Повна версія

Головна arrow Техніка arrow АКУСТООПТИЧНІ ПРОЦЕСОРИ. АЛГОРИТМИ І ПОХИБКИ ВИМІРЮВАНЬ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ДВУХЛЕПЕСТКОВИХ ВЗАЄМОДІЯ

В даний час в складі акустооптичних СВЧ-пріемніков- частотомеров, спектроаналізаторів, демодуляторів ЧС і ФКМ- сигналів використовуються, в основному, технологічно доступні дефлектори з поверхневим порушенням ультразвуку, зокрема, Егуд на основі LiNb0 3 , з пьезопреобразователем у вигляді решітки протифазних електродів типу зустрічно-штирьових (ВШП) [27, 64].

Недоліком цих Егуд є те, що в них корисно використовується лише частина генерується ультразвукової потужності при організації дифракції світла тільки на одному з двох основних пелюсток діаграми спрямованості (ДН) збуджується ВШП звуку. При цьому сумарні звукові втрати перевищують - 3 дБ [65].

У даному розділі представлені результати дослідження конфігурації АОП СВЧ-діапазону довжин хвиль на основі Егуд з ВШП, в якому, поряд з розширенням смуги робочих частот, забезпечені умови для кращої ефективності акустоопгіческого взаємодії.

Для застосовуваного в складі АОП дефлектора з ВШП характерні наступні особливості [1, 2, 651. У светозвукопроводе Егуд (наприклад, кристалі LiNb0 3 Z зрізу) діаграма спрямованості ультразвуку в напрямку Z складається з двох основних пелюсток шириною по

рівню 4 / л - , рівній Дф = V / fL, кути відхилення яких (від нормалі до площини розташування ВШП) змінюються з частотою сигналу f відповідно до ф, = V / i'd, де V - швидкість об'ємних ультразвукових хвиль, L - протяжність решітки ВШП, d - електричний період розташування електродів ВШП.

Частотний хід одного з пелюсток може бути представлений у вигляді

Величиною коефіцієнта до визначаються «краю» ДН збуджується звуку але заданим рівнем {sine 2 (l / k)} його інтенсивності.

При падінні на даний пелюстка лазерного випромінювання (з довжиною хвилі в вакуумі А, 0 ) під кутом 9 П |, близьким до кута Брегга 0 Б = A. 0 f / 2nV (п - показник заломлення светозвукопровода), або під подвоєним кутом Брегга по відношенню до межі светозвукопровода, в Егуд має місце режим дифракції, коли в смузі робочих частот Af кут 9 П1 автоматично «підлаштовується» під оптимальний,

рівний | б Б |.

Однак ця автоподстройка кута ф, до енергетично оптимальному куті 0 Б не є повною. Для точного виконання умови, при якому кут падіння світла завжди відповідав би бреггівськими, траєкторія частотного сканування цього пелюстки ДН повинна описуватися функцією

де f 0 - задана (обрана) частота найбільш ефективного АТ-взаємодії.

Всі названі залежності: ф ь = ф (С), ф н = ф (С), ф, = ф (() і Фо = ф (0 якісно представлені на рис. 4.4, причому пряма

0 = (p (f) проведена через дві характерні точки, одна з яких є точкою, як згадувалося вище, оптимального АТ- взаємодії (на частоті f 0 ), а друга точка отримана з умови, при якому (р 0 = cp (f ) є дотичною до функції (р н на частоті

f T .

Мал. 4.4

Як випливає з малюнка, саме в цьому випадку смуга робочих частот Егуд Af = f 2 -f] по заданому функціями 9 L (f) і (p H (f) рівню нерівномірності дифракційної ефективності буде максимальною.

Значення f T може бути знайдено з рішення рівняння Фо (0-Фн (0 = ° за умови, що f T є його єдиним коренем:

Граничні частоти f, і f 2 знаходяться з рівнянняL (f) = 0:

З (4.4) отримуємо розрахункову формулу для смуги частот Егуд:

а вираз для величини періоду ВШП, що є гарантією максимуму смуги Д ( '(при заданих ^. 0 , k, L, V, f ( ), можна також знайти з рішення рівняння (p () (f) = cp H (f) :

Співвідношення для f 0 випливає з (4.6):

Відзначимо, що представлений вище аналіз, що бере свій початок в роботі [65], справедливий для довільних до; якщо ж нерівномірність ЛЧХ Егуд задати на рівні 4 / л 2 (-4 дБ, к = 2), то (4.3) - (4.7) переходять в аналогічні формули роботи [1].

