Акустический журнал, 2022, T. 68, № 5, стр. 488-495

1. ВВЕДЕНИЕ

Для управления характеристиками оптического излучения используются разные физические эффекты. Акустооптические (АО) методы основаны на модуляции оптических параметров среды в поле акустической волны [1–8]. Принципиальными достоинствами АО-приборов являются: возможность управления интенсивным лазерным излучением, высокое быстродействие, отсутствие механически перемещаемых элементов, малые вносимые световые потери, небольшие габариты и вес. В настоящее время АО-технологии применяются для модуляции добротности лазерного резонатора, селекции импульсов фемтосекундных лазеров, переключения каналов в системах волоконно-оптической связи, углового сканирования (АО-дефлекторы), формирования многолучевого поля при лазерном нанесении изображений, сдвига оптической частоты и других задач.

Основным материалом современных АО-приборов является парателлурит (α-TeO₂). Этот кристалл прозрачен в диапазоне от 0.35 до 5 мкм, имеет высокую лучевую стойкость и феноменально большую величину АО качества (при дифракции на медленной сдвиговой акустической моде). Развита технология производства больших однородных кристаллов размером до 50–80 мм [9–11]. Большая акустическая анизотропия парателлурита вызывает ряд акустических эффектов и способна заметно влиять на характеристики АО-устройств [12–18].

Существенной проблемой в АО-системах (в том числе на основе парателлурита) является влияние тепловых эффектов на стабильность основных параметров [19–28]. В частности, этот фактор ухудшает качество при лазерной обработке материалов. В работе [29] исследована тепловая девиация параметров типичного неаксиального АО-дефлектора на базе парателлурита. В этом случае волновой вектор ультразвукового пучка составляет небольшой угол (α = 6° в цитируемой работе) с осью [110]. Так как фазовая скорость используемой звуковой моды сильно зависит от угла α, возникает явление “сноса” – отклонение направления распространения энергии от волнового вектора (при α = 6° величина сноса равна 45°), что вынуждает увеличивать размеры кристалла TeO₂.

Недавно показано [30], что для формирования многолучевого поля в системах лазерной обработки материалов перспективно использование аксиальной (α = 0°) геометрии АО взаимодействия в парателлурите. Целью настоящей работы является исследование тепловой стабильности пространственных параметров аксиального АО-дефлектора на базе парателлурита в одночастотном режиме.

2. МЕТОДЫ

2.1. Аксиальная дефлекторная геометрия в парателлурите

При аксиальной АО-дифракции в парателлурите звук направлен вдоль оси [110], а взаимодействующие световые волны распространяются под малыми углами к оптической оси [001]. Геометрия имеет следующие важные особенности. Во-первых, скорость используемой акустической моды уникально низкая (v_s = 617 м/с), что обеспечивает в этой геометрии наивысшее значение АО-качества М₂. Во-вторых, звук распространяется без сноса, что уменьшает размер АО-устройства. Фактически, размер кристалла вдоль оси [001] определяется длиной преобразователя L. В-третьих, использование этой геометрии для углового сканирования ограничивает повторная дифракция (двухфононный процесс). На рис. 1 отражены эти основные особенности.

Рис. 1.

Векторная диаграмма и условная схема аксиального АО-дефлектора на основе парателлурита при дифракции (а) – в +1 и (б) – –1 порядок.

Парателлурит является оптически активным кристаллом, поэтому вблизи оси [001] оптические моды “расщепляются”. Величина зазора между волновыми поверхностями в приосевой области почти постоянна, хотя сильно зависит от длины световой волны. Это дает возможность реализовать дефлекторную геометрию: волновые векторы звука (K), падающего света (k_0e – необыкновенная мода) и дифрагированного света (k_±1o – обыкновенная мода) образуют прямоугольный треугольник в центре диапазона пропускания. На рисунке отражены два возможных варианта реализации дефлекторной геометрии, когда рабочим является +1 или –1 порядок. Для перехода от одного варианта к другому достаточно развернуть АО-дефлектор в плоскости дифракции на 180°. Повторная дифракция возникает, когда рабочий порядок направлен почти по оптической оси и между ним и следующим порядком (k_±2e – необыкновенная мода) становится эффективной перекачка энергии [31]. Это приводит к падению эффективности для рабочего порядка в центре полосы пропускания.

