Magnich_L_N__Molchanov_V_Ya_-_Akustoopticheskie_u (1239102), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Фильтрация дифрагированного излучения осуществляется с помощью маски (рис. 5.6,6). Интенсивность излучения, дифрагированного первым модулятором, пропорциональна \g(t — χ/ν) |2, интенсивность излучения, продифрагированная вторым модулятором,z2пропорциональна \g(i — χ /ν) \ \r(t + x/v) | . Фотоприемник интегрирует интенсивность света по координате, еготок:Отсюда видно, что некогерентный процессор производит свертку квадратов амплитуд сигналов.
Их фазы притакой обработке, конечно, теряются.Высокочастотные процессоры за счет более широкойполосы частот могут обеспечивать примерно такую жевеличину ΓΔ/, что и низкочастотные, однако для радиолокационных применений — основной области использования — необходимы большие времена обработки до92Юамкс. Поэтому работы по высокочастотным процессорам носят, в основном, исследовательский характер —проверяются принципы работы, различные вещества иконструктивные решения.
Параметры некоторых такихпроцессоров приводятся в табл. 5.1. К настоящему моТ а б л и ц а 5.1Тараметры некоторых высокочастотных процессоровНесущаячастота,МГцПолосачастот,МГц1000ПО30050641560307ДинамичесВремяобработки, кий диапазон, дБМКС27,50,25-1012~МатериалЛитератураUNb03РЬМоО4А12О3 (сапфир)Тяжелый флинт[55][591[55][60]менту ситуация должна измениться, так как появлениепарателлурита, обладающего очень низкой скоростьюзвука, позволяет на небольшой линейной апертуре (длина звукового пути 2 см) получать времена обработкидо 30 мкс.
Режим Брэгга для модулятора на парателлурите реализуется уже на частотах порядка 40—60 МГц.Такие процессоры, обладая совокупностью параметров,близкой к параметрам процессоров, работающих в режиме Рамана — Ната, имели бы следующие преимущества: простую, однородную геометрию и небольшиеразмеры, динамический диапазон, не ограниченный шумом комбинационных порядков.6.
Изготовление пьезопреобразователей6.1. Холодная диффузионная сварка в вакуумеВ последнее время разработаны пьезоэлектрики, обладающие высокими пьезоэлектрическими и механическими свойствами, что позволяет использовать их дляизготовления эффективных ультразвуковых пьезопреобразователей. Наибольшее распространение из пьезоматериалов получил ниобат лития ЫМЬОз, преобразова93тели из которого в настоящее время полностью вьнили пленочные преобразователи, получаемые рглением в вакууме.Конструктивно такие преобразователи представляют собой тонкие, соответствующим образом ориен/гированные пластинки ниобата лития, присоединенные/с помощью связующего слоя к поверхности звукопров(Ьда.Технология изготовления широкополосного преобразователя с малыми потерями определяется свойствамиматериалов пьезокристалла и связующего слоя; и ихгеометрией.
Желательно использовать относительно толстые пластинки пьезокристалла, которые тем или инымспособом соединяются со звукопроводом, и затем последующей шлифовкой и полировкой доводить их донеобходимой толщины. Такая процедура общепринята,так как толщина пластинки пьезопреобразователя, работающего на основной гармонике, равна половине длины звуковой волны в пьезокристалле и для преобразователя, работающего на частотах порядка 1 ГГц, непревышает нескольких микрон.Наиболее существенным этапом в изготовлении преобразователя является соединение пластинки пьезокристалла со звукопроводом.
Слой связующего материалавносит дополнительные потери и приводит к акустическому рассогласованию, что в конечном счете ведетк сокращению рабочей полосы частот. Влияние связующего слоя на частотную характеристику преобразователя можно уменьшить, понижая его толщину и выбирая для этой цели подходящие материалы и соответствующую технологию.Среди различных способов соединения пьезокристалла со звукопроводом наиболее перспективным представляется вакуумная сварка, использующая в качестве связующего материала индий [61, 62]. Холодная сваркаобладает рядом преимуществ перед другими способамисоединения. Клеевые соединения достаточно эффективны, но обеспечивают необходимую полосу только на низких частотах (до 100 МГц).
Их единственное преимущество перед индиевым соединением—-низкая стоимость, связанная с отсутствием вакуумной технологии.Определенного внимания заслуживаетультразвуковая термическая сварка (термокомпрессия) [63], обеспечивающая малые потери на преобразование.
Однакоона рассчитана на соединение материалов с незначитед^94ной разницей в коэффициентах линейного расширений.|В противном случае при охлаждении изготовленного пре|образователя до комнатной температуры возможно егоIразрушение. Холодная сварка этими недостатками не>лад^ет. Пьезопреобразователи,изготовленные с ее|помош1ыо, сохраняют достаточно высокую эффективность и широкополосность до частот ^Ί—2 ГГц.[Изьестно, что коэффициент поглощения ультразвукав индии достаточно высок [63].
Кроме того, · акустический импеданс ρι^ι индия, равный ριί>ι=16,4· ΙΟ5 г/см 2 -с,в два \раза меньше акустического импеданса ниобаталития, для которого ρ2ϋ2=33,4·105 г/см 2 «с. Эти обстоятельства обусловливают стремление иметь возможно более тонкий связующий слой индия. С другой стороны,уменьшение толщины связующего слоя ограничиваетсяухудшением акустического контакта и механическойпрочности преобразователя. Установлено, что минимальная толщина слоя индия составляет 0,4—0,8 мкм. Дальнейшее уменьшение его толщины не обеспечивает хорошего акустического контакта. В некоторых случаях дляобеспечения необходимого согласования со звукопроводом толщина индиевого слоя выбирается равной четверти длины звуковой волны. Следует отметить, что при использовании индия весь процесс необходимо осуществлять в вакууме, так как образование окисного слояпрепятствует получению качественной сварки.Недостатком тонких пленок индия является малаяэлектропроводность и низкая механическая прочность,что затрудняет их непосредственное использование в качестве одного из электродов в системе возбуждения преобразователя.
Для устранения этих недостатков используется соединение из последовательно наносимых слоевзолота и индия [62].Подготовленные таким образом поверхности преобразователя и звукопровода приводятся в соприкосновение и спрессовываются под давлением в несколько сотенатмосфер.Типичный преобразователь, возбуждающий продольную акустическую волну, изготовленный по приведеннойметодике на частоту 300 МГц, изображен на рис.
6.1.Звукопроводом служил монокристаллический германий.Ориентация кристаллов ниобата лития и германия показана на рисунке. Там же показаны размеры, характеризующие толщины пластинки ниобата лития и слоев зо95лота и индия. После изготовления на поверхность пкезокристалла напыляется слойсеребрас хрсршм,выполняющий роль второго электрода.На рис. 6.2 приведена экспериментальная частбтнаязависимость потерь на двойное преобразование для это-Аи 0,2 мхм•in 0,45мкмin 0,45мкм'Аи 0,2мкмРИС. 6.1. Схематическое изображение акустооптического элементас преобразователем, изготовленным методом холодной вакуумнойсварки2520 -15 -W200250Sffff350Рис.
6.2. Потери на двойное преобразование в зависимости от частотыго преобразователя (сплошная кривая). Потери на преобразование измерялись хорошо известным импульснымэхо-методом [64]. Величина потерь определялась калиброванным аттенюатором путем сравнения амплитуд основного и первого отраженного импульсов. Суммарные96.Jprдифракционные потери и потери на затухание ультразвука в германии и связующем слое индия изображеныштриховой линией.
Минимальная величина потерь напреобразование за один проход достигает 1,5 дБ на частоте 380 МГц. Неравномерность измеренной частотнойхарактеристики не превышает 3 дБ в полосе частот,составляющей 70% от центральной.6.2. Визуализация акустического поляДефекты, которые могут возникнуть при изготовлении преобразователя (трещины, частичное отслаивание и т. д.) можно выявить исследованием его акустического поля. В этом параграфекратко остановимся на двух основных методах контроля качествапреобразователя с помощью брэгговской дифракции.
Первый изних позволяет получить дифракционную картину акустическогополя, излучаемого преобразователем, в дальней зоне, второй — оптическое изображение акустического поля в непосредственной близости от преобразователя.Если акустооптическое устройство освещать коллимированнымпучком с расходимостью много меньшей расходимости звука, тозависимость интенсивности брэгговского максимума от угла падения светового пучка описывается выражением (1.22). Легко видеть,что при малых углах Брэгга (6Б —>-0) и при слабом взаимодействии (W —>Q) эта зависимость совпадает с дифракционным распределением интенсивности звукового поля в дальней зоне [11].На этом обстоятельстве основан первый метод контроля качествапреобразователей.
На практике акустооптическое устройство удобнорасполагать на столике, вращающемся с постоянной угловой скоростью, а сигнал, пропорциональный интенсивности отклоненногосвета, выводить с фотоприемника на самописец.Hia рис. 6.3 приведена экспериментальная зависимость интенсивностидифрагированногосвета/ι от угла по:ворота cto (отсчитываемого от угла Брэгга) для nipeобразО'вателя на германии, изготовленного на центральную частоту 200 МГц. Кривая на рис. 6.3 OJ25с достаточнойточностьюаппроксимируетсяфункцией типаО2(sin я/*) , что свидетельствует об^~'° о и ϋ ib моднородности излучаемого звукоао,угл.минВОГ°с7етавую картину, представляющую со'бой РаРспреУделенРие звунии акустооптического устройстваСИЛЬНО7-357раСХОДЯЩИМСЯСВеТО'ВЬИМРис- 6·3· Интенсивность дифра™"λ0=3,39 мкм; /z-4; L-2,5 мм97пучком, tia это обстоятельство было указано еще fi работах £б5,6б].Расходимость света в противоположность предыдущему случаюдолжна значительно превышать расходимость звука.
Действительно,если падающий свет фокусируется линзой и акустооптическоеустройство расположено в перетяжке, то при а> 1 в слабом акустическом поле, согласно выражению (1.51), распределение дифрагированного света в дальней зоне представляет фурье-спектр звукового поля преобразователя в плоскости дифракции. Если на путидифрагированного пучка в дальней зоне поместить тонкую линзу,то она выполнит фурье-преобразование падающего на нее свето-Рис. 6.4. Фотография акустического поля решетки, состоящей из четырех преобразователейвого распределения (в данном случае фурье-спектра акустическогополя) и в фокальной плоскости можно будет наблюдать восстановленное световое изображение звукового поля.Разумеется, изображение акустического поля можно получитьи непосредственно в перетяжке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
