Акустооптическая дисперсионная линия задержки

Изобретение относится к устройствам для управления лазерным излучением. Линия задержки содержит установленный вдоль распространения света звукопровод из анизотропного кристалла парателлурита, выполненного в виде призмы. На одной из граней призмы расположен пьезопреобразователь с линейной фазовой характеристикой, возбуждающий ультразвуковые волны с разными направлениями распространения фазовой и групповой скорости, которые отражаются от входной оптической грани призмы так, что направление распространения групповой скорости отраженной ультразвуковой волны совпадает с направлением распространения света. На противоположной грани звукопровода расположен поглотитель ультразвуковых волн. Ось падающего светового луча перпендикулярна входной оптической грани призмы, а вектор его поляризации совпадает с осью [110] кристалла. Ось выходного дифрагированного светового луча коллинеарна оси падающего, при этом его вектор поляризации перпендикулярен оси [110] кристалла. Выходная оптическая грань образует угол от 2 до 7 градусов с входной гранью в плоскости (110) кристалла. Акустическая грань звукопровода, на которой расположен пьезопреобразователь, образует угол от 58 до 122 градусов с входной оптической гранью в плоскости (110) кристалла. Пьезопреобразователь изготовлен в виде пластины из кристалла ниобата лития толщиной 15-60 мкм методом вакуумной технологии на основе интердиффузии в химически активных наноструктурах хрома, золота, индия с образованием интерметаллических соединений. Технический результат заключается в обеспечении понижения управляющей мощности, повышения спектрального разрешения и увеличения времени оптической задержки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к оборудованию для научных исследований, в частности оно может быть отнесено к устройствам управления лазерным излучения, а именно к адаптивным акустооптическим дисперсионным линиям задержки для коррекции формы фемтосекундных импульсов и к перестраиваемым акустооптическим фильтрам.

Акустооптическое взаимодействие света и звука в анизотропных кристаллах представляется наиболее перспективным инструментальным средством для создания электронно-управляемых оптических линий задержки.

Впервые идея дисперсионного сжатия (компрессии) сверхкоротких лазерных импульсов предложена в статье В.Е.Пожар, В.И.Пустовойт. «О компрессии сверхкоротких световых импульсов». Квантовая электроника, т.14, №4, стр.811-813 (1987). Технически сжатие (компрессия) импульсов осуществляется при анизотропном коллинеарном взаимодействии света и звуковой волны в кристалле следующим образом. При анизотропной дифракции поляризация дифрагированного луча поворачивается на 90 градусов относительно поляризации падающего луча. Если поляризация падающего луча соответствует «быстрой» оптической волне в кристалле, то поляризация дифрагированного луча соответствует «медленной» оптической волне в кристалле. Вследствие дисперсии в кристалле «красная» компонента спектра светового импульса опережает «синюю» компоненту спектра светового импульса и световой импульс удлиняется.

Осуществляя поворот на 90 градусов в плоскости поляризации, например, «красной» компоненты спектра светового импульса, можно замедлить скорость ее распространения по отношению к «синей» компоненте. Если плоскость поляризации «красной» компоненты повернуть в начале кристалла, а «синей» - в конце кристалла, то можно не только скомпенсировать удлинение импульса вследствие естественной дисперсии кристалла, но и скомпенсировать ранее имеющиеся удлинения светового ультракороткого импульса, вызванные дисперсиями высших порядков при прохождении других оптических элементов. Таким образом, осуществляется сжатие длительности светового импульса. Местоположение области поворота поляризации по длине кристалла определяется местоположением в кристалле тех частот звука, на которых происходит акустооптическое взаимодействие «красной» и «синей» компонент.

