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, на одному торці якого закріплений відбивач (дзер 3 наний з першим і другим електромагнітами і лазером. Лазер включається і виключається під час коливань першого і другого дзеркал для утворення світових проекційних точок [2]. Недоліками наведеного електромагнітного пристрою для відхилення дзеркала є всі ті ж недоліки, що і в пристрої раніше наведеному. Відомий пристрій, який має твердотільний виконавчий елемент у вигляді сегнетокерамічного стержня з хрестоподібним розрізом закріпленим на основі з кільцевим поворотним елементом, що закріплений на периферійній частині зріза стержня. Стержень містить чотири з'єднані між собою елементи з кутовим поперечним зрізом, а на поверхнях утворюючих пластин нанесені зовнішні електроди. Електроди на поверхнях механічного з'єднання всіх кутових елементів електрично з'єднані і утворюють внутрішній електрод стержня. Зовнішні електроди стержня електрично з'єднані так, що утворюють дві вісесиметричні системи, які підключені до виходу двохканального джерела. Внутрішній електрод підключений до загального виводу джерела управління напругою. Кільцевий поворотний елемент механічно з'єднаний з робочим органом [3]. Недоліками наведеного пристрою є те, що виконуючий елемент його виконаний із сегнетоелектрика, який характеризується низькою ефективністю перетворення електричних сигналів у механічні деформації, а крім цього конструкція наведеного дефлектора містить декілька елементів. Тільки по цій причині його не можна називати "твердотілим" тобто монолітним. Наявність з'єднаних декількох елементів у конструкції знижує надійність, швидкодійність і виключає можливість використання в мікросистемних технологіях. Найбільш близьким пристроєм, який забезпечує реалізацію відповідного способу і застосовується за тим же призначенням, що і заявлений, є пристрій, що включає відбивач який з'єднаний з біморфним п'єзокерамічним двокоординатним приводом з системою електродів з'єднаних з блоком управління [4]. Зазначений пристрій вибраний у якості прототипу. У наведеному пристрої, використовується мінімальна кількість елементів для забезпечення відхилення відбиваючого дзеркала, що є неодмінною умовою використання пристрою в мікросистемних технологіях. До причин, що перешкоджають досягненню очікуваного технічного результату при використанні відомого способу і пристрою відноситься те, що у ньому робочий елемент виконаний із двох клеєних п'єзоелектричних елементів. Клеєні п'єзоелектричні елементи з часом змінюють свої властивості та обмежують швидкодію пристроїв. Це свідчить про те, що прототип має низький рівень надійності, малу швидкодію (не більше 20кГц - двадцять тисяч змін знака кута відхилення відбиваючого дзеркала в секунду), а значить не може бути використаний в мікросистемних технологіях. П'єзоелектричні пристрої для відхилення відбиваючого дзеркала характеризуються більшою надійністю (у порівнянні з раніше наведеними) мають високу швидкодію і зберігають свої власти 42789 4 вості протягом значного часу (10-15 років). Крім цього п'єзоелектричні пристрої відхилення світового променя (дефлектори) можуть відповідати вимогам мікросистемних технологій, тобто можуть бути виконані у вигляді мікромеханічних систем. При цьому у таких систем різко підвищується швидкодія (від сотень тисяч до мільйонів зміни знака кута відхилення відбиваючого дзеркала в секунду), вони стійкі до вібрацій та перевантажень, більш економічні і мають значний термін використання. Поставлена задача вирішується тим, що направлення оптичного променя (лазера) здійснюють у напрямку перпендикулярному продольній осі монолітного п'єзокерамічного елемента який під впливом змінного електричного поля здійснює крутильні коливання у площині перпендикулярній своїй продольній осі, а основний елемент виконаний у вигляді монолітного стержня із поляризованої п'єзоелектричної кераміки на взаємно - протилежних, бокових поверхнях якого розташовані, попарно, електроди, що з'єднані з джерелом гармонійно змінюючих в часі різниці, електричних потенціалів, а відбивач (дзеркало) оптичного випромінювання розміщений на боковій поверхні поблизу одного із торців стержня. Виходячи із зазначеного, саме поєднання наведених ознак і сукупність суттєвих ознак способу і пристрою забезпечує підвищення частоти зміни знака кута відхилення оптичного променя. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями, що зображені на: Фіг.1 - Структурна схема способу високочастотного відхилення оптичного променя (а) та стержневого дефлектора лазерного випромінювання. Фіг.2 - Залежність числових значень резонансних частот дефлектора лазерного випромінювання від довжини 2L стержня. Фіг.3 - Залежність числових значень резонансних частот дефлектора лазерного випромінювання від ширини 2a стержня. Фіг.4 - Залежність числових значень резонансних частот дефлектора лазерного випромінювання від висоти 2h стержня. Фіг.5 - Модуль амплітудного значення кута повороту Ф( a , 0, 0) дзеркала дефлектора лазерного випромінювання в межах частоти другого резонансу. Стержневий високочастотний дефлектор оптичного випромінювання (Фіг.1) являє собою тонкий призматичний стержень 1 прямокутного поперечного перерізу з поляризованої п'єзоелектричної кераміки. Напрямок поляризації матеріалу стержня 1 показане на Фіг.1 жирною стрілкою позначеною символом Р. На дві поверхні стержня х3=±h нанесені три пари електродів 2. Електроди 2 підключені до джерела гармонійно змінюючого в часі різниці, електричних потенціалів u(t ) = U0 eiwt ( U0 - амплі туда; i = - 1 ; w - кругова частота; t - час). Поблизу одного з торців стержня 1, на поверхні x1 = a розміщується мініатюрний відбивач (дзеркало) оптичного випромінювання 3. Спосіб високочастотного відхилення оптичного 5 42789 променя та робота стержневого дефлектора лазерного випромінювання можуть бути продемонстровані наступним чином. При підключенні електродів 2 до джерела гармонійно змінюючого в часі різниці, електричних потенціалів в об'ємі стержня 1 і на його поверхні виникають зрушуючі (дотичні) напруги. Напрямок дії цих напруг на поверхнях х3=±h у деякий фіксований момент часу показане на Фіг.1 тонкими стрілками. Сукупна дія зрушуючих шарів стержня 1 приводить до того, що центральна і периферійна частини стержня закручуються навколо його осі симетрії, що сполучена з координатною віссю Ох2 правобічної (фізичної) декартовой системи координат. Напрямки закручування елементів п'єзокерамічного стержня 1 показані на Фіг.1 штриховими стрілками. Якщо на дзеркало 3 направити промінь лазера, орієнтований уздовж координатної осі Ох1, то повороти дзеркала 3, обумовлені поворотами периферійної частини стержня 1, спричинять відхилення лазерного про ( ) меня на кути ± 2j a , x 0 , 0 у площині x1x0 x3 , де 2 2 x0 - координата центра мініатюрного відбивача. 2 При малих амплітудах U0 різниці електричних потенціалів (не більше 150 вольт при поперечному перерізі стержня 1 мм ´ 1 мм) перетворення електричного сигналу в кут повороту мініатюрного дзеркала 3 є лінійним, тому можна вважати, що кут повороту гармонійною функцією часу, тобто ( ) ( ) Ф(a, х , х ) кута повороту відбивача 3 лазерного j a, x0 , x3 , t = Ф a, х0 , х3 eiwt . Амплітудне значення 2 2 0 2 3 випромінювання залежить від фізико - механічних і геометричних параметрів п'єзокерамічного стержня 1. На Фіг.2 наведені графіки модуля функції Ф( a , 0, 0), тобто кута повороту елемента поверхні стержня 1 дефлектора в околиці точки з координатами x1 = a , x 2 = x3 = 0 . Розрахунки проводилися для стержня з п'єзокераміки ЦТС - 19. Втрати в коливальній системі, тобто в дефлекторі, були визначені добротністю Q=60. По осі абсцис відкладається циклічна частота в кілогерцах, по осі ординат - абсолютні значення функції Ф( a , 0, 0) у радіанах. Розрахунки були виконані для розмірів a =h=1 мм, d /L=0,01 і для значення амплітуди різниці електричних потенціалів U0 =10В. Змінним параметром сімейства кривих на Фіг.2 є половина довжини стержня L, що приймалася рівної 40, 50 і 60мм. Чітко видно, що збільшення значень параметра L супроводжується зменшенням значень резонансних частот коливальної системи. Беручи до уваги, що одній дуговій секунді відповідає 4,8481 × 10 -6 радіан, можна говорити, що поворот малої площадки поверхні дефлектора в околиці точки з координатами x1 = a , x 2 = x3 = 0 не перевищує двох - трьох дугових секунд. На Фіг.3 і Фіг.4 представлені числові значення модуля функції Ф( a ,0,0), визначені при різних значеннях ширини і висоти стержня, тобто для різних значень параметрів a і h. На Фіг.2. показа 6 ний вплив параметра a на кут повороту відбивача оптичного випромінювання при фіксованих h=1мм і L=50мм ( d /L=0,01). Збільшення ширини стержня супроводжується збільшенням його твердості на скручування силами, які діють на поверхнях х3=±h. Зрозуміло, що при цьому значення резонансних частот будуть збільшуватися. Крім того, через складну кінематику матеріальних часток у межах площини поперечного перерізу стержня спостерігається перерозподіл енергоємності між різними резонансами. На Фіг.4 показаний вплив параметра h на амплітуду кута відхилення відбивача Ф( a , 0, 0). При цьому фіксованими залишаються ширина a =1 мм, довжина L=50мм і відношення d /L=0,01. Ясно, що при даному способі нагруження стержня, збільшення параметра h супроводжується зменшенням його твердості на скручування і, як наслідок, зменшенням частот резонансів. Зниження рівнів кутів поворотів, що спостерігається на Фіг. 4 з ростом параметра h обумовлено зменшенням напруженості електричного поля в обсязі п приймалася рівної 40, 50 і 60мм. Чітко видно, що збільшення значень параметра L супроводжується зменшенням значень резонансних частот п'єзокерамічного стержня. При виконанні розрахунків, результати яких показані на Фіг.3 і Фіг.4 було зафіксовано значення U0 =10В і Q=60. Матеріал стержня - п'єзокераміка ЦТС - 19. На Фіг.5 показана залежність модуля кута повороту відбивача оптичного випромінювання Ф( a , 0, 0) в околиці частоти другого резонансу від значення добротності Q електромеханічної коливальної системи. Розрахунки були виконані для матеріальних констант п'єзокераміки ЦТС - 19. При цьому U0 =10 В, a =h=1мм, L=50мм і відношення d /L=0,01. По осі абсцис на Фіг.5 відкладається циклічна частота в кілогерцах, по осі ординат на Фіг.5 - модуль функції Ф( a , 0, 0) у дугових секун дах (1"= 4,8481 × 10 -6 радий). Значення добротності електромеханічної системи задавалися в такий спосіб: Q= 20 × 2(n -1) , де n - номер кривої на Фіг.5. Чітко видно, що рівень втрат енергії в електромеханічній коливальній системі повністю визначає ефективність її роботи, тобто максимальні кути поворотів відбиваючих площадок, дефлектора лазерного випромінювання. Оскільки втрати енергії формуються не тільки за рахунок в'язкого тертя в обсязі деформованого стержня, а і за рахунок тертя в опорах, остільки показані на Фіг.5 результати можна розглядати як рекомендації конструкторові - розробнику пристрою - необхідно мінімізувати втрати енергії в місцях кріплення стержня дефлектора. Залишається додати, що зміна надійності в широких межах приводить до несуттєвого (практично непомітного) змінам значень частоти резонансу. Джерела інформації: 1. Патент Російської Федерації №2338231, опуб. 10.11.2008р. 2. Патент Російської Федерації №2275664, 7 опуб. 04.27.2006р. 3. Патент Російської Федерації №2260828, опуб. 20.09.2005р. 42789 8 4. Авторське свідоцтво СРСР №1045205, опуб. 30.09.1983р., бюл. №36. 9 Комп’ютерна верстка О. Рябко 42789 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601