книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Рис* 1.27

Рис.1.26. Зависимость мощности обратного рассеяния от длительности импульсов прямоугольной (1,4), экспоненциальной (2,5) и колоколообразной (3,6) формы при 0 = 0,025рад; Н * - 0,1 м; оп« 0,05м”1 (4,5,5); оп 2м-*(1 ,2 ,3 )

Рис.1.27. Влияние коэффициента аэрозольного рассеяния на амплитуду обратного рассеяния импульсов прямоугольной (1,4), экспоненциальной (2,5) и колоколообразной (3,6) форм при 0 * 0,025ращ Я* = 0,1м; ти=20нс (1,2,3); ти=3 нс (4,5,6)

текущей дальности я ,т .е . при этом требуется наименьшая ”мертвая зона”. Зависимрсть интенсивности обратного рассеяния от длительности зондирующих импульсов различной формы (рис.1.26) показывает, что даже при сокращении т зт 100 до 20 нс амплитуда помехового сигнала снижается в 1,24, в 1,61 и в 1,87 раза в случае прямоугольной, экспоненциальной и колоколообразной формы соответственно. Интересно, что при х < 60 нс, о = 0,2 м-1 минимальный уровень

Обратного рассеяния обеспечивается при колоколообразной форме излучаемого «мпульса. В случае длительностей, больше указанной, наименьшая амплитуда

вх получается при экспоненциальном импульсе.

31

Аналогичный характер имеют кривые *вх (О ) (рис.1.27). При этом можк^ отметить следующее: чем больше плотность аэрозольных образований, тем меньший выигрыш по величине обратного рассеяния достигается за счет сокращения длительности т , особенно при прямоугольной форме сигнала Действительно, при переходе от длительности сигнала т = 3 нс (о = 0,0 и 1,0) изменение уровня обратного рассеяния составляет в случае прямоугольной формы 3,6 и 1,6 и соответственно 4 и 2,44 при.о 1,0 и 0,2 м~* - для колоколо­ образной формы.

Причина этого заключается в уменьшении гдубины проникновения излучения в аэрозольное облако. Соответственно глубина, а не длительность т определяе! протяженность области обратного рассеяния.

Влияние диаграммы направленности оптической системы локатора на мощность помехового сигнала на входе приемника показано на рис. 1.28. Зави* симость Р& (0) имеет два характерных участка При узких диаграммах направ

ленности объективов увеличение угла 0 приводит к возрастанию амплитудь помехового сигнала за счет большего объема обратного рассеяния (большей площади перекрытия S00 на дальности, где формируется максимальная отра

женная мощность).

Дальнейшее увеличение угла (0 > 10 мрад) приводит к стабилизации уровн/ (тем раньше, чем больше расстояние до кромки облака) и даже к его снижении (кривые 7,8,9 рис.1.2Q. Это объясняется проявлением эффекта экранирование

излучения лри большом числе аэрозольных частиц, приходящихся на один фотон Таким образом, в оптических локационных системах, с точки зрения обес печения минимума уровня обратного рассеяния, длительность импульса излу чения должна минимизироваться, >а форму излученного импульса желательнс приблизить к колоколообразной. В свою очередь, с точки зрения сокращена теплового разогрева кристалла ПКГ и увеличения частоты повторения зонди рующих импульсов, форма излученного сигнала должна приближаться к прямо

угольной.

1.4. ДЕФЛЕКТОРЫ

Под сканированием лазерного луча понимается пространственное пере мещение осуществляемое по определенной траектории с известной скоростьк Устройства, позволяющие пространственно перемещать луч, называютс системами сканирования или оптическими дефлекторами.

Основные требования, предъявляемые к устройствам, управляющим отклс нением луча ПКГ, заключаются в большой скорости (частоте) и высокой точност отклонения, малых потерях энергии излучения, небольших фазовых искажения фронта оптической волны, умеренном уровне управляющего напряжена линейности и величине отклонения.

По физическим принципам взаимодействия оптического излучения с активно средой методы сканирования можно подразделить на [20-29] отражающие

преломляющие, дифракционные, киноформные, двулучепреломляющие и инте| ференционные.

