ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 57-61
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 535.242.5+621.317.3
АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОТОБРАЖЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТОЯЧИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ © 2014 г. Д. А. Зимняков, Е. Л. Никишин, М. В. Павлова, А. В. Сучилин
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. Россия, 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77 E-mail: nikel55@rambler.ru Поступила в редакцию 28.11.2013 г.
Описан акустооптический метод контроля распределения электрического поля в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе для с.в.ч.-устройств, когда непригодны стандартные зондо-вые методы. Метод основан на регистрации интенсивности лазерного излучения, дифрагированного на акустических волнах от отдельных элементов преобразователя. Метод позволяет добиться хорошего согласования преобразователя с подводящим с.в.ч.-трактом, проконтролировать пространственную однородность акустического потока, возбуждаемого преобразователем, измерить дисперсию и замедление электромагнитного сигнала в преобразователе.
DOI: 10.7868/S0032816214060135
ВВЕДЕНИЕ
Многоэлементные пьезоэлектрические преобразователи в виде периодических волноведущих систем благодаря простоте широкополосного согласования с подводящей коаксиальной линией с успехом используются в приборах акустоэлектро-ники с.в.ч.-диапазона [1, 2]. В таких преобразователях энергия электромагнитного сигнала, поступившего на вход преобразователя и распространяющегося вдоль волноведущей системы, постепенно по мере распространения сигнала вдоль нее преобразуется в энергию акустической волны.
Поскольку длина многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей акустоэлек-тронных с.в.ч.-приборов ограничена, как правило, несколькими миллиметрами, а число излучающих элементов в них не превышает 40—50, то на выходе периодической волноведущей системы мощность электромагнитной волны обычно оказывается не равной нулю. Поэтому дошедшая до выхода преобразователя электромагнитная волна отражается от него и, взаимодействуя с падающей волной, образует в волноведущей системе стоячую электромагнитную волну, которая, с одной стороны, ухудшает общее согласование преобразователя с подводящим с.в.ч.-трактом, а с другой — приводит к нарушению однородности распределения возбуждаемого акустического потока по элементам преобразователя.
Для устранения этого недостатка к выходу преобразователя необходимо подключить согласую-
щую нагрузку. Задача усложняется тем, что волновое сопротивление преобразователя в виде периодической волноведущей системы имеет принципиально комплексный характер и отличается от стандартного значения 50 Ом. Это связано, прежде всего, с внесенной проводимостью излучающих элементов и обусловлено процессом электроакустического преобразования [3].
Подбором согласующей нагрузки на стадии разработки преобразователя можно добиться минимального уровня стоячей волны, но этот процесс необходимо контролировать, наблюдая картину распределения электрического поля в преобразователе. Кроме того, знание распределения поля стоячей волны позволяет определить дисперсию и замедление электромагнитной волны в таком многоэлементном преобразователе и при необходимости рассчитать частотный режим сканирования акустического пучка, возбуждаемого преобразователем.
Типовые методы регистрации распределения поля с использованием зонда в виде металлического стержня непригодны в данном случае, во-первых, из-за очень малых размеров преобразователя, а во-вторых, из-за низкой чувствительности зонда, так как электрическое поле в пьезопреоб-разователе специально практически полностью сосредоточено внутри пьезоэлектрического слоя.
ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕННОГО МЕТОДА
Принцип действия работающего на возбуждение акустических волн пьезоэлектрического преобразователя основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте, при котором напряженность электрического поля между электродами преобразователя определяет степень механической деформации пьезоэлектрического слоя. Амплитуда деформации, возникающей под действием электрического поля в пьезоактивном слое, в отсутствие механического напряжения определяется соотношением [4]
Б] = , (1)
где Бу — компонент упругой деформации слоя; ё у — соответствующий элемент тензора пьезоэлектрического модуля; Е1 — компонент напряженности электрического поля.
Пьезоэлектрический слой акустически соединен с кристаллической средой. Поэтому упругие возмущения, создаваемые излучающими элементами преобразователя в кристалле, на который он нанесен, являются носителем информации об уровне напряженности электрического поля на конкретном элементе преобразователя. Таким образом, регистрируя уровень деформации в акустических волнах, возбуждаемых в кристалле каждым излучающим элементом многоэлементного преобразователя, можно получить информацию об относительном распределении электрического поля вдоль преобразователя.
В представленном методе эта процедура выполняется посредством анализа пространственного распределения интенсивности света, дифрагированного на генерируемых отдельными излучающими элементами преобразователя упругих волнах, в результате их акустооптического взаимодействия с излучением лазера, падающим на обладающий фотоупругими свойствами кристалл.
