. Вып. 2(54), 1980. - с. 3-13]. Найбільш близьким за технічною суттю - прототипом - є 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 фотоприймача, звукопровід якого виготовлено з плавленого кварцу. Область прозорості плавленого кварцу 0,2-4,5 мкм, коефіцієнт -15 3 акустооптичної якості матеріалу - М2=1,56 × 10 с /кг для поздовжньої акустичної хвилі та -15 3 М2=0,47 × 10 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]. В основу винаходу поставлена задача вдосконалити акустооптичний модулятор шляхом використання нового акустооптичного матеріалу, що дозволить підвищити ефективність модулятора та спростити технологію його виготовлення. Поставлена задача 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 фотоприймача, звукопровід виготовляють у вигляді паралелепіпеда із боратного скла літій-цезієвого борату (LiCsB6O10). Боратні стекла літій-цезієвого борату є прозорими в широкому спектральному діапазоні (0,22 3,0) мкм і мають високу променеву стійкість (28 GW/cm ). Але технологічно отримувати скло літій-цезієвого борату значно простіше і дешевше, ніж монокристали та плавлений кварц. Скло літій-цезієвого борату ніколи не використовувалося як акустооптичний матеріал. У випадку росту якісних монокристалів із стехіометричного розплаву прямим методом Чохральського процес триває 5-14 діб. Тоді як отримання якісного оптичного боратного скла займає 1-2 доби. Основним критерієм ефективності акустооптичного матеріалу є коефіцієнт акустооптичної якості 2 6 3 M2=p eфn /  v , (1) де peф - ефективний пружнооптичний коефіцієнт, n - показник заломлення, ρ - густина матеріалу, v - швидкість звукової хвилі в кристалі (склі) [Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л. Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985. - 280 с]. Авторами запропоновано використати скло літій-цезієвого борату для виготовлення звукопроводу акустооптичного модулятора. Проведені дослідження акустичних та пружнооптичних властивостей скла LiCsB6O10 показали, що ці стекла можуть бути використані як ефективний матеріал для виготовлення акустооптичного модулятора, оскільки вони мають малі швидкості поширення звукових хвиль та невелику густину. Наприклад, густина скла літій 1 UA 105356 C2 5 3 цезієвого борату  = 2600 кг/м , показник заломлення n=1,527, швидкість поперечної звукової хвилі, яка поширюється в LiCsB6O10 становить v=2516 м/с; ефективний пружнооптичний коефіцієнт рівний реф = 0,67±0,19. Коефіцієнт акустооптичної якості літій-цезієвого скла, -15 3 розрахований за формулою (1), становить М2 = (137±78)х10 с /кг, що перевищує відповідний коефіцієнт для плавленого кварцу. Акустооптичні властивості літій-цезієвого скла та деяких інших матеріалів наведені в таблиці. Таблиця Акустооптичні властивості деяких матеріалів Матеріал Область прозорості мкм Густина,  х10-3, 3 кг/м Показник заломлення, n  мкм Плавл. кварц 0,2-4,5 2200 1,457 0,63 0,35-5 6000 2,26 2,412 2,26 2,29 0,63 ТеО2 4630 LiNbO3 РbМоО4 15 20 25 30 35 0,42-5,5 KDP ВВО Халькогенідне скло As2S3 Скло LiCsB6O10 10 0,4-4,5 0,25-1,7 0,2-3,5 2340 3840 2,262 2,386 1,51 1,6673 0,6-11,5 3200 2,61 0,2-3,0 2600 1,527 6950 Тип Швидкість -15 М2 × 10 акустичної звуку, 3 c /кг хвилі м/с Поздовж. Попер. Поздовж. Поздовж. Попер. Поздовж. Попер. 5960 3760 4200 0,63 Поздовж. 3630 0,63 0,63 Поздовж. Попер. 5500 880 1,56 0,47 34,5 25,6 1200 7,0 2,92 36,3 36,1 1,91 28,57 0,63 Поздовж. 2600 0,433 0,63 Попер. 2516 137 0,63 616 6570 3590 На кресленні 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 фотоприймача 7. Звукопровід 5 акустооптичного модулятора виготовлений з літій-цезієвого скла у вигляді призми. Грані звукопроводу, через які проходить світло, поліруються по 14-му класу з площинністю не гірше 0,15 мкм. П'єзоперетворювач 4 приєднаний до грані скла і збуджує в ньому поперечну звукову хвилю. Для забезпечення режиму біжучої хвилі грань звукопроводу, протилежна до п'єзоперетворювача (поглинач 6), скошується під кутом 2-6°. Поперечна звукова хвиля збуджується п'єзоперетворювачем з ніобату 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 ін.) та інших способів приєднання п'єзоперетворювача до звукопроводу (склейка, термокомпресійна зварка та ін.). Акустооптичний модулятор працює так. Електричні сигнали з високочастотного генератора 2 модулюються по амплітуді за допомогою модулятора 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. 2 UA 105356 C2 5 10 Інформаційним пучком може бути і невідхилений пучок, інтенсивність якого змінюється в протифазі до амплітуди пружної хвилі. залежно 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 скло літійцезієвого борату є прозорим в широкому (0,2-3,0 мкм) спектральному діапазоні, має в 100 разів 13 2 вищий, ніж прототип, коефіцієнт акустооптичної якості М2 та променеву стійкість 28 × 10 Вт/м . Викладені матеріали доводять, що шляхом використання для звукопроводу скла літій-цезієвого борату можна отримати передбачуваний технічний результат, а саме підвищити ефективність і спростити технологію виготовлення акустооптичного модулятора для модуляції надпотужного лазерного випромінювання в широкому спектральному діапазоні. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 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 фотоприймача, який відрізняється тим, що звукопровід виготовляють зі скла літій-цезієвого борату. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3