2.2. Конструкция АО-дефлектора

Для экспериментов использовался акустооптический аксиальный дефлектор следующей конструкции (рис. 2). Звук возбуждает прямоугольный пьезопреобразователь сдвиговых колебаний из ниобата лития (LiNbO₃) с длиной L = 5 мм (размер по оси [001]) и шириной Н = 4 мм. Технология акустического контакта (акустического согласования преобразователя и ТеО₂) обеспечивает акустическую полосу 20–50 МГц при КСВ < 2 и потери на преобразование 2–2.4 дБ [32, 33]. Кристалл ТеО₂ приклеен к латунному корпусу, вертикальная стенка держателя находится в контакте c тыльной поверхностью пьезопреобразователя через слой жидкости толщиной 5–10 мкм. Жидкостный контакт обеспечивает эффективный отвод тепла от пьезопреобразователя при его акустической изоляции [34, 35]. На противоположном торце кристалла нанесен поглотитель звука в виде эпоксидного слоя. Данная конструкция позволяет использовать АО-дефлектор в непрерывном режиме с мощностью радиосигнала до 7 Вт.

Рис. 2.

Внешний вид АО-дефлектора.

2.3. Измерительная установка

На рис. 3 представлена схема измерительной установки. Лазерный луч (длина волны λ = 0.63 мкм) на входе в АО-дефлектор имел апертуру 2.5 мм и расходимость Θ = 0.7 мрад. Эксперимент проводился на фиксированной частоте звука f = 33 МГц, не попадающей в область эффективной повторной дифракции. С учетом геометрии взаимодействия угол (в воздухе) между падающим светом и рабочим порядком определяется соотношением φ = λf/v_s, что составило в данном случае величину 34 мрад. Измеритель профиля мощности, расположенный в фокальной плоскости линзы, регистрировал диаметр светового пятна D и его смещение ∆d, вызванное тепловыми эффектами. Измерения проводились для падающего и дифрагированного лучей в диапазоне подводимой непрерывной мощности управления до 6.5 Вт. По смещению пятна рассчитывалось угловое смещение ∆θ каждого из лучей, что с учетом вариантов, представленных на рис. 1, дало четыре серии измерений. Кроме того, в каждой серии для взаимодействия использовались три зоны кристалла: у преобразователя (1), в середине (2), у поглотителя звука (3). Условная схема измерений представлена на рис. 4. Знаки “+” и “–” отмечают положительную и отрицательную угловую девиацию лучей, при этом отклонение дифракционного порядка от падающего принято положительным.

Рис. 3.

Схема установки. 1 – АО-дефлектор, 2 – линза, 3 – измеритель профиля луча.

Рис. 4.

(а, в) – Схема зональных измерений угловой девиации падающего и (б, г) – дифрагированного лучей при дифракции в +1 порядок (а, б) и –1 порядок (в, г).

В процессе измерений положения лазера и приемной аппаратуры были неизменными, менялось продольное положение дефлектора и его ориентация.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Практически значимым является отношение углового смещения к полной расходимости света ∆θ/Θ. Зависимость этого параметра от подводимой мощности P представлена на рис. 5.

Рис. 5.

(а, в) – Угловая девиация падающего и (б, г) – дифрагированного лучей при дифракции (а, б) – в +1 порядок и (в, г) – –1 порядок. 1, 2, 3 – номера зон, символы (○, ×, +) – экспериментальные данные, прямые – линейный тренд.

Зональные измерения проводились с некоторой погрешностью положения, поэтому рис. 5а и 5в не являются полностью идентичными при замене знака девиации. Все представленные на рис. 5 данные хорошо аппроксимируются линейной зависимостью.