Известно устройство для управления световыми импульсами на основе программируемого акустооптического прибора, состоящее из фотоупругой среды, способной принимать входной оптический импульс и акустическую волну; из акустического пьезопреобразователя, способного генерировать вышеуказанную акустическую волну в фотоупругой среде по программируемой схеме, и программируемого блока управления, подсоединенного к вышеуказанному пьезопреобразователю, способного программировать, по меньшей мере, одну из частотных и фазовых модуляций акустической волны, что позволяет генерировать модулированную акустооптическую волну (US 6072813, 06.06.2000). При этом дифрагированный выходной оптический импульс является сверткой входного оптического импульса с модулированным акустическим сигналом. В приборе в качестве материала акустооптического кристалла предлагается использовать ниобат лития, кристаллический кварц и парателлурит. С таким выбором материалов и принятыми в патенте конструкциями приборов (а именно: геометрическая форма кристалла, размещение пьезопреобразователя, технические решения по вводу и выводу светового луча из кристалла и т.д.) данные конструкции реализуют только коллинеарное или неколлинеарное акустооптическое взаимодействие. Недостатком этого устройства является то, что оно не позволяет обеспечить уменьшение значительной мощности радиочастотного управляющего сигнала, чтобы уменьшить нежелательные температурные градиенты в кристалле, по которому распространяется оптическое излучение, увеличить время оптической задержи и спектральное разрешение. Общим недостатком рассмотренных в патенте приборов является отсутствие элементов спектральной компенсации увеличения углового спектра дифрагированного луча, обусловленного угловой зависимостью Брэгговского синхронизма от набора спектральных компонент светового луча, что неизбежно приводит к угловому уширению лазерного луча в плоскости дифракции.

Известен квазиколлинеарный фильтр на кристалле кварца, описанный в работе Kusters J.A., Wilson D.A., Hammond D.L. «Optimum crystal orientation for acoustically tuned optical filter», JOSA, v.64, # 4, p.434-440 (1974). Фильтр имеет в своем составе кристалл кварца в виде параллелепипеда со скошенными оптическими гранями, причем фазовая скорость падающего на оптическую грань света распространяется коллинеарно групповой скорости звука. Свет падает на оптическую грань наклонно. Недостатком является сложность конструкции, требующей применения специальных призм для устранения дисперсионного разложения в спектр падающего света на входной и дифрагированного света на выходной гранях. Главным недостатком аналога является крайне низкая эффективность акустооптического эффекта кварца, что требует недопустимо высокого уровня управляющей радиочастотной мощности в случае использования такого устройства в качестве управляемой линии задержки, и малая величина двулучепреломления, что не позволяет получить на этом материале большое время оптической задержки.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) заявляемого устройства является устройство, описанное в статье I.-C. Chang «Collinear beam acousto-optical tunable filters». Electron. Lett., v.28, №13, p.1255-1266, 1992 г. Этот квазиколлинеарный фильтр имеет в своем составе кристалл парателлурита в виде параллелепипеда со скошенной гранью, причем фазовая скорость падающего света распространяется коллинеарно групповой скорости звука.

Свет падает на оптическую входную грань под прямым углом. Звук отражается от наклонной выходной оптической грани. Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является конструктивная схема предложенного технического решения. Это обусловлено тем, что наклон выходной оптической грани однозначно определяется законами акустического отражения звуковой волны, вследствие чего угол ее наклона не оптимален для светового дифрагированного луча. А именно имеет место эффект уширения углового спектра дифрагированного светового луча, что противоречит необходимому для работы линии задержки условию сохранения расходимости луча. Компенсация уширения углового спектра луча должна быть выполнена дополнительным оптическим элементом, что усложняет конструкцию прибора. В приборе имеется также излом оптической оси, устранение которого также требует применения дополнительного оптического элемента, усложняющего конструкцию.

Задачей изобретения является создание такой конструкции акустооптической дисперсионной линии задержки, при которой имеет место оптимизация ее заданных параметров в соответствии с системными требованиями к прибору в зависимости от назначения последнего: пониженная управляющая мощность, повышенное спектральное разрешение, увеличенное время оптической задержки; при этом конструкция акустооптической дисперсионной линии задержки не должна изменять расходимость проходящего через него светового луча и направление распространения светового луча.

Технический результат - обеспечение использования акустических и оптических свойств кристалла для оптимизации параметров прибора.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в акустооптической дисперсионной линии задержки, содержащей установленный вдоль распространения света звукопровод из анизотропного кристалла парателлурита, выполненного в виде призмы, причем на одной из граней указанной призмы расположен пьезопреобразователь с линейной фазовой характеристикой, возбуждающий ультразвуковые волны с разными направлениями распространения фазовой и групповой скорости, которые отражаются от входной оптической грани указанной призмы так, что направление распространения групповой скорости отраженной ультразвуковой волны совпадает с направлением распространения света; на противоположной грани звукопровода расположен поглотитель ультразвуковых волн, причем входная для света грань указанной призмы перпендикулярна направлению падения света, а выходная грань указанной призмы образует угол со входной оптической гранью, ось падающего светового луча перпендикулярна входной оптической грани призмы кристалла парателлурита, вектор поляризации светового луча совпадает с осью [110] кристалла парателлурита; ось выходного дифрагированного светового луча коллинеарна оси падающего светового луча, а вектор поляризации выходного дифрагированного светового луча перпендикулярен оси [110] кристалла парателлурита; выходная оптическая грань кристалла паралеллурита образует угол от 2 до 7 градусов в плоскости (110) кристалла парателлурита с входной оптической гранью; акустическая грань звукопровода из кристалла парателлурита, на которой расположен пьезопреобразователь, образует угол от 58 до 122 градусов в плоскости (110) кристалла парателлурита с входной оптической гранью; при этом пьезопреобразователь с линейной фазовой характеристикой изготовлен в виде пластины из кристалла ниобата лития толщиной 15-60 мкм, которая присоединена к акустической грани звукопровода из кристалла парателлурита методом вакуумной технологии на основе интердиффузии в химически активных наноструктурах хрома, золота, индия с образованием интерметаллических соединений.

Частным существенным признаком является то, что акустический поглотитель изготовлен методом вакуумной технологии на основе интердиффузии в химически активных наноструктурах хрома, золота, индия с избытком свободного индия.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлена конструкция линии задержки, которая использует анизотропию кристалла парателлурита, на фиг.3 - график с областью оптимальных параметров устройства.

Парателлурит обладает значительным акустооптическим эффектом, который делает его наиболее перспективным материалом для акустооптических линий задержки и других акустооптических устройств. Материал обладает высокой оптической и акустической анизотропией, существенно зависящей от ориентации кристалла относительно кристаллографических осей. Пьезопреобразователь 6 с линейной фазовой характеристикой в рабочем диапазоне частот на основе пластинки ниобата лития толщиной от 15 до 60 мкм изготовлен для уменьшения высокочастотной управляющей мощности методом вакуумной интердиффузии в химически активных наноструктурах хрома, золота и индия с образованием интерметаллических соединений и преобразует высокочастотный управляющий сигнал в акустическую волну.

Сдвиговая акустическая волна с поляризацией акустического вектора вдоль оси [110], излучаемая пьезопреобразователем 6 (фиг.1, 2) с линейной фазовой характеристикой, падает на входную оптическую грань 2. После отражения от входной оптической грани 2 кристалла 3 групповая акустическая скорость V_g звуковой волны распространяется строго вдоль кристалла. Фазовая скорость звуковой волны V_p распространяется под углом и неколлинеарно распространению света. В дисперсионной линии задержки применяется бегущая акустическая волна. Боковая поверхность кристалла 3 покрыта акустическим поглощающим материалом 7, изготовленным методом вакуумной интердиффузии, с тем, чтобы предотвратить дальнейшее отражение акустической волны. Входная оптическая грань расположена так, что падающий световой луч перпендикулярен ей. Акустическая волна создает Брэгговскую дифракционную решетку. Поляризация падающего светового обыкновенного луча 1 совпадает с осью [110] кристалла и перпендикулярна плоскости дифракции. При коллинеарном распространении светового луча 1 с групповой скоростью звука в зоне звукового столба имеет место анизотропная дифракция. При этом поляризация дифрагированного луча 5 поворачивается на 90 градусов и становится параллельной плоскости дифракции (необыкновенный луч). Осуществляя поворот плоскости поляризации на определенной длине волны из спектра падающего луча из «быстрой» поляризации в «медленную» посредством введения в кристалл от пьезопреобразователя звуковых волн соответствующих частот от блока управления можно замедлить скорость распространения конкретной спектральной компоненты падающего луча. Местоположение поворота плоскости поляризации в кристалле определит время задержки данной спектральной компоненты относительно других спектральных компонент. Местоположение поворота плоскости поляризации световой спектральной компоненты определяется местоположением в кристалле 3 соответствующей звуковой частоты, а амплитуда световой спектральной компоненты с повернутой поляризацией определяется мощностью соответствующей звуковой частоты. Выходная оптическая грань 4 в конструкции устройства выполнена под определенным углом относительно входной грани 2 в плоскости (110) кристалла, что устраняет недостаток прототипа и аналогов: а именно увеличение расходимости прошедшего дифрагированного луча. При определенном выборе угла наклона выходной грани помимо компенсации угловой расходимости можно обеспечить направление распространения дифрагированного выходного луча коллинеарно падающему лучу, что устраняет еще один недостаток устройства, присущий прототипу и аналогам.