З даного розгляду випливає, що при виборі періоду ВШП і його протяжності L, а отже фактичного завдання частотного ходу гіпербол (p M (f) іL (f), місце розташування смуги пропускання Егуд на частотної осі і її абсолютне значення буде визначатися величинами і f 0 [12, 66J.

Останнє ілюструється рис. 4.5.

Мал. 4.5

На цьому малюнку функції ф н = ф (1 ") і ф ь = ф (С) побудовані відповідно до (4.1), а залежно Ф01 (f) і Фос! ^) 'Визначаються як

побудовані для двох різних Х 0! , А. () 2 і відповідно, різних f ()] і f 0 2, вираження для яких слідують з (4.7):

При цьому смуги Af | 2 поблизу кожної з f 0 i і f 02 дорівнюватимуть

а по заданій нерівномірності АЧХ вони будуть обмежуватися частотами f | | , F | 9 І f ^],.

Таким чином, ідея одночасного використання двох пелюсток ДН ВШП полягає в тому, що на кожен з них необхідно організувати подачу йод кутами 8 В1 =? L 0 | f 0) / 2V, ®Б2 - ^ - 02 ^ 02/2 ^ лазерного випромінювання від двох джерел з довжинами хвиль А. 01 і Я. 02 .

Для того щоб сумарна смуга робочих частот АОПЧ була безперервною (і максимальної) Afy = Af, + Af 2 , необхідно вимагати рівності граничних частот f ] 2 і f 2 |. Останнє може бути забезпечено, якщо значення ^, 0 ( і А. 02 будуть взаємопов'язані за допомогою

Ця ситуація представлена на рис. 4.6.

Конфігурація акустооптичного частотоміра, що використовує в своєму складі Егуд з ВШП, в якому організована дифракція одночасно на двох пелюстках ДН збуджується в його тілі ультразвуку, наведена на рис. 4.7. Дана схема не відрізняється від традиційної за тим винятком, що в ній використовується другий лазерний джерело з довжиною хвилі Я-02, що відрізняється від довжини хвилі першого лазера А, 01 , а також використовується друга інтегруюча лінза Л2 і друга лінійка фотоприйомних пристроїв ФПУ 2.

Оскільки в схемі рис. 4.7 використовуються однакові ПЗС- лінійки з однаковою довжиною W, фокусні відстані лінз Л1, Л2 повинні вибиратися з умови

А з метою реалізації в обох каналах АОП однакового частотного дозволу співвідношення апертур D, / D 2 падаючих світлових пучків має бути

Мал. 4.6

Слід зазначити, що для зменшення впливу «повторної» дифракції просвітлювати необхідно відповідні межі I і 2 Егуд кожну для «своєї» довжини хвилі, причому нс повністю, а на ділянках aib, і а 2 Ь 2 (рис. 4.7) [671.

Наведемо результати розрахунку основних параметрів АОП, необхідних для реалізації в ньому Af y , що дорівнює 1500 МГц. Вихідні дані для розрахунку: V = 3590 м / с; показник заломлення LiNbO? п = 2,23; два значення L, рівні 1 мм і 1,1мм; три значення f u = 1000, 1500 і 1750 МГц.

Мал. 4.7

Залежно Afy = (р (А, 0 |) і Х 2 ~ ф (^ 01) для різних L, f M і до = 1,66 (6 дБ) представлені на рис. 4.8, на якому суцільними лініями залежно відзначені для L = 1 мм, а пунктирними - для L = 1,1 мм. з малюнка видно, що для реалізації діапазону 1-2 ГГц при L = 1 мм потрібні лазери з довжинами хвиль: А. 0 | = 820 нм, Х 02 = 328 нм, а при L = 1,1 мм - а, 01 = 746 нм, Х 02 = 298 нм.

Для перекриття діапазону 1,5-3,0 ГГц: при L = 1 мм - А, 01 = 718нм, А, 0 2 = 359 нм, а при L = 1,1 мм - А. 0 | = 652 нм,

А, (р = 326 нм. Нарешті, щоб реалізувати діапазон 1,75-3,25 ГГц (таким діапазоном мають широкосмугові Егуд фірми "Brimrose" (68]), необхідно мати при L = 1 мм -? ^ - oi ~ 687 нм, Х () 2 = 370 нм, а при L = 1,1 мм - а, 0) = 625 нм, Я. () 2 = 336 нм.

Експериментального дослідження піддавався АОП, виконаний відповідно до наведеної на рис. 4.7 схемою. В АОП застосовувалися гетеролазери типу KLM з Я. 0) = 0,657 і Х 02 = 0,532 мкм; обидва лазера мали однакову вихідну потужність 20 мВт. У складі АОП використовувалися лінійки ПЗС типу ТН7813. Результати вимірювання АЧХ АОП в кожному з каналів представлені на рис. 4.9.

Мал. 4.8

Мал. 4.9

Інтегрують лінзи Л1 і Л2 мали фокусні відстані F = 150 мм, що забезпечують умови, при яких ширина діфрагованого плями світла відповідала 2-3 фотодіодів лінійки ПЗС.

В АОП використовувався Егуд на основі LiNbO ?, описаний в роботі [64], з параметрами: У = 3,59 10 ' Я м / с; d = 31,24 мкм; L = 1,187 мм.

На частоті f = тисяча п'ятсот двадцять п'ять МГц для А, 01 = 0,657 мкм значення дифракційної ефективності Егуд склало Г) ( = 2% / Вт, а на частоті f = 1750 МГц для Х 02 = 0,532 мкм воно не перевищувало Лз = 4% / Вт.

Вхідний сигнал на ВШП Егуд подавався через СВЧ-підсилювач, вихідна потужність якого (Р ВЬ1Х = 0,2 Вт) в смузі досліджуваних частот підтримувалася постійною. У схемі рис. 4.7 реєструвалися як АЧХ Егуд в цілому по кожному з напрямків дифракції, гак і АЧХ власне АОП, «що припадають» на кожну з лінійок ПЗЗ (рис. 4.9).

Загальна смуга «двухлепесткових» взаємодії в експерименті склала Af = 760 МГц, а спостережуване в досвіді деяка відмінність частотних діапазонів від розрахунків і неідеальність АЧХ обумовлені накладенням на них власних частотних характеристик узгодження ВШП з подводящим СВЧ-трактом.

Дані рис. 4.9 підтверджені розрахунковими графіками рис. 4.10, на якому значення кутів по осі ординат - в радіанах. Зіставлення малюнків ілюструє їх гарне кількісне відповідність.

Мал. 4.10

Зокрема, згідно з розрахунком, значення Af y , f 11; f 22 , Af ( і Af 2 склали 805 МГц, 1400 МГц, 2205 МГц, 596 МГц і 662 МГц. Ці ж параметри в експерименті виявилися рівними Afy = 760MTu, f n = 1460 МГц, f 22 = 2220 МГц, Af, = 520МГц, Af 2 = 560 МГц.

При наявності відповідних лазерних джерел в досліджуваній схемі АОП її сумарна смуга робочих частот може бути розширена аж до - Afy = 1200 МГц.

Доцільність проведення даного розгляду продиктована відкрилася в даний час можливістю застосування в складі АОП гетеролазери з широким набором довжин хвиль.

Таким чином, у традиційній конфігурації АОП з використанням звичайної АТ елементної бази можливе отримання розширених смуг аналізу з одночасним поліпшенням його енергетичних параметрів. Доопрацювання звичайних Егуд, необхідних для використання в складі запропонованого АОП, повинна складатися в поліпшенні узгодження по СВЧ його ВШП і додаткового просвітління його робочих граней на другу довжину хвилі лазерного випромінювання 167].

 
<<   ЗМІСТ   >>