4. ОБСУЖДЕНИЕ

При анализе и интерпретации экспериментальных данных будем считать, что наблюдаемые эффекты обусловлены температурной зависимостью показателей преломления и скорости звука, а также неоднородностью температурного поля в кристалле.

Значения термооптических и термоакустических коэффициентов разнятся [26, 36–42], но вполне определенно в условиях эксперимента показатели преломления и скорость звука растут при нагревании: dn_o,e/dT > 0, dv_s/dT > 0. Нагрев кристалла вызван выделением тепла у пьезопреобразователя и в поглотителе звука, при этом диссипацию звука в самом кристалле полагаем малой. Для оценки температуры в зонах кристалла, прилегающих к пьезопреобразователю и поглотителю, используем результаты работы [29, рис. 6]. В этом случае для неаксиального дефлектора на базе парателлурита была получена зависимость параметра ∆θ₁/Θ от температуры кристалла при внешнем нагреве и малой управляющей мощности P = 0.1 Вт. Предполагая определенную схожесть результатов, можно (из рис. 5б, 5г) оценить, что при мощности 6 Вт температура в зоне преобразователя около 28°С, а у поглотителя – 70°С. Видно, что основным источником нагрева кристалла является поглотитель звука, а не преобразователь. Очевидно, это следствие эффективного теплоотвода через жидкостный контакт.

Рис. 6.

(а, в) – Качественная схема зональной угловой девиации падающего и (б, г) – дифрагированного лучей при дифракции в +1 порядок (а, б) и –1 порядок (в, г).

Парателлурит имеет относительно небольшую теплопроводность, поэтому два торцевых источника тепла (с учетом теплового потока через боковые грани кристалла) вызывают образование двух тепловых оптических призм. Рост показателя преломления с температурой делает эти призмы оптически более плотными. Как видно из рис. 5a, 5в, из-за сильного нагрева у поглотителя (зона 3) возникает более протяженная призма, ее отклоняющий угол также больше. Как у преобразователя, так и у поглотителя нулевой порядок отклоняется в сторону торцов кристалла, что показано на рис. 6a, 6в.

Так как температурное поле неоднородное, возникающие оптические призмы также являются неоднородными. Поэтому парциальные лучи, составляющие сколлимированный падающий свет с большой апертурой, имеют разную величину девиации. В результате угол расходимости и нулевого и дифракционного порядков увеличивается, размер пятна в фокальной плоскости линзы растет, форма пятна искажается.

Рассмотрим дифракцию отдельного парциального луча. Так как отклонение рабочего ±1 порядка от падающего света равно φ = λf/v_s, то девиация ∆θ_±1 этого порядка является суммой девиации ∆θ₀ нулевого порядка и величины ∆φ, возникающей при тепловом изменении скорости звука: ∆θ_±1 = ∆θ₀ + ∆φ. Вне зависимости от зоны и от ориентации кристалла, нагрев увеличивает скорость звука, и поэтому уменьшает угол φ, то есть ∆φ < 0 (но величина уменьшения зависит от места прохождения света). В результате девиация рабочего порядка складывается из отрицательной величины ∆φ, зависящей только от места входа светового пучка, и девиации ∆θ₀, величина и знак которой зависят как от положения пучка, так и от выбранного варианта дифракции. Следовательно, эти эффекты могут усиливать или ослаблять друг друга. Рис. 6б, 6г иллюстрирует девиацию рабочего порядка в крайних зонах кристалла. Отмеченная неоднородность температурного поля искажает результат дифракции широкого пучка, составленного из большого количества парциальных лучей. Поэтому далее величины ∆θ₀, ∆φ, ∆θ_±1 следует понимать как результат усреднения по апертуре света.

