3. Прилади та пристрої функціональної електроніки

3.1. Акустоелектроніка та акустооптика

Акустоелектроніка базується на використанні прямого та зворотнього п’єзоелектричних ефектів та на явищі взаємодії електричних полів із хвилями акустичних напружень. По суті, акустоелектроніка займається перетворенням електричних сигналів в акустичні та акустичних – в електричні.

Одним з основних приладів акустоелектроніки є акустоелектронний підсилювач (АЕП). На рис. 3.1 показана схема такого підсилювача на об’ємних звукових хвилях.

Н

Рис. 3.1. Схема та основні елементи АЕП

а протилежних торцевих зрізах звукопроводу (3в) розташовані п’єзоелектричні перетворювачі (П₁ і П₂). Вони за допомогою омічних електричних контактів (К₁ і К₂) підключені з одного боку до звукопроводу а з іншого – до вхідних та вихідних клем. Коли на вхід подаємо змінне періодичне електричне поле U_вх, то у п’єзоелект ричному перетворювачі П₁ виникають періодичні деформації (зворотній п’єзоефект), які збуджу ють акустичну хвилю. Вона розповсюджється у звукопроводі й досягає п’єзопе ретворювача П₂. Він перетворює періодичну деформацію в періодичну змінну напругу U_вих (п’єзо-електрорушійну силу, прямий п’єзоефект). Підсилення напруги U_вих забезпечує взаємодія акустичної хвилі з електронами, що рухаються у звукопроводі завдяки наявності електричного поля Е. Розглянемо цю взаємодії докладніше. Розповсюдження акустичної хвилі означає, що тиск у звукопроводі та п’єзоперетворювачі П₂ змінюється від однієї точки до іншої. У тих місцях звукопроводу (який теж має п’єзоелектричні властивості) , де кристал стискається, утворюються згущення потоку електронів, а де розтягується – розрідження. У згущеннях п’єзоелектрична напруга гальмує рух електронів, а у розрідженнях – прискорює. У згущеннях електрони віддають свою енергію кристалічній решітці звукопроводу, підсилюючи акустичну хвилю, тобто й U_вих.

П

Рис. 3.2. Акустоелектронний підсилювач на поверхневих хвилях: а – схема підсилювача ( ПП – напівпровідник; Пр – п‘єзоелектрик); б – вигляд п’єзоперетво-рювача зверху

одібні АЕП здатні забезпечувати вихідну потужність сигналу ~ Вт, а полосу частот до 3·10⁹ Гц. Об’єм АЕП ≤ 1 см³. Основним недоліком об’ємних АЕП є відносно велике розсіювання потужності у звукопроводі.

Кращими характеристиками володіють АЕП на поверхневих хвилях (рис. 3. 2, а). За допомогою електродів спеціальної форми ( рис. 3.2, б) у п’єзопертворю вачі вводять та з них знімають електричну напругу U_вх і U_вих, акустична хвиля йде вздовж плівки з високою електропровідністю. Плівка нанесена на поверхню напівпровідника, за цією ж плівкою пропускають електричний струм від джерела Е. В плівці відбувається взаємодія потоку електронів з акустичною хвилею. Матеріалом об’ємних та плівкових звукопроводів є напівпровідники з високою електропровідністю та рухливістю електронів, наприклад, Si з n-типом електропровідності та інші. П’єзоперетворювачі виготовляють з п’єзоелектрич них кристалів.

В цілому АЕП є вельми перспективними підсилювачами, особливо для сигналів НВЧ частот.

Акустоо́птика вивчає взаємодію оптичних й акустичних хвиль (акустооптична взаємодія), а також розробляє прилади, що використовують акустооптичну взаємодію. Акустооптичне обладнання дозволяє керувати амплітудою, частотою, поляризацією, напрямком поширення світлового променя.

В будь-якому акустооптичному обладнанні акустична хвиля збуджується за допомогою того або іншого п’єзоперетворювача. Таким чином, акустоопнтичними приладами керують за допомогою електричних сигналів (високої

частоти), які виробляються у відповідних електронних блоках.

Одними з основних акустоопнтичних приладів є акустооптичні модулятори, акустооптичні дефлектори й сканери та акустооптичні процесори. 

А

Рис. 3.3. Акустооптичний модулятор

кустооптичні модулятори –прилади, що керують інтенсивністю світлових променів на основі перерозподілу світлової енергії між світлом, що прох одить без дифракції й дифрагованим. Акустооптичний модулятор (рис.3.3 ) являє собою акустооптичну комірку (АОК), у якій поширюєтьсяамплітудно-модульована звукова хвиля. АОК, у свою чергу, це паралелепіпед (об’єм ~10 мм³) з акустооптичного кристала, до якого прикріплено п’єзопере творювач. Падаючий на АОК світловий промінь частково дифрагує, а відхилений промінь уловлюється фотоприйомним обладнанням. У модуляторах використовується як бреггівська дифракція, так і дифракція Рамана-Ната. Швидкодія модулятора визначається часом проходження звукового сигналу через поперечний переріз світлового променя вона є ~ 10^-6 – 10^-7 с.

Акустооптичні модулятори мають максимально просту конструкцію, але дозволяють здійснювати складні операції в акустооптичних процесорах.

Акустооптичні дефлектори й сканери – обладнання для керування

напрямком світлового променя в просторі. Сканери призначені для безперервного розгорнення променя, а у дефлекторі є набір фіксованих напрямків, по яких повинен відхилятися світловий промінь.

Принцип роботи дефлектора (рис.3.4) базується на дифракції світла

на ультразвукових хвилях, що розповсюджуються в кристалі. Кут дифракції

визначає формула Брегга: sinθ = λ₀/ 2Λ = λ₀ ν/2v, де θ – кут падіння світлового

променя на кристал, λ₀ – довжина світлової хвилі у вакуумі, Λ –довжина звукової хвилі у кристалі, ν та v – частота та швидкість ультразвукових хвиль. На рис. 3.4 стрілками, спрямованими до акустооптичного кристала під кутом θ, показано промінь, що падає на кристал, стрілками, які йдуть від кристала – промінь, що пройшов без дифракції та дифрагований промінь. В результаті дифракції він відхиляється на Δθ. Змінюючи частоту звукової хвилі ν, змінюємо й кут відхилення дифрагованого променя і від переміщується за екраном фотоприйомного обладнання.

Відносна інтенсивність дифрагованого світла визначає відношення: I/I₀ ~2 sin( ½ qLΔθ)/ (qLΔθ), де I₀, I – інтенсивності світла,що падає та дифрагує, відповідно, q = 2π/ Λ, L – апертура ультразвукового променя.

Одним з найбільш ефективних акустооптичних матеріалів є монокристали парателурита TeO₂.

Застосування в АОК двозаломлюючих кристалічних матеріалів дозволяє суттєво поліпшити характеристики дефлекторів.

Акустооптичні процесори. Важливою областю практичного застосування акустоопнтичних ефектів є системи обробки інформації, де акустооптичне обладнання використовують для обробки НВЧ-сигналів у реальному масштабі часу. Акустооптичні процесори здійснюють ті або інші математичні операції над оптичними й акустичними сигналами. Зокрема: корелятори — обчислюють кореляціюдвох сигналів; конвольвери — виконують математичну операцію згортання двох сигналів; матрично-векторні процесори — виконують операціїлинійної алгебри.

Рис. 3.4. Принцип роботи акустооптичного дефлектора : КУ – керувальний сигнал; БУ– блок управління; ПП – п’єзоперетворювач