Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ. АЛГОРИТМЫ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
Посмотреть оригинал

Явления разогрева АОД

В составе акустоопгических радиотехнических устройств СВЧ- диапазона часто используются АОД на основе ниобага лития

(LiNbOO, в которых акустические колебания в объёме звукопровода возбуждаются с поверхности кристалла встречно-штыревыми (ВШП) или щелевыми преобразователями [13, 14].

Поскольку дифракционная эффективность г) этих технологически простых АОД нс превышает 5-8 % / Вт, то, как правило, они работают при повышенных уровнях входной электрической мощности (Рэ> 1 Вт). Воздействие таких мощностей на кристалл сопровождается разогревом среды AO-взаимодействия, связанным с поглощением материалом кристалла существенной части электрической мощности Рэ (и энергии) и преобразованием её в кристалле в тепловую энергию. В результате этого явления изменяются: дифракционная эффективность взаимодействия; скорость распространения акустических колебаний в материале кристалла V; геометрия амплитудного распределения дифрагированного излучения и, как следствие, разрешающая способность АОИПС по частоте.

Ниже представлены полученные экспериментально качественные и количественные оценки степени влияния температурного разогрева среды AO-взаимодействия (связанные с поглощаемой кристаллом АОД электрической мощностью сигнала) на основные параметры дефлекторов. Явление разогрева изучалось на выполненном из ниобата лития промышленном образце АОД, работающем в диапазоне частот 1,5-2,0 ГГц. Акустические колебания в кристалле возбуждались ВШП пьезопреобразователем.

В исследуемом АОД тангенциальной составляющей электрического поля возбуждалась сдвиговая акустическая волна в направлении оси Z. Возбуждение выполнялось с поверхности кристалла среза XY.

Лазерный световой пучок с длиной волны в свободном пространстве Хо = 0,63 мкм распространялся в кристалле светозвукопровода в плоскости YOZ, плоскость поляризации излучения была ей перпендикулярна. При такой изотропной геометрии взаимодействия ниобат лития обладает максимальным коэффициентом качества, а также способностью к эффективному и широкополосному взаимодействию с возбуждаемой ВШП сдвиговой волной.

Кристалл ниобата лития имел размеры 10x10x12 мм3 вдоль граней X,Y,Z соответственно. На грани XY электроды ВШП были ориентированы вдоль направления X. Система электродов содержала 20 элементарных “излучателей” (штырей) с общей длиной h = 0,61 мм и высотой L = 0,64 мм; период ВШП, равный 15 мкм, соответствовал частоте f0= 1730 МГц, на которой выполнялись условия коррекции угла Брэгга [1]. Значение коэффициента стоячей волны по электрическому входу АОД не превышало 1,5 в окрестности центральной рабочей частоты f0, где дифракционная эффективность АОД составляла 5,5 % / Вт. Подводимая мощность Рэ рассеивалась в материале кристалла через металлизированную поверхность грани XY, которая прикреплялась к латунному корпусу АОД. Нижняя грань кристалла специального теплоотвода не имела и ориентировалась держателем (рис. 2.9).

Рис. 2.9

Структурная схема измерительной установки приведена на рис. 2.10.

Рис. 2.10

На этом рисунке: 1 - СВЧ-генератор, 2 - СВЧ-усилитель, 3 - направленный ответвитель, 4 - электронный частотомер, 5 - лазер, 6 - коллиматор, 7 - исследуемый АОД, 8 - фокусирующая линза, 9 - позиционно-чувствительный фотоприемник типа ФПУ-14, 10 - видеоусилители, 11 - схема вычитания, 12 - индикатор.

В целом данная установка соответствует традиционному акусто- оптическому измерителю частоты (АОИЧ) за исключением того, что в ней в пределах элемента разрешения предусмотрено уточнение измеряемого параметра. Оно осуществлялось амплитудным дискриминатором, в котором опорное значение частоты (угла дифракции) соответствует малым по уровню входным радиосигналам.

