Пристрій для високочастотного відхилення оптичного променя

Пристрій для високочастотного відхилення оптичного променя, що містить основний елемент у вигляді біморфного елемента, утвореного п'єзокерамічними елементами, що з'єднані між собою і консольно закріплені, а на їх торці закріплений відбивач (дзеркало), на п'єзокерамічних елемен 3 42090 4 вань другого дзеркала, N - кількість світових проевості протягом значного часу (10-15 років). Крім кційних точок по вертикалі. Блок керування з'єднацього п'єзоелектричні пристрої відхилення світовоний з першим і другим електромагнітами і лазего променя (дефлектори) можуть відповідати виром. Лазер включається і виключається під час могам мікросистемних технологій, тобто можуть коливань першого і другого дзеркал для утворення бути виконані у вигляді мікромеханічних систем. світових проекційних точок [2]. При цьому у таких систем різко підвищується Недоліками наведеного електромагнітного швидкодія (від сотень тисяч до мільйонів зміни пристрою для відхилення дзеркала є всі ті ж недознака кута відхилення відбиваючого дзеркала в ліки, що і в пристрої раніше наведеному. секунду), вони стійкі до вібрацій та перевантажень, Відомий пристрій, який має твердотільний вибільш економічні і мають значний термін викорисконавчий елемент у вигляді сегнетокерамічного тання. стержня з хрестоподібним розрізом закріпленим Поставлена задача вирішується тим, що оснона основі з кільцевим поворотним елементом, що вний елемент пристрою виконаний у вигляді мозакріплений на периферійній частині зріза стержнолітного стержня із поляризованої п'єзоелектричня. Стержень містить чотири з'єднані між собою ної, кераміки на взаємно протилежних, бокових елементи з кутовим поперечним зрізом, а на повеповерхнях якого розташовані попарно, на всю дорхнях утворюючих пластин нанесені зовнішні елевжину стержня, електроди, що з'єднані з джерелом ктроди. Електроди на поверхнях механічного з'єдзмінного струму, а відбивач (дзеркало) оптичного нання всіх кутових елементів електрично з'єднані і випромінювання розміщений на зрізі одного із кутів утворюють внутрішній електрод стержня. Зовнішні торця стержня, причому нахил площини відбивача електроди стержня електрично з'єднані так, що до площини торця стержня знаходиться під кутом утворюють дві вісесиметричні системи, які підклю45°. чені до виходу двохканального джерела. ВнутріВиходячи із зазначеного, саме поєднання нашній електрод підключений до загального виводу ведених ознак і сукупність суттєвих ознак приджерела керування напругою. Кільцевий поворотстрою забезпечує істотне збільшення амплітуди ний елемент механічно з'єднаний з робочим оргакута відхилення оптичного променя. ном [3]. Суть запропонованої корисної моделі пояснюНедоліками наведеного пристрою є те, що виється кресленнями, що зображені на: Фіг. 1 - Струконуючий елемент його виконаний із сегнетоелекктурна схема пристрою (а) та схема електричної трика, який характеризується низькою ефективніскомутації (б) електродів дефлектора оптичних тю перетворення електричних сигналів у механічні променів з використанням пружних коливань подеформації, а крім цього конструкція наведеного перечного згинання. дефлектора містить декілька елементів. Тільки по Фіг. 2 - Схема відхилення оптичного променя. цій причині його не можна називати "твердотілим" Фіг. 3 - Залежність кута відхилення відбивача тобто монолітним. Наявність з'єднаних декількох оптичного променя від кругової частоти зміни знаелементів у конструкції знижує надійність, швидка різниці електричних потенціалів. кодійність і виключає можливість використання