Из рис. 5 и 6 следует, что зональное поведение различается при дифракции в +1 или в –1 рабочий порядок. В первом случае, в прилегающей к преобразователю области (зона 1) действие оптического клина суммируется с влиянием увеличения скорости звука. Девиация ∆θ₁ = –|∆θ₀| – |∆φ| является отрицательной, при этом ее небольшая величина есть следствие хорошего теплоотвода через жидкостный контакт. При удалении падающего света от преобразователя воздействие фактора клина меняет знак, и у поглотителя девиация ∆θ₁ = ∆θ₀ – |∆φ| положительная (зона 3, плохой теплоотвод, высокая температура). Очевидно, что между преобразователем и поглотителем можно найти положение с близкой к нулю девиацией. Это можно объяснить следующим образом. Выделение тепла у торцов кристалла приводит к тому, что градиент температуры по ходу звуковой волны меняет знак и в какой-то точке обращается в ноль. Область за этой точкой (по ходу звука, ближе к поглотителю) ведет себя как слабый оптический клин, вносящий слабую положительную девиацию в нулевой порядок. В результате в этой области ∆θ₀ – |∆φ| ≅ 0, причем с ростом мощности оба фактора растут, сохраняя режим компенсации. Важно, что в этом режиме область взаимодействия имеет небольшую тепловую неоднородность, и угловой спектр мощности взаимодействующих световых пучков будет искажен минимально.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально исследована тепловая угловая девиация нулевого и рабочего порядков в аксиальном акустооптическом дефлекторе на базе парателлурита при управляющей мощности до 6.5 Вт в непрерывном режиме. Измерения проведены в трех зонах кристалла (у преобразователя, в середине и у поглотителя звука) при вариантах дифракции в +1 и –1 рабочий порядок. Показано, что величина девиации во всех рассмотренных случаях линейно зависит от управляющей мощности.

2. Предложено качественное описание девиации рабочего порядка как совместного действия двух факторов. Первый – отклонение нулевого порядка при прохождении двух оптически более плотных призм, возникающих из-за выделения тепла в преобразователе и поглотителе звука. Как у преобразователя, так и у поглотителя нулевой порядок отклоняется в сторону торцов кристалла, поэтому знак и величина этого эффекта зависит от положения апертуры на входной грани кристалла. Второй – уменьшение угла дифракции из-за роста скорости звука при нагреве кристалла. В этом случае от положения зависит только величина эффекта, без изменения знака. Вследствие неоднородности температурного поля отдельные парциальные лучи, составляющие сколлимированный падающий свет, имеют разную величину девиации. В результате угол расходимости и нулевого и дифракционного порядков увеличивается, что не позволяет однозначно разделить вклады двух рассмотренных факторов в усредненную девиацию рабочего порядка.

3. Экспериментально подтверждены и качественно объяснены практически значимые факты. Во-первых, жидкостный контакт между тыльной поверхностью пьезопреобразователя и латунным корпусом обеспечивает эффективный отвод тепла от пьезопреобразователя при его акустической изоляции. Это уменьшает неоднородность температурного поля и повышает стабильность параметров АО-дефлектора в обоих вариантах дифракции при прохождении света через прилегающую к преобразователю область. Во-вторых, при дифракции в +1 порядок между пьезопреобразователем и поглотителем существует зона с минимальной величиной тепловой девиации. Это объясняется взаимной компенсацией положительной девиации нулевого порядка (в поле теплового оптического клина от поглотителя) и отрицательной девиации из-за увеличения скорости звука. При дифракции в –1 порядок такой зоны нет, так как эффективный теплоотвод через жидкостный контакт делает тепловой оптический клин, прилегающий к преобразователя, слишком слабым. Таким образом, в рассмотренной конструкции АО-дефлектора предпочтительным является вариант дифракции в +1 порядок.

Работа выполнена за счет бюджетного финансирования в рамках государственного задания по теме 0030-2019-0014.

Авторы благодарят Благотворительный Фонд Андрея Мельниченко (The Andrey Melnichenko Foundation) за помощь в проведении данного исследования.