По характеру отклонения луча различают непрерывные и дискретны дефлекторы.

С точки зрения расположения управляющих элементов устройства откл< нения могут быть разделены на внутрирезонаторные и с внешним управление!

32

^Соответственно, по физическим принципам из всех сканирующих систем можно выделить оптико-механические, электрооптические, акустооптические, пьезо­ электрические и Т.Д.

Из рассмотренных возможных методов сканирования оптического излучения подробнее остановимся на следующих:

отклонение луча на пъезоэлементах, сканирование с помощью электромагнитных систем,

сканирование с помощью акустооптических дефлекторов, отклоняющие электромеханические системы.

Такой выбор обусловлен тем, что в данных направлениях получены резуль­ таты, наиболее близкие для использования в малогабаритных оптических пере­ датчиках с инжекционными лазерами. Следует отметить также перспективные принципы конструирования полупроводниковых излучателей с управляемым положением диаграммы направленности.

Электромагнитные отклоняющие системы

В качестве электромагнитных отклоняющих систем для целей сканирования лазерным лучом могут служить гальванометры, применяемые в светолучевых осциллографах, в различных измерительных стрелочных приборах. К основным

недостаткам подобных устройств следует отнести невысокую виброустойчивость, малые размеры зеркала, низкую частоту сканирования. Однако они имеют малые габариты, просты в управлении и дают возможность получения больших углов отклонения.

Рис.1.29. Амплитудно-частотные характеристики (а) и зависимости угла откло-

нения от амплитуды входного напряжения (б) оспиллографических гальвано­ метров М018-15000и М1007-5000

Так, с помощью гальванометров М1007-5000 и М018А-15000 получены оответственно следующие параметры отклонения: (Пах= 32,7° при / с = 4 кГц

0<якя max = М ° ПРИ Д = кГц. Амплитудно-частотные характеристики и завиимость угла отклонения от амплитуды для этих типов гальванометров при­ едены на рис.1.29. Параметры осциллографических гальванометров с жидэстным успокоением приведены в табл. 1 .6 .

Легкий

33

					Таблица 1.6^
	Параметры осциллографических гальванометров
	Рабочая	Чувстви­	Внутрен­	Макси­	Собствен­
Гальванометр	полоса	тельность	нее сопро­	мальный	ная час­
	частот, Гц	к току,	тивление,	ток, мА	тота резо­
		мм/мА	Ом		нанса, Гц
М014-2500	0-1600	в	2 1	50	2500
М014-3500	0 -2 2 0 0	2,5	2 1	60	3500
М014-7000	0-5000 '	0,7	2 1	80	7000
М014-10000	0-7000	0,6	15	80	10000
М1007-2500	0-1250	45,5	50	50	2500
М1007-5000	0-2500	6,4	220	15	5000
М1007-10000	0-5000	1,6	2 20	20	10000

Пьезоэлектрические сканирующ ие системы

Для сканирования лазерного луЧа могут быть использованы устройства, основанные на обратном пьезоэлектрическом эффекте, - при внесении крис­ талла в электрическое поле в нем возникают деформации сжатия, растяжения или сдвига, в зависимости от взаимного расположения электрической оси кристалла и ориентации силовых линий поля.

Рис.1.30. Конструкция пьезоэлектрических дефлекторов: а - пластинчатый дефлектор на основе биморфного пьезоэлемента; б - двухслойный пластинчатый дефлектор; в - пассивно-активный пластинчатый дефлектор, где 1,2 - активные пьезоэлектрические пластины с напыленными электродами; 3 - отражательный элемент; 4 - держатель; 5 - пассивная металлическая пластина

Наиболее широкое применение находят дефлекторы в виде консольн закрепленной пластины. По конструктивному исполнению пьезоэлектрически пластинчатые дефлекторы разделяют на биморфные, двухслойные и пассивн< активные (рис.1.30). Для получения большей амплитуды колебаний, а следов* тельно, и большего угла отклонения подобные системы возбуждают на частот одного из резонансов пластины подачей переменного напряжения псрядка 10 0

на напыленные электроды пъезоэлемента.

34

Приведенные типы дефлекторов обладают различными амплитудными и частотными характеристиками. Биморфнь>е и двухслойные являются более низкочастотными и дают меньшие углы отклонения. Так, биморфный дефлектор

[23]	из пъезокерамики ЦТС-19 размером 50x10 мм на	резонансной частоте
/с =	160 Гц позволяет получить угол отклонения еоткл =	2,5°, двухслойный -
00^ = 5 ° при / = 230 Гц.
	Наибольший эффект достигается на активно-пассивных дефлекторах, которые

на третьей резонансной частоте до 2 0 кГц позволяют получить угол отклонения

0 ^ = 6°» а на частотах около 500 Гц - до 50°.

Основными недостатками пьезоэлектрических дефлекторов являются низкая прочность, виброустойчивость и резкая зависимость амплитуды углового откло­ нения от частоты возбуждения.

Акустооптические дефлекторы

Работа акустооптических дефлекторов (АОД) основывается на явлении дифракции света на акустической волне, которая в акустооптической среде является волной сжатия и растяжения, распространяющейся с определенной скоростью. Под акустооптической средой понимается среда, компоненты тензора диэлектрической проницаемости которой зависят от параметров акустической волны.

Таким образом, упругая волна в акустооптической среде есть чередование областей с разными диэлектрическими проницаемостями и разными коэффи­ циентами преломления. Акустооптические среды, как правило, немагнитны, т.е. представляют собой фазовую решетку с периодом, равным длине волны ультра­ звука. Подбирал нужным образом параметры фазовой решетки, можно скон­ центрировать энергию в дифракционном максимуме того или иного порядка, ослабляя остальные, в том числе и нулевой (например синусоидальная решетка приводит к образованию максимумрв только порядка ±1 ). Это позволяет* эффек­

тивно отклонять луч света, падающего на фазовую решетку, путем концентрации энергии дифрагированного света в определенном максимуме и изменения углового положения этого максимума вследствие управления параметрами решетки.

При этом необходимо отметить, что дифракция происходит на бегущей с определенной скоростью волне, т.е. имеет место эффект Доплера: частота дифрагированного света смещена на величину, равную частоте звука [26].

Характер этой дифракции существенно зависит от длины области взаимо­ действия света и звука Д7. При достаточно малой Д/ дифракционная решетка может считаться плоской и направления на дифракционные максимумы определяются как в обычной плоской решетке

sin 9m= sin 0о+ т А Д ,

где em- направление на m-й дифракционный максимум; \ - длина волны света; длина волны звука; л - показатель преломления; е0- угол падения излучения.

Такая дифракция называется дифракцией Рамана-Ната и характеризуется значительным набором дифракционных максимумов, происходит она при любом угле падения света на решетку.

При достаточно большом / дифракционная решетка является трехмерной. Дифракция происходит только при определенных углах падения света на решетку,

Удовлетворяющих условию Вульфа-Брегга: sin ев = \ / 2 А п		и носит название
3*	'	35

дифракции Брегга Для нее характерно наличие лишь одного дифракционного максимума (при относительно малой акустической мощности).

Количественно режим дифракции (Рамана-Ната, Брегга) можно определить с помощью волнового параметра задачи дифракции света на ультразвуке [23] Q • & 1/ 2 п к 0, где к =■2 л/Л - волновое число ультразвука; к0= 2 ял Л - волновое

число света

При Q « 1 имеет место дифракция Рамана-Ната, при Q » 1 - дифракция

Брегга Для сканирования можно использовать оба вида дифракции.

Недостатком брегговских АОД является угловая селективность дифракции, что приводит к необходимости увеличения расходимости ультразвукового пучка для обеспечения заданного углового диапазона сканирования. Увеличение расходимости, в свою очередь, сказывается на энергопотреблении АОД, т.к. в дифракции участвует только часть энергии ультразвукового пучка, направление распространения которой отвечает условию Брегга Вообще эффективность брегговских дефлекторов достаточно велика: интенсивность - 1 -го максимума определяется как L t = I0 sin2 ДФ/2 [23], где ^ - интенсивность падающего луча; А Ф = 2л1ДлА • При АФ вся энергия падающего света перекачивается в -1-ый

максимум. ч

Взначительной мере от недостатков, присущих брегговским АОД (узкая оптическая полоса, большая расходимость ультразвукового пучка), свободны АОД

санизотропной дифракцией; в которых для получения заданного разрешения требуется значительно меньшая расходимость акустического пучка Рассмотрим акустооптические свойства применяемых материалов.

