Акустооптические устройства и их применение - Магдич Л.Н.
Скачать (прямая ссылка):
а)
Рис. 3.9. Решетка преобразователей, излучающих звук в противофазе (а)у и ее полярная диаграмма направленности (б)
Распределение звукового поля в дальней зоне состоит из двух максимумов, каждый из которых имеет угловое распределение, соответствующее однородному преобразователю длиной L, и расположенных симметрично относительно оси X (т. е. направления ф=0) под углами ±vjfd. Эта особенность иллюстрируется полярной диаграммой направленности на рис. 3.9,6. При увеличении акустической частоты направление распростра-62
нения поля 5+i будет поворачиваться по часовой стрелке, поля S-i - против часовой стрелки. Пусть на дефлектор под неизменным углом к оси У падает световой пучок, который образует угол 0 с фронтом акустической волны 5+1. Если для некоторой частоты /0 этот угол является брэгговским 0-0Б (/о), то при увеличении акустической частоты этот угол будет также увеличиваться вследствие поворота максимума 5+1 (рис. 3.9). Очевидно, что для отклонения света может быть использован только один максимум акустического поля.
Рис. 3.10. Графики функций Ф+ь фн, фь и ф0 в зависимости от акустической частоты f
Легко видеть, что частотные зависимости угла Брэгга и направления распространения звукового поля различны. Зависимость направления максимума 5+i от частоты, т. е. угла tp+?i, дается формулой (3,14). Функции Фя и фl, равные
?" = ?+.+ "/(2Д-).
?L = 9+-vl(2fL)>
определяют область акустического поля с интенсивностью большей 4/я2 от ее максимального значения. Наконец функция фо, равная
?. = ?+! (/.) - 9Ь (/) - 0Б (/о).
показывает, как должно зависеть от акустической частоты такое направление распространения поля, при котором угол падения света всегда равнялся бы брэгговскому.
Графики функций ф+i, фн, фЬ и ф0 изображены на рис. 3.10. При изменении акустической частоты отклонение света будет происходит лишь на тех частотах, для
' 63
которых значение функции ф0 лежит внутри области, заключенной между графиками функции <ря и фх,:
1 Очевидно, что диапазон частот Af'=fc>-fc будет иа-
ксимален, если прямая ф0 будет касательной к гиперболе ф/f в точке fT (рис. 3.10). Значение fT является единственным корнем квадратного уравнения фо=фн; граничные частоты Ду и fc определятся из решения уравнения cp0=cpL:
fr ~fo(l fczzlr ~~ f 0 ^\f ~ "
/с- = /г+f.yj. <3:15}
здесь
Две последние формулы в (3.15) определяют диапазон акустических частот, в пределах которого происходит отклонение света:
Af'=r2Vr&/Vr?l. (3.16)
Оптимальный период решетки d находится из условия, что /т является единственным корнем уравнения
фо==фн:
d=2LJ[r{\-\-2!Vr)].
Выражение (3.16) показывает, что полоса рабочих частот системы со сканируемым полем в несколько раз превышает полосу обычного дефлектора, работающего в области Брэгга. Действительно, из (3.13) и (3.16) имеем A/'=3,8Af.
Как отмечалось в § 3.2, полную частотную характеристику дефлектора (штриховая линия на рис. 3.11)
определяют частотная характеристика пьезопреобразователя (кривая 1) и собственная частотная характеристика дефлектора (кривая 2). Частотная характеристика дефлектора имеет провал в центре на частоте />, так как условие Брэгга строго выполняется лишь в двух точках: В я В' (рис. 3.10). В точках С, С' и Т интенсивность звукового поля в я2/4 раза меньше, чем в точках В и Вг. Провал в центре частотной характеристики
64
можно скомпенсировать, если центральную частоту преобразователя выбрать равной fT (рис. 3.11).
Рассмотренную систему сканирования акустического поля легко реализовать на практике, но есть у нее недостаток: для отклонения света используется лишь один из двух максимумов акустического поля и соответственно всего 4/л2^0,4 акустической мощности.
Рис. 3.11. Формирование ча- Рис. 3.12. Схематическое изо-
стотной характеристики деф- бражение решетки излучателей
От этого недостатка свободно устройство, предложенное в работе [34], диаграмма направленности которого имеет один главный максимум (рис. 3.12). Оно отличается от предыдущего тем, что преобразователи, включенные в противофазе, не лежат в одной плоскости, а смещены друг относительно друга. Высота ступени выбирается равной половине длины волны на центральной частоте /о- Для компенсации изменения брэгговского угла с частотой длина каждого преобразователя должна равняться v2/(Xf2о).
Изготовление такой ступенчатой конструкции связано со значительными технологическими трудностями, что ограничивает ее использование.
3.7. Применение акустооптических дефлекторов
В настоящее время известны всего два способа немеханического управляемого отклонения светового луча: электрооптический и акустооптический. Электроопти-ческие дефлекторы (ЭОД) были разработаны раньше акустооптических (АОД), но они оказались очень сложными при изготовлении, поскольку представляют собой конструкцию, насчитывающую до сотни оптических эле-5-357 65
лектора
с одним главным максимумом
ментов. Кроме того, ЭОД требуют высокое управляю щее напряжение, что резко усложняет электронику об служивания. Поэтому АОД часто используются в тех устройствах, где раньше предполагалось использован ЭОД.