в Фіг. 4 - Залежність частоти першого резонансу мікросистемних технологіях. від довжини стержня із п'єзокераміки ЦТС - 19 (d=1 Найбільш близьким пристроєм, який застосомм). вується за тим же призначенням, що і заявлений, є Фіг. 5 - Прогин консольної балки на перших пристрій, що включає відбивач який з'єднаний з трьох резонансних частотах. біморфним п'єзокерамічним двокоординатним Стержневий високочастотний дефлектор опприводом з системою електродів з'єднаних з блотичного випромінювання (Фіг. 1) являє собою тонком керування [4]. Зазначений пристрій вибраний у кий призматичний стержень 1 прямокутного попеякості прототипа. речного перерізу з поляризованої п'єзоелектричної У наведеному пристрої, використовується мікераміки. Напрямок поляризації матеріалу стержня німальна кількість елементів для забезпечення показане на Фіг. 1. На дві поверхні стержня 1 х3=±h відхилення відбиваючого дзеркала, що є неодміннанесені пара електродів 3. Електроди 3 підклюною умовою використання пристрою в мікросистечені до джерела гармонійно змінюючого в часі різмних технологіях. ниці, електричних потенціалів u(t ) = U 0 e iwt ( U0 До причин, що перешкоджають досягненню очікуваного технічного результату при використанамплітуда; i = - 1 ; w - кругова частота; t - час). ні відомого пристрою відноситься те, що його виНа зрізі одного із кутів торця стержня 1, виконаний конуючий елемент виконаний із двох клеєних п'ємініатюрний відбивач (дзеркало) оптичного випрозоелектричних елементів. Клеєні п'єзоелектричні мінювання 2 причому нахил площини відбивача до елементи з часом змінюють свої властивості та площини торця стержня знаходиться під кутом 45°. обмежують швидкодію пристроїв. Це свідчить про Поворот мініатюрного відбивача оптичного те, що прототип має низький рівень надійності, променя 2 (Фіг. 1) відбувається в результаті колималу швидкодію (не більше 20 кГц - двадцять тивань поперечного вигину стержня 1, що виготовсяч змін знака кута відхилення відбиваючого дзерлений з п'єзоелектричної кераміки і жорстко закрікала в секунду), а значить не може бути викорисплений лівим торцем в абсолютно нерухомій таний в мікросистемних технологіях. підставі 4. П'єзоелектричні пристрої для відхилення відОскільки мова йде про частоти зміни знака кубиваючого дзеркала характеризуються більшою та повороту світлового променя порядку одиниць надійністю (у порівнянні з раніше наведеними) кілогерц то єдиним способом порушення коливань мають високу швидкодію і зберігають свої власти 5 42090 6 поперечного вигину в стержні 1 є зворотний п'єзоcE cE електричний ефект. YE = 12 æ cE c E - c E cE ö + cE + 23 æ cE cE - cE cE ö , ç 12 23 22 12 ÷ 22 D ç 12 12 11 23 ÷ ø ø D0 è 0 è Із цієї причини стержень прямокутного поперечного перерізу виготовляється з кераміки ЦТС E c E - c E c E ; w - прогин консольно де D 0 = c 12 12 11 22 (цирконат титанат свинцю). На поверхні х1=±b стезакріпленого стержня (відхилення вигнутої осі від ржня по всій довжині L наносяться методом вжи) первісного, недеформованого, положення); e12 гання срібної пасти по два електроди 3 з кожної сторони. Між електродами залишається вузький наведений п'єзомодуль - його числове значення проміжок шириною 2d. Після цього матеріал стервизначається через довідкові величини в такий жня 1 поляризують постійним електричним полем спосіб: напруженістю порядку 2 МВ/м у напрямку коордиcE cE ) натної осі Ох1. e12 = e12 - 12 æ cE e11 - cE e12 ö - 23 æ cE e12 - c E e11 ö , ÷ ç ÷ ç 22 12 12 ø ø D0 è 11 D0 è Робота стержневого дефлектора лазерного випромінювання можуть бути продемонстровані Кут повороту торцевого