Вкачестве материалов для акустооптики используют как твердые так и жидкие среды.

Какустооптическим материалам предъявляется ряд требований: возмож­ ность использования в видимом и ИК-диапазоне, высокая прозрачность, высокая эффективность дифракционного рассеяния, малое звукопоглощение на рабочих акустических частотах

Такие важные характеристики акустооптических устройств, как дифрак­ ционная эффективность и потребляемая мощность, в первую очередь, опреде­ ляются свойствами среды, в которой осуществляется взаимодействие света с ультразвуком. Основным критерием при выборе фотоупругой среды является акустооптическое качество М [26], которое характеризует эффективность взаимо­

действия независимо от геометрии светового й акустического пучков. Чем выше Af, тем меньшая акустическая мощность требуется для получения необ­

ходимой дифракции.

Наряду с М для оценки качества акустооптических материалов используются

и другие характеристики, которые определяют акустооптическое качество в некоторой полосе частот Д Г(М9 или по высоте пучка (M'jl

-Большое акустическое качество материала еще не определяет полностьк его пригодность для применения в акустооптических устройствах Необходимс учитывать и такие свойства материала, как затухание ультразвука, поглощение света в рабочем диапазоне длин волн, возможность получения образцов доста точного размера, химическая устойчивость, температурная стабильное^ параметров.

Первыми веществами, которые начали применяться в акустооптике, бы/ жидкости. Несмотря на то, что жидкости обладают большим поглощение (это ограничивает их применение диапазоном частот до 50 МГц) по сравнению

36

					Т а б л и ц а		1.7
	Акустооптические свойства некоторых жидкостей
Материал		л	V-10*3,	М-1015,	М Ч 0е,	М 'Ч О11
			м/с	с3/кг	м*с/кг	м-с^/кг
Вода	Н20	1,33	1,49	126	37,2	25
Этиловый спирт С2 Н5ОН		1,37	1,15	415	74	- 65
Четыреххлористый		1,46	0,92	840	104	113	•'
углерод ССЦ
Бензол С6Нб		1,49	1,29	645	160	124
Нитробензол СбН51Ч02		1,53	1,46	410	134	92
Ацетон (СН3)2С 0		1,37	1,16	440	81	70
ХлороформСНС13		1,46	0,98	610	84	86
Йодистый метилен СН212		1,76	0,96	10 10	162	169

				Таблица 1.8
	Физико-химические свойства полиэтилсилоксанов
Температура	Вязкость	Плотность	Температура	Температура
кипения, бС	при 20 °С	20 °С	ВСПЫШКИ, °С	затвердевания,
при р = 1	сСт	г/см3		°С
мм рт.ст.
110-150	10	0,92	130	нижеЧ05
150-185	24	0,95	142	ниже-405
185-250	40-48	0,97	170	ниже -70
250	200-450	0,99-1,02	250	ниже -7 0

твердыми материалами, они часто используются в АОД, т.к. обладают большими значениями коэффициентов акустооптической эффективности и более низкой скоростью звука (табл.1.7).

В наибольшей степени требованиям, предъявляемым к акустооптическим материалам, отвечают кремнийорганические жидкие диэлектрики малой вязкости полидиметилсилоксаны, полиметилфенилсилоксаны, полиэтилсилоксаны (табл.1.8). В жидких кремнийограничеких полимерах сочетаются многие ценные свойства, среди которых наиболее существенными являются высокая нагревостойкость и химическая инертность, низкая температура застывания, малый температурный коэффициент вязкости, а также высокие электрические харак­ теристики в широком интервале частот и температур. Жидкие полиорганосилоксаны представляют собой полимерные соединения с относительно низкой степенью полимериз!ации, молекулы которых содержат повторяющуюся силоксановую группировку - Si—О—Si—О атомы кремния которой связаны с чоргани-

ческими радикалами.