Для реализации еще одной функции изобретения, отсутствующей у прототипа и аналогов - оптимизации важнейших параметров линии задержки, а именно: а) минимизации управляющей радиочастотной мощности; б) повышения спектрального разрешения; в) увеличения времени оптической задержки в зависимости от системных требований, предъявляемых прибору, использована анизотропная зависимость свойств кристалла парателлурита относительно кристаллографических осей.

На фиг.3 показаны нормированные значения коэффициента акустооптического качества М2, определяющего потребляемую устройством высокочастотную мощность спектрального разрешения R, и времени оптической задержки Т в зависимости от конструктивного угла между фазовой скоростью звуковой волны V_p, отраженной от оптической входной грани 2, и осью [110] парателлурита, α₁.

Акустооптическая дисперсионная линия задержки, созданная на основе предлагаемого конструктивного решения, будет иметь:

а) малую потребляемую мощность;

б) высокое спектральное разрешение;

в) большое время задержки в тех случаях, когда конструктивный угол будет лежать в пределах от 1 до 8 градусов.

При данном конструктивном решении устраняется недостаток устройства-прототипа и аналогов, а именно отсутствие оптимизации вышеуказанных важнейших параметров прибора.

При заданной области изменения конструктивного угла α₁ от 1 до 8 градусов угол β между входной оптической гранью 2 и акустической гранью, на которой установлен пьезопреобразователь 6, составляет величину от 58 до 122 градусов (см. фиг.1, 2). В частном случае, когда конструктивный угол α₁ равен 1,78 градуса, угол между входной оптической гранью 2 и акустической гранью, на которой расположен электрический пьезопреобразователь 6, составляет 90 градусов ровно. Изменения угла ориентации акустической грани 6 для достижения оптимальных параметров линии задержки не влечет за собой изменения общей конструкции прибора и ориентации его выходной грани 4, что не достигнуто в прототипе и аналогах.

Для устранения недостатков прототипа и аналогов в заявляемом устройстве используется следующее конструктивное решение: выходная оптическая грань 4 кристалла изготавливается под углом η от 2 до 7 градусов со входной оптической гранью 2 (фиг.1, 2). При этом в диапазоне длин волн 600-1700 нм оптическая ось выходного дифрагированного луча остается коллинеарной оптической оси падающего светового луча и в диапазоне длин волн 600-1700 нм происходит дисперсионная компенсация углового увеличения расходимости дифрагированного луча до пределов, не превышающих дифракционную расходимость входного лазерного луча с типичным значением единицы угловых минут.

1. Акустооптическая дисперсионная линия задержки, содержащая установленный вдоль распространения света звукопровод из анизотропного кристалла парателлурита, выполненного в виде призмы, причем на одной из граней призмы расположен пьезопреобразователь с линейной фазовой характеристикой, возбуждающий ультразвуковые волны с разными направлениями распространения фазовой и групповой скорости, которые отражаются от входной оптической грани призмы так, что направление распространения групповой скорости отраженной ультразвуковой волны совпадает с направлением распространения света, на противоположной грани звукопровода расположен поглотитель ультразвуковых волн, причем входная для света грань призмы кристалла парателлурита перпендикулярна направлению падения света, а выходная грань указанной призмы образует угол со входной оптической гранью, отличающаяся тем, что ось падающего светового луча перпендикулярна входной оптической грани призмы кристалла парателлурита, вектор поляризации светового луча совпадает с осью [110] кристалла парателлурита, ось выходного дифрагированного светового луча коллинеарна оси падающего светового луча, и вектор поляризации выходного дифрагированного светового луча перпендикулярен оси [110] кристалла парателлурита; выходная оптическая грань кристалла парателлурита образует угол от 2 до 7° в плоскости (110) кристалла парателлурита со входной оптической гранью; акустическая грань звукопровода из кристалла парателлурита, на которой расположен пьезоэлектрический преобразователь, образует угол от 58 до 122° в плоскости (110) кристалла парателлурита со входной оптической гранью; пьезопреобразователь с линейной фазовой характеристикой изготовлен в виде пластины из кристалла ниобата лития толщиной 15-60 мкм, которая присоединена к акустической грани звукопровода из кристалла парателлурита, методом вакуумной технологии на основе интердиффузии в химически активных наноструктурах хрома, золота, индия с образованием интерметаллических соединений.

2. Акустооптическая дисперсионная линия задержки по п.1, отличающаяся тем, что акустический поглотитель изготовлен методом вакуумной технологии на основе интердиффузии в химически активных наноструктурах хрома, золота, индия с избытком свободного индия.