Ukrainian Journal of Physical Optics 

Volume 22, Issue 3, 2021
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Simultaneous acousto-optic diffractions by two lobes of a shaped phased-array transducer 

Illienko M. O., Pilgun Yu. V. and Smirnov Ye. M.

Faculty of Radiophysics, Electronics and Computer Systems, Taras Shevchenko National University of Kyiv, 64/13 Volodymyrska Street, 01601 Kyiv, Ukraine maksym.illienko@knu.ua 

Download this article

Abstract. We consider simultaneous diffractions of light by two lobes of sound radiation pattern in an acousto-optic modulator which is built on SiO2 single crystal and has two-element phased-array transducer with the fixed phase shift  p . Implementation of this diffraction type greatly improves power efficiency of the device. Transducer shaping is used to steer the lobes and satisfy the Bragg’s conditions for simultaneous acousto-optic diffractions. The conditions of the diffraction are defined and a mathematical model for calculating diffraction efficiency is suggested. It is shown that a parallel diffraction regime is almost three times more energy-efficient than a serial regime. Several configurations of transducer elements’ shape are analyzed. In particular, changes in the dimensions of diamond-shaped elements are shown to allow adjusting the operating frequency within 23%. An experimental sample of the device is built.

Keywords: acousto-optic diffraction, phased-array transducer, transducer shaping, lobes of radiation pattern, simultaneous diffraction, diffraction efficiency

UDC: 535.42, 534.522.1
Ukr. J. Phys. Opt. 22 138-150
doi: 10.3116/16091833/22/3/138/2021
Received: 26.04.2021

Анотація. Розглянуто одночасну дифракцію світла на двох пелюстках діаграми направленості звукового випромінювання в акустооптичному модуляторі, що побудований на монокристалах SiO2 і має двоелементний фазовий перетворювач із фіксованим зсувом фаз p . Впровадження такого типу дифракції значно поліпшує енергоефективність пристрою. Зміну форми перетворювача використано для керування пелюстками та задоволення умов Брегга одночасної акустооптичної дифракції. Визначено умови дифракції та запропоновано математичну модель для розрахунку її ефективності. Показано, що паралельний режим дифракції майже втричі енергоефективніший, ніж послідовний режим. Проаналізовано кілька конфігурацій форм елементів перетворювача. Зокрема, показано, що зміна розмірів ромбовидних елементів дає змогу регулювати робочу частоту в межах 23%. Створено експериментальний зразок пристрою.

Ключові слова: акустооптична дифракція, фазований перетворювач, формування перетворювача, пелюстки діаграми направленості, одночасна дифракція, ефективність дифракції
REFERENCES
  1. Gordon I E, 1966. A review of acoustooptical deflection and modulation devices. Proc. IEEE. 54: 1391−1400.
  2. Pinnow D A, 1971. Acousto-optic light deflection: design considerations for first order beam steering transducers. IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics. 18: 209−214. doi:10.1109/T-SU.1971.29621
  3. Antonov S, Prokolov V, Rezvov Y and Vainer A, 2014. Two-element phased-array acousto-optic deflector at high diffraction efficiency: scanning range broadening. Universal J. Phys. and Appl. 8: 90−95. doi:10.13189/ujpa.2014.020206
  4. Aboujeib J, Perennou A, Quintard V and Bihan J, 2007. Planar phased-array transducers associated with specific electronic command for acousto-optic deflectors. J. Opt. A: Pure & Appl. Opt. 9: 463−469. doi:10.1088/1464-4258/9/5/007
  5. Peled I, Kaminsky R and Kotler Z, 2015. Acousto-optics bandwidth broadening in a Bragg cell based on arbitrary synthesized signal methods. Appl. Opt. 54: 5065−5073. doi:10.1364/AO.54.005065
  6. Pepe D R, Wasilousky P A and Krainak M, 1987. A high performance apodized phased array Bragg cell. Proc. SPIE, Opt. Technol. Microwave Appl. III. 789: 116−126.  doi:10.1117/12.940729
  7. Bademian L, 1986. Parallel-channel acousto-optic modulation. Opt. Eng. 25: 303−308. doi:10.1117/12.7973820
  8. Pieper R J and Korpel A, 1983. Matrix formalism for the analysis of acoustooptic beam steering. Appl. Opt. 22: 4073−4081. doi:10.1364/AO.22.004073
  9. Balakshy V I, Parygin V N and Chirkov L E. Physical principles of acousto-optics. Moscow: Radio i Sviaz (1985).
  10. Voloshinov V B and Knyazev G A, 2003. Acoustooptic cells with nonuniform length of light-sound interaction. Techn. Phys. 48: 1475−1479. doi:10.1134/1.1626783
  11. Makarov O Yu and Voloshinov V B, 2005. Visualization of back reflected acoustic waves in paratellurite single crystals by means of acousto-optics. Proc. SPIE, Acousto-Optics and Photoacoustics. 5953: 1−10. doi:10.1117/12.622933
  12. Yurchenko O, Kolyenov S, Pilgun Yu, Pogorielova G, Polishko O, Smirnov E, 2014. Total internal reflection ultrasonic sensor for detection of subsurface flaws: Research into underlying physics. Final report. http://www.dtic.mil/docs/citations/ADA620159 
  13. O’Neill B E and Maev R Gr, 1998. Integral approximation method for calculating ultrasonic beam propagation in anisotropic materials. Phys. Rev. B. 58: 5479–5485. doi:10.1103/PhysRevB.58.5479
  14. Newberry B P and Thompson R B, 1989. A paraxial theory for the propagation of ultrasonic beams in anisotropic solids. J. Acoust. Soc. Amer. 85: 2290–2300.  doi:10.1121/1.397775
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics