Двухлепестковое взаимодействие. 
Акустооптические процессоры. 
Алгоритмы и погрешности измерений

В настоящее время в составе акустооптических СВЧ-приемниковчастотомеров, спектроанализаторов, демодуляторов ЧМ и ФКМсигналов используются, в основном, технологически доступные дефлекторы с поверхностным возбуждением ультразвука, в частности, АОД на основе LiNb0₃, с пьезопреобразователем в виде решетки противофазных электродов типа встречно-штыревых (ВШП) [27, 64].

Недостатком этих АОД является то, что в них полезно используется лишь часть генерируемой ультразвуковой мощности при организации дифракции света только на одном из двух основных лепестков диаграммы направленности (ДН) возбуждаемого ВШП звука. При этом суммарные звуковые потери превышают — 3 дБ [65].

В данном разделе представлены результаты исследования конфигурации АОП СВЧ-диапазона длин волн на основе АОД с ВШП, в котором, наряду с расширением полосы рабочих частот, обеспечены условия для лучшей эффективности акустоопгического взаимодействия.

Для применяемого в составе АОП дефлектора с ВШП характерны следующие особенности [1, 2, 651. В светозвукопроводе АОД (например, кристалле LiNb0₃ Z среза) диаграмма направленности ультразвука в направлении Z состоит из двух основных лепестков шириной по уровню 4/л^-, равной Дф= V/fL, углы отклонения которых (от нормали к плоскости расположения ВШП) изменяются с частотой радиосигнала f в соответствии с ф, =V/i'd, где V — скорость объемных ультразвуковых волн, L — протяженность решетки ВШП, d — электрический период расположения электродов ВШП.

Частотный ход одного из лепестков может быть представлен в виде

Величиной коэффициента к определяются «края» ДН возбуждаемого звука, но заданному уровню {sine²(l/k)} его интенсивности.

При падении на данный лепесток лазерного излучения (с длиной волны в вакууме А,₀) под углом 9_П|, близким к углу Брэгга 0_Б =A.₀f/2nV (п — показатель преломления светозвукопровода), или под удвоенным углом Брэгга по отношению к грани светозвукопровода, в АОД имеет место режим дифракции, когда в полосе рабочих частот Af угол 9_П1 автоматически «подстраивается» под оптимальный, равный |б_Б|.

Однако эта автоподстройка угла ф, к энергетически оптимальному углу 0_Б не является полной. Для точного выполнения условия, при котором угол падения света всегда соответствовал бы брэгговскому, траектория частотного сканирования этого лепестка ДН должна описываться функцией.

где f₀ — заданная (выбранная) частота наиболее эффективного АОвзаимодействия.

Все названные зависимости: ф_ь=ф©, ф_н=ф©, ф,=ф (() и Фо=ф (0 качественно представлены на рис. 4.4, причем прямая.

0=(p (f) проведена через две характерные точки, одна из которых является точкой, как упоминалось выше, оптимального АОвзаимодействия (на частоте f₀), а вторая точка получена из условия, при котором (р₀ = cp (f) является касательной к функции (р_н на частоте.

f_T.

Рис. 4.4.

Как следует из рисунка, именно в этом случае полоса рабочих частот АОД Af = f₂-f] по заданному функциями 9_L(f) и (p_H(f) уровню неравномерности дифракционной эффективности будет максимальной.

Значение f_T может быть найдено из решения уравнения Фо (0-Фн (0 = ° при условии, что f_T является его единственным корнем:

Граничные частоты f, и f₂ находятся из уравнения.

L (f) = 0:

Из (4.4) получаем расчетную формулу для полосы частот АОД:

а выражение для величины периода ВШП, являющегося гарантией максимума полосы Д (' (при заданных ^.₀, k, L, V, f₍), можно также найти из решения уравнения (p₍₎ (f) = cp_H (f):

Соотношение для f₀ следует из (4.6):

Отметим, что представленный выше анализ, берущий свое начало в работе [65], справедлив для произвольных к; если же неравномерность ЛЧХ АОД задать на уровне 4/л² (-4 дБ, к = 2), то (4.3)-(4.7) переходят в аналогичные формулы работы [1].

Из данного рассмотрения следует, что при выборе периода ВШП и его протяженности L, а следовательно фактического задания частотного хода гипербол (p_M(f) и.

L (f), местоположение полосы пропускания АОД на частотной оси и ее абсолютное значение будет определяться величинами и f₀ [12, 66J.

Последнее иллюстрируется рис. 4.5.

Рис. 4.5.

На этом рисунке функции ф_н = ф (1″) и ф_ь = ф© построены в соответствии с (4.1), а зависимости Ф01 (f) ^и Фоз!^)' определяемые как.

построены для двух разных Х_0!, А.₍₎₂ и соответственно, разных f_()] и f₀2, выражения для которых следуют из (4.7):

При этом полосы Af|2 вблизи каждой из f₀i и f₀₂ будут равны.

а по заданной неравномерности АЧХ они будут ограничиваться частотами f| |, f|9 И f^], .

Таким образом, идея одновременного использования двух лепестков ДН ВШП заключается в том, что на каждый из них необходимо организовать подачу иод углами 8_В1 =?L₀|f₀₎/2V, ®Б2 -^-02⁰²/2^ лазерного излучения от двух источников с длинами волн А.₀₁ и Я.₀₂ .

Для того чтобы суммарная полоса рабочих частот АОПЧ была непрерывной (и максимальной) Afy = Af, + Af₂, необходимо потребовать равенства граничных частот f_]2 и f₂|. Последнее может быть обеспечено, если значения ^,₀₍ и А.₀₂ будут взаимосвязаны посредством

Эта ситуация представлена на рис. 4.6.