поперечного перерізу наступним чином. х2=L стержня, чисельно дорівнює куту поворота a Матеріал поляризованого стержня 1 здобуває мініатюрного відбивача оптичного променя визнавластивості п'єзозлектрика гексагональної сингонії чається по формулі: ) з поворотною віссю симетрії шостого порядку оріe U L ¶w (x 2 ) a= = 12 0 F(lL ) , (4) єнтованої уздовж напрямку поляризуючого поля, x 2 =L ¶x 2 Y E db тобто уздовж осі Ох1. При цьому матриця модулів де F((L) - безрозмірна функція, що залежить пружності cE приймає наступний вид: від частоти зміни знака різниці електричних потенab ціалів, причому 0 0 0 cE cE cE sin lL 13 12 11 , (5) F(lL ) = E E (lL )( lLchlL + 1) cos 0 0 0 c c 23 22 де хвильове число l = 4 3r 0 w 2 / æ Y E d 2 ö ; r 0 0 0 0 cE ç ÷ 33 , (1) cE = è ø ab E 0 0 c - щільність матеріалу стержня. 44 Якщо хвильове число l приймає тільки дійсні 0 cE 55 значення, то на деяких частотах wn (n=1, 2, ...) cE знаменник формули (5) звертається в нуль і про66 гини стержня і, відповідно, кути повороту a необде c E = c E ; c E = c E ; c E = c E . межено зростають. Ці частоти прийнято називати 55 33 22 66 13 12 частотами резонансів. Резонансним частотам wn П'єзоелектричні ефекти в стержні 1 визначаються матрицею п'єзомодулів наступного виду: відповідають власні числа l nL = mn . Величини mn e11 e12 e13 0 0 0 мають сенс корінь трансцендентного рівняння (2) 0 0 0 0 e 26 , ekb = 0 cos lLchlL + 1 = 0 . Перші чотири корені мають на0 0 0 0 e 35 0 ступні значення: m1=1,875104; m2=4,6940911; m3=7,874757; m4=10,995541. Тому що в реальних де e12 = e13 і e 26 = e 35 . матеріалах, у тому числі і п'єзоелектриках, існують Якщо електроди, нанесені на бокові поверхні втрати енергії, то прогини стержня і кути повороту стержня 1, підключити до джерела гармонічно змівідбивача оптичного випромінювання на резонансних частотах мають кінцеві значення. У загальнюючої в часі за законом eiwt ( i = - 1 ; w - круному випадку втрати енергії в матеріалі стержня гова частота зміни знака; t - час) електричної наобернено пропорційні добротності Q матеріалу пруги з амплітудним значенням U0 так, як це (довідкова величина; для п'єзокераміки типу ЦТС показано на Фіг. 1, то в стержні 1 виникає згинаю19 параметр Q=60-80). При цьому iwt , що згинає вісь стержня в E Y E (1 + i / Q ) , де Y E - статичний модуль Юнчий момент Mиe Y = 0 0 площині х3Ох2. Амплітудне значення згинаючого га. моменту розраховується по формулі: На Фіг. 2 наведена схема відхилення оптично) го променя, а на Фіг. 3 результати розрахунків кута æ 2 ö ç ¶ w e12U0 ÷ поворота a, які були виконані по формулі (4) для Ми = -Dç (3) ÷, ) ç ¶x 2 Y E db ÷ п'єзокераміки ЦТС - 19 ( r 0 =7440 кг/м3; e12 =-8,38 è 2 ø Кл/м2; Y E =66,3 ГПа; Q=60). де D = 8Y E bd3 / 6 - згинаюча твердість стер0 Геометричні параметри стержня 1 мають наE - модуль Юнга матеріалу стержня в режня; Y ступні значення: d =0,25 мм; L/b=20. Амплітуда жимі сталості напруженості електричного поля; різниці електричних потенціалів U0=10 В. числове значення модуля Юнга визначається чеПо осі ординат на Фіг. 3 відкладені значення рез довідкові величини cE по формулі: кута повороту a у дугових секундах. По осі абсцис ab - числові значення безрозмірної відносної кругової 7 частоти x = 2pf1 / w , де f1 - циклічна частота першого резонансу. Числові значення циклічної частоти f1 від довжини стержня L з п'єзокераміки ЦТС - 19 показані графіком на Фіг. 4. Параметр d=1 мм. Із наведених на Фіг. 4 даних свідчить, що частоти зміни знака кута відхилення оптичного променя понад 2,5 кГц можуть бути досягнуті за умови, що довжина стержня L