В режиме дифракции Брэгга, реализуемом в с.в.ч.-диапазоне, при слабом взаимодействии, когда дифракционная эффективность не превышает 10%, интенсивность дифрагированного света задается выражением [5]
/1 = I (п2Ра 1М2)/(ТХ1Н ес82 0 Б),
(2)
где I — интенсивность падающего света; Ь — длина акустооптического взаимодействия; М2 — коэффициент акустооптического качества; — длина световой волны в вакууме; Н — ширина акустического пучка; ©Б — угол Брэгга; Ра — акустическая мощность, которая пропорциональна квадрату амплитуды деформации Б:
Ра = 2 р¥ ЪЬИ\Б\ \
(3)
где р — плотность среды; V — скорость упругой волны.
Объединяя формулы (1)—(3), получаем зависимость интенсивности дифрагированного в кристаллической среде света от напряженности электрического поля между электродами излучающего элемента преобразователя:
11 = кЕ2, (4)
где коэффициент пропорциональности к определяется физическими свойствами акустооптического кристалла и материала пьезоэлектрического слоя, геометрическими параметрами преобразователя, параметрами падающего светового потока, но, что важно, не зависит от местоположения излучающего элемента в многоэлементном преобразователе.
Таким образом, наблюдая распределение интенсивности света в процессе акустооптической визуализации поля упругих волн, возбуждаемых преобразователем, можно судить о распределении электрического поля в нем.
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Оптическая схема экспериментальной установки, реализующей акустооптический метод отображения распределения электрического поля в пьезоэлектрическом многоэлементном преобразователе, приведена на рис. 1.
Процесс получения информации о распределении электрического поля в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе с помощью акустооптической визуализации имеет две важные особенности, которые были учтены при создании экспериментальной установки.
Во-первых, может оказаться, что кристалл, на который необходимо нанести многоэлементный электроакустический преобразователь, не обладает фотоупругими свойствами или они выражены очень слабо. Поэтому для реализации метода торец кристалла, противоположный тому, на котором расположен пьезоэлектрический преобразователь, акустически соединяется с кристаллом, обладающим хорошими фотоупругими свойствами и низким коэффициентом затухания упругих волн на частотах рабочего диапазона преобразователя, например кристаллом ниобата лития ^№03) для дециметрового диапазона длин радиоволн. И операция акустооптического взаимодействия осуществляется в кристалле с заведомо известными фотоупругими свойствами.
Во-вторых, в преобразователях с малыми периодами расположения электродов (доли миллиметра и менее) возбуждаемые соседними излучающими элементами преобразователя акустические пучки перекрываются из-за дифракционной расходимости даже при незначительном удале-
АКУСТООПТИЧЕСКИИ МЕТОД ОТОБРАЖЕНИЯ
59
Рис. 1. Оптическая схема экспериментальной установки. 1 — излучающие элементы многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя; 2 — кристалл с нанесенным преобразователем; 3 — кристалл с ярко выраженными фотоупругими свойствами; 4 — цилиндрическая поверхность сопряжения кристаллов 2 и 3; 5 — падающий плоско поляризованный световой пучок от гелий-неонового лазера (на рисунке показаны только световые потоки, которые будут взаимодействовать с акустическими волнами, возбуждаемыми первым, средним и последним элементами преобразователя); 6 — область акустооптического взаимодействия лазерного излучения и возбуждаемых элементами преобразователя акустических волн; 7 — световые пучки, дифрагированные на генерируемых крайними и средним элементами преобразователя акустических волнах; 8 — сферическая оптическая линза; 9 — матрица фотоприемников.
нии от плоскости преобразователя. Полученная в этом случае в результате дифракции Брэгга на упругих волнах световая картина будет неверно отображать распределение электрического поля в периодической волноведущей системе.
Чтобы зарегистрировать распределение акустического поля вдоль преобразователя в ближней зоне, был использован метод, изложенный в работе [6]. Предназначенные для акустического соединения торцевые поверхности кристалла с преобразователем и кристалла с фотоупругими свойствами имеют вогнутую и выпуклую цилиндрическую форму одинакового радиуса, так что после склейки они образуют акустическую ци-
линдрическую собирающую линзу с фокусным расстоянием
г =
(5)
V - г2
где Я — радиус кривизны цилиндрических торцевых сопряженных поверхностей кристаллов; У1 — скорость распространения акустической волны в кристалле с преобразователем; У2 — скорость распространения акустической волны в фотоупругом кристалле.
Если плоскость преобразователя расположена в фокальной плоскости акустической линзы, то
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.