Конфигурация акустооптического частотомера, использующего в своем составе АОД с ВШП, в котором организована дифракция одновременно на двух лепестках ДН возбуждаемого в его теле ультразвука, приведена на рис. 4.7. Данная схема не отличается от традиционной за тем исключением, что в ней используется второй лазерный источник с длиной волны Я-02, отличающийся от длины волны первого лазера А,₀₁, а также используется вторая интегрирующая линза Л2 и вторая линейка фотоприемных устройств ФПУ 2.

Поскольку в схеме рис. 4.7 используются одинаковые ПЗСлинейки с одинаковой протяженностью W, фокусные расстояния линз Л1, Л2 должны выбираться из условия

А с целью реализации в обоих каналах АОП одинакового частотного разрешения соотношение апертур D, /D₂ падающих световых пучков должно быть

Рис. 4.6.

Следует отметить, что для уменьшения влияния «повторной» дифракции просветлять необходимо соответствующие грани I и 2 АОД каждую для «своей» длины волны, причем нс полностью, а на участках aib, и а₂Ь₂ (рис. 4.7) [671.

Приведем результаты расчета основных параметров АОП, необходимых для реализации в нем Af_y, равной 1500 МГц. Исходные данные для расчета: V = 3590 м/с; показатель преломления LiNbO? п = 2,23; два значения L, равные 1 мм и 1,1 мм; три значения f_u =1000, 1500 и 1750 МГц.

Рис. 4.7.

Зависимости Afy = (р (А,₀|) и Х₂ ~ ф (^01) для различных L, f_M и к = 1,66 (6 дБ) представлены на рис. 4.8, на котором сплошными линиями зависимости отмечены для L = 1 мм, а пунктирными — для L = 1,1 мм. Из рисунка видно, что для реализации диапазона 1−2 ГГц при L = 1 мм требуются лазеры с длинами волн: А.₀| =820 нм, Х₀₂ = 328 нм, а при L = 1,1 мм — А,₀₁ = 746 нм, Х₀₂ = 298 нм.

Для перекрытия диапазона 1,5−3,0 ГГц: при L = 1 мм — А,₀₁=718нм, А,₀2 =359 нм, а при L = 1,1 мм — А.₀|=652 нм, А,(р=326 нм. Наконец, чтобы реализовать диапазон 1,75−3,25 ГГц (таким диапазоном обладают широкополосные АОД фирмы «Brimrose» (68]), необходимо иметь 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.

Экспериментальному исследованию подвергался АОП, выполненный в соответствии с приведенной на рис. 4.7 схемой. В АОП применялись гетеролазеры типа KLM с Я.₀₎ =0,657 и Х₀₂ =0,532 мкм; оба лазера имели одинаковую выходную мощность 20 мВт. В составе АОП использовались линейки ПЗС типа ТН7813. Результаты измерения АЧХ АОП в каждом из каналов представлены на рис. 4.9.

Рис. 4.8.

Рис. 4.9.

Интегрирующие линзы Л1 и Л2 имели фокусные расстояния F = 150 мм, обеспечивающие условия, при которых ширина дифрагированного пятна света соответствовала 2−3 фотодиодам линейки ПЗС.

В АОП использовался АОД на основе LiNbO?, описанный в работе [64], с параметрами: У = 3,59 10'^Я м/с; d = 31,24 мкм; L = 1,187 мм.

На частоте f = 1525 МГц для А,₀₁ =0,657 мкм значение дифракционной эффективности АОД составило Г)₍ = 2%/Вт, а на частоте f =1750 МГц для Х₀₂ = 0,532 мкм оно не превышало Лз =4%/Вт.

Входной сигнал на ВШП АОД подавался через СВЧ-усилитель, выходная мощность которого (Р_ВЬ1Х = 0,2 Вт) в полосе исследуемых частот поддерживалась постоянной. В схеме рис. 4.7 регистрировались как АЧХ АОД в целом по каждому из направлений дифракции, гак и АЧХ собственно АОП, «приходящиеся» на каждую из линеек ПЗС (рис. 4.9).

Общая полоса «двухлепесткового» взаимодействия в эксперименте составила Af = 760 МГц, а наблюдаемое в опыте некоторое отличие частотных диапазонов от расчетов и неидеальность АЧХ обусловлены наложением на них собственных частотных характеристик согласования ВШП с подводящим СВЧ-трактом.

Данные рис. 4.9 подтверждены расчетными графиками рис. 4.10, на котором значения углов по оси ординат — в радианах. Сопоставление рисунков иллюстрирует их хорошее количественное соответствие.

Рис. 4.10.

В частности, согласно расчету, значения Af_y, f_11; f₂₂, Af₍ и Af₂ составили 805 МГц, 1400 МГц, 2205 МГц, 596 МГц и 662 МГц. Эти же параметры в эксперименте оказались равными Afy = 760MTu, f_n =1460 МГц, f₂₂ =2220 МГц, Af, =520МГц, Af₂ =560 МГц.

При наличии соответствующих лазерных источников в исследуемой схеме АОП ее суммарная полоса рабочих частот может быть расширена вплоть до — Afy = 1200 МГц.

Целесообразность проведения данного рассмотрения продиктована открывшейся в настоящее время возможностью применения в составе АОП гетеролазеров с широким набором длин волн.

Таким образом, в традиционной конфигурации АОП с использованием обычной АО элементной базы возможно получение расширенных полос анализа с одновременным улучшением его энергетических параметров. Доработка обычных АОД, необходимых для использования в составе предложенного АОП, должна состоять в улучшении согласования по СВЧ его ВШП и дополнительного просветления его рабочих граней на вторую длину волны лазерного излучения 167].