Полиметилсилоксаны представляют собой прозрачные бесцветные жидкости, Растворимые в ароматических углеводородах, дихлорэтане, четыреххлористом углероде, смеси спирта и бензола, петролейном и этиловом эфирах и некоторых Других органических растворителях. Они не растворимы в спиртах и ацетоне,

37

химически инертны, не оказывают агрессивного действия на металлы и не взаимодействуют с большинством твердых органических изоляционных мате­ риалов и резин.

Промышлейность выпускает большую группу полисилоксановых жидкостей, в основном линейного строения, отличающихся друг от друга вязкостью, т.е. длиной полимерной молекулы, £ и tgp их мало зависят от частоты в пределах

102-1 0 10 Гц. Вязкость почти	не меняется от температуры.	2 ,0- 2 ,8 ; р =
Электрические свойства полисилоксановых жидкостей: £ =
= 10м Ом-см; tgfi = 0,002; Е ^= 120-200 кВ/см.		температурах
Изменение вязкости	полиметилсилоксановых масел при

t£= (от +100 до 35 °С) происходит в 7 раз чаще, тогда как нефтяного трансфор­

маторного масла в тех же пределах - в 1800 раз. При облучении (десятки Мфэр) вязкость сильно нарастает, а электрические свойства ухудшаются. При даль­ нейшем облучении жидкость превращается в каучуковую массу, затем в твердое хрупкое тело.

Полиметилфенилсилоксановые жидкости более стойки к действию радиа­ ционного облучения, чем полиэтил- и полидиметилсилоксановые. Жидкие полиметилфенилоксаны получаются гидролизом фенилметилдихлорсилана или совместным гидролизом деметил- и дифенилдихлорсиланов.

Среди твердых материалов, которые могут быть применены в ближнем ИК-диапазоне, высокой акустооптической эффективностью обладают фосфид галлия (GaP), парателлурит Т е02 молибдат свинца РЬМоО* и др. Параметры

некоторых кристаллических материалов приведены в табл. 1.9.

Преимущество кристаллических сред, с точки зрения акустооптики, в том, что они позволяют создать устройства, для работы которых анизотропия крис­ таллов принципиально необходима. Так, анизотропия кристаллов позволяет получить широкую амплитудно-частотную характеристику дифракционных дефлекторов без коррекции угла Брегга.

Твердые материалы обладают меньшим звукопоглощением и могут при­ меняться на частотах до 500 МГц, что позволяет увеличить разрешающую спо­ собность и увеличить угол отклонения луча до 6 ° и более. В качестве откло­ няющего устройства для электронного сканера в диапазоне длин волн 0 ,6- 0 ,9 мм

исследовались	анизотропный неаксиальный			акустооптический дефлектор				на
						Таблица		1.!
	Акустооптические свойства кристаллов
Материал	Область	V-10 -3 ,	п	М-1015,	М Ч О8,	М Ч 0 11,	р -10 -*
	прозрач­	м/с		с3/кг	2	м*с2/кг	кг/м3
	ности, мкм				м *с/кг
-С -НОэ	0,3-1,8	2,44	1,98	86	103	42	5,0
РЬМ00 4	0,42-5,5	3,63	2,3	36	113	31	6,95
Т©О2	0,35—5	4,2	2,3	1200	-	-	6,0
Te3PSe4	0,85-8	2 ,2	2,9	2140	2950	1340	6,1
GaP	0,6 - 1 0	5,5	2,3	38,6	268	48,8	5,4
Ge	2 - 2 0	5,5	4,0	260	3150	570	5,38
LiNbOa	0,4-4,5	6,6	2,3	2,9	9,2	2,4	4,63

38

^основе парателлурита, геометрия которого представлена на рис. 1J31. Источ­ никами оптического излучения служили гелий-неоновый лазер ЛГ-79 и полу­ проводниковый инжекционный лазер ИЛПН-108. Результаты измерения углового отклонения, приведенные в табл. 1.10, получены для АОД на основе парателлу­ рита При этом лазер ЛГ-79 использовался для сравнения характеристик дифракции в монохроматическом свете и дифракции пучка света с огибающей спектра по уровню 0,5,равной 10 мм (ИЛПН-108).

Збукопомотшгшь

Рис.1.31. Геометрия анизитропного неаксиального дифракционного деф­ лектора

flbejonptoSpajoSan&Ab

i

Таблица 1.10

Результаты экспериментальных исследований углового отклонения

YJB. МГц	50	60	70	80	90
0 °	2,9	3,6	4,3	6,5	8,7		He + Ne
0°	3,8	4,6	5,8	8,1	9,9	-	ИЛПН-108

Изменение углового положения -1 -го дифракционного, максимума в полосе частот 40 МГц с центральной частотой 70 МГц равно 6 °, что согласуется с

расчетами. Результаты измерения отношения интенсивности первого максимума к интенсивности нулевого приведены в табл.1.11. Интенсивность нулевого максимума составляла 3,2 мВт. Таким образом, полоса сканирования получилась порядка 10 МГц. Зависимость эффективности дифракции от приложенного к пъезопреобразователю напряжения представлена на рис.1.3 2 .

							Таблица		1.11
	Результаты измерения интенсивности дифракционного максимума
	/» . МГц	40	50	60	70	80	90	Примеч.
ltl	-10-а Вт/ м1	-	-	2,6	12,4	6,0	—т	tf„p = 1 V
/ (1	-10- 2 Вт/ м?	- ,	-	5,4	36,6	14,8	и	Vnf= 2 V
	Максимально достигнутая эффективность составила 4% , при этом наблю­
дались два примерно равных по интенсивности максимума + 1 и - 1								порядков,
таким образом, дифрагировало лишь 8 % падающего света (рис.1.33).									пути
	В таких дефлекторах			не было	замечено	влияния	установки на

падающего света в плоскости распространения акустической волны на эффек­ тивность дифракции. (

39

м ?

О * /	1	лл>	0	2	*	' V
Я	70	Щ ^ М Г ц
	Рис. 1.32				Рис. 1.33

Рис.1.32. Зависимость интенсивности (1,2) и углового смещения (3,4) первого максимума от частота ультразвука: 1,3 - к * 0,63 мкм; 2,4 - X =0,81 мкм,

^ — ^во*б = 2 В; 2 — l/ BOj6 = 1В

Рис.1.33. Зависимость эффективности дифракции в первом максимуме напря­ жения преобразователя i

Следует отметить, что в литературе описан ряд подобных экспериментов. Так, в [^3] представлены данные, что при исследовании неаксиального дефлек­ тора с такими же параметрами эффективность дифракции составила 92%. Однако опубликованные результаты получены с применением лазеров с моно­ хроматическим поляризованным излучением и малой расходимостью пучка У полупроводниковых лазеров ширина спектра излучения составляет 0,2-4 нм. Большое тело свечения у импульсных полупроводниковых лазеров не позволяет

получить малый угол расходимости светового пучка, что уменьшает эффек- < тивность дифракции в дефлекторе. Поэтому предельной величиной эффективности дифракции для полупроводниковых лазеров ближнего ИК-диапазона можно считать 30-60 %.

Возбудитель жидкостного дефлектора представляет собой пьезо­ преобразователь, выполненный из пластины монокристалла ниобата лития полуволновой толщины с обкладками из железоникелевого сплава [25]. Пъезопреобразователь крепится к корпусу дефлектора с помощью металлической связки на основе припоя ПРИОМ к металлизированной поверхности стеклянного клина, который выполняет роль согласующего материала для уменьшения отражения ультразвуковой волны от границы раздела жидкости и пъёзопреобразователя, а также для подавления отраженных от границы раздела жидкость- стекло вторичных волн ультразвука.

Корпус дефлектора выполнен из металла, внутри корпуса находятся полости для прохождения ультразвуковой волны, а также стеклянные окна для пропус­ кания лазерного излучения. Для гашения ультразвуковой волны в корпусе имеются две ловушки, представляющие собой цилиндрические полости. В качестве рабочей жидкости использовались 17%+iый раствор этилового спирта в дистиллированной воде и кремнийорганическая жидкость. Источником излучение служили гелий-неоновый и полупроводниковый (ИЛПН-108) лазеры.

40