Экспериментальная установка обеспечивала возможность отсчёта интенсивности дифрагированного излучения I, а также регистрацию изменения местоположения максимума интенсивности х„, с точностью до +2 мкм. Если последний параметр выразить в частотных единицах 6f, го координата хП1 регистрировалась с точностью ~ +0,02 МГц (или в относительных единицах 6f/f0~ 10'5). Это обстоятельство позволило регистрировать изменение скорости ультразвука в теле АОД AV/V с точностью, превышающую точность, обычно обеспечиваемую данным способом: AV/V = 2V2/(f02^.L) и ограниченную минимально разрешимым углом дифракции V/f0L [15J. Подаваемая на вход АОД мощность Рэ изменялась в пределах 0-1,5 Вт; максимальная подаваемая мощность ограничивалась электрическим пробоем ВШП, наступающим при значениях Рэ, превышающих 1,8 Вт.

Результаты эксперимента представлены на рис. 2.11-2.13.

Рис. 2.11

На рис. 2.11 приведены зависимости изменения угла дифракции A0q от Рэ на частоте f = 1700 МГц, зарегистрированные на разных расстояниях D от плоскости размещения ВШП.

Кривая I соответствует минимально возможному расстоянию D = Dmin, а кривая 2 - D = 5 мм, что отвечает области дифракции Френеля (по звуку). Из анализа рис. 2.11 следует, что температурный разогрев АОД значителен вблизи ВШП. При изменении Рэ в пределах 0,5-1,5 Вт “уход” 0q составил А0Ч= (4-10'2)0. Это означает, что при использовании такого АОД в составе АОИЧ, погрешность измерения частоты составит -4 МГц. Поскольку для данного среза кристалла ниобата лития значение температурного коэффициента скорости составило (—1,685х 10-4-1 [16], то, по-видимому, превышение температуры грани XY кристалла над комнатной составляет > 17 °С.

На рис. 2.12 приведены зависимости (1/10) от координаты х (10 - интенсивность в максимуме дифрагированного пятна света при максимальном значении Рэ), зарегистрированные в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции при разных значениях Рэ-

Рис. 2.12

Их анализ показывает, что дифракционное пятно сохраняет постоянство своей формы во всем диапазоне изменения Рэ. Данное обстоятельство позволяет заключить, что при Рэ< 1,5 Вт в АОД не проявляется эффект акустотермической фокусировки лазерного пучка, приводящий к изменению его геометрических параметров, как это имеет место в высокоэффективных АОД [ 17,18J.

В эксперименте выявлено, что в исследуемых АОД, обладающих незначительной дифракционной эффективностью р, и соответственно режим дифракции которых можно считать линейным, с увеличением средней электрической мощности уменьшается эффективность АО- взаимодействия. Так, при обеспечении на входе АОД постоянства импульсной мощности Рэи = 0,7 Вт и периода следования импульсов Т = 500 мкс и при увеличении длительности импульсов т от 50 до 450 мкс импульсная интенсивность дифрагированного света 1ц (при D = DMin) уменьшается на 40 % (рис. 2.13).

Рис. 2.13

Значительное уменьшение (1ц/1ио) (где 1цо - импульсная интенсивность в максимуме дифрагированного пятна света при D = DMin и т = 50 мкс) объясняется как соответствующим изменением в АОД эффективности преобразования электрической энергии в ультразвуковую, так и уменьшением эффективности AO-взаимодействия с ростом температуры.

Изменение (1ц/1цо) означает, что при необходимости регистрации амплитудных параметров радиосигналов с помощью такого АОД зависимость (1и/1ио) = <р(Т,т) будет восприниматься в виде амплитудной погрешности АО-измерителя.

Проведенное экспериментальное исследование, в целом носящее частный характер, позволяет обратить внимание на необходимость жёсткого поддержания температурного режима АОД на основе ниоба- та лития, работающих в составе АОИЧ. Нарушение температурного режима может быть обусловлено значительным уровнем действующих на входе АОИЧ радиосигналов. Соответствующие частотные и амплитудные погрешности АОП будут тем значительней, чем выше дифракционная эффективность АОД, применяемых в его составе.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы