CN1195122A - 多通道声－光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种采用具有多个用于声波换能器的装配面的晶体的多通道声－光调制器。所述装配面被定向,以使装配在其上的声波换能器产生以公共角,即布喇格角,与入射激光束相交的声场。双通道声－光调制器采用两个换能器。更多通道的情形依此类推。由于每个换能器的声场都以唯一的方向与入射光束相交,所以每个一阶光束都以唯一的轴向被衍射。采用多通道声－光调制器的***具有用于控制到换能器的驱动信号的电子装置,用于控制每一通道。驱动信号的幅度和频率调制使得光束的强度和角度可控。

Description

多通道声-光调制器

发明领域

本发明涉及光学领域，尤其是声-光调制器和采用这些调制器的***。

背景描述

声-光调制器(AOMs)常用来剖分和/或调制激光光束。声-光调制器的基本原理是易受压力影响的透明介质的折射率发生变化。比如当压力是由压电换能器产生的高频声波时，折射的变化是周期性的。周期性折射模式的作用是产生所谓布喇格衍射的衍射光栅。未被衍射的光束称为零阶光束，被衍射的主要光束称为一阶光束。

激光光束的幅度调制是诸多应用的另一要求。声-光调制器中被衍射的光量是所采用的声波功率的函数，因此可以通过改变声波功率来改变调制。采用现有技术由初始入射光束产生第二调制光束，需要第二声-光调制器与第一声-光调制器串联。用这种方法产生的第二调制光束的强度或大小可能与第一调制光束相差很大，且可能混有第一调制光束的调制特性。

激光的很多应用要求采用分光器由初始光束得到两束强度相同的光束。传统的空间分光技术，例如部分反射/透射透镜涂层，可以产生两束强度最多约为50％的连续光束。传统分光器的另一缺点是它们不能适用于所有波长。机械的分波或斩波技术，例如旋转多角镜，具有与运动要素，比如速度的变化和限制，相关的上述所有缺点。

发明概述

本发明是一种多通道声-光调制器(MCAOM)和一种采用所述多通道声-光调制器的激光器***。所述多通道声-光调制器是有着广泛应用的通用光元件。最简单的用途是在单个晶体里提供多个现技术制造的声-光调制器的功能，结果是具有价格比较低廉、结构比较简单的优点。功能更强大的实施例是多通道声-光调制器能产生多束强度均与入射光束接近的调制光束。这样产生的多束已调光束两两之间强度几乎相同。双通道声-光调制器(DCAOM)通过从单个入射光束产生两束已调且空间分离的光束，解决了串联声-光调制器引起的光束混杂的现有技术问题。

由多通道声-光调制器产生的多个光束可以由电子装置独立控制，而不需要互相相关。任一时刻衍射光束的总能量加起来要小于入射光束的能量，但在此限制范围内，多个光束可以被交换，独立地被调制以及被扫描。

多通道声-光调制器采用一种具有多个声波换能器的装配面的晶体。双通道声-光调制器的晶体有两个装配面可被用来装配声波换能器，从而产生以公共角，即布喇格角，与入射光束相交的声场。三通道声-光调制器有三个晶面，其余类似。更多通道的情形依次类推。

多通道声-光调制器晶体的装配面可以被定向，以便激励任一换能器，产生相应的被衍射出去的一阶光束。由于每个换能器的声场都以唯一的方向同入射光束相交，每个一阶光束都以唯一的轴向被衍射出去。

应用多通道声-光调制器的***具有用于控制换能器的驱动信号的电子装置，以便控制每个通道满足应用***的要求。驱动信号的幅度和频率调制使得光束的强度和角度可控。

附图简介

图1为根据本发明，采用一个双通道声-光调制器***的方框图。

图2为根据本发明的双通道声-光调制器的控制功能。

图3为一种用于现有技术声-光调制器的晶体。

图4a-b为一种根据本发明的双通道声-光调制器组合。

图5a-b为一种根据本发明的采用正方棱锥平截头体形状晶体的四通道声-光调制器组合的顶视图和侧视图。

图6a-b为一种根据本发明的采用斜截直线形晶体的四通道声-光调制器组合的顶视图和侧视图。

图7a-b为一种根据本发明的采用斜截圆柱体形状晶体的四通道声-光调制器组合的顶视图和侧视图。

图8为一种根据本发明，用于双通道声-光调制器中，在入射面上有防止反射的斜面的晶体。

图9为一种在一具有圆盘结构仪器中的双通道声-光调制器的应用。

图10为双通道声-光调制器中换能器驱动信号的一种可能的控制方法。

发明详述

由于传统的声-光调制器常常被设计成基本采用单一波长的光工作，所以晶体材料的选取依赖于波长。已知材料的适用波长范围为0.2微米-20微米。本发明中多通道声-光调制器的材料的选取是根据这些已知的原理。这意味着可以制造出任意波长的多通道声-光调制器，只要能找到可用于声-光调制器的晶体。多通道声-光调制器的通道设计数目只受如下所示晶体中声场的几何形状要求的限制。本发明首先在一个双通道的实施例中描述。

图1为一种根据本发明的双通道声-光调制器的方框图。激光器11产生被导入晶体12的光束。此激光器可以是任何类型的，脉冲型或连续型的。激光的波长对于所述晶体必须是透明的。晶体12在两个相对的晶面上装配了由电信号产生声波的换能器13a，13b。典型的换能器是压电装置，以粘附或机械方式装配在所述晶体上。每个换能器由它自身的调制信号A和B控制。驱动换能器的电信号的幅度和频率调制可以采用标准技术。单个零阶光束15从晶体中出射。当两个换能器都没有被激活时，零阶光束15与入射光束相同。激活换能器13a导致一部分入射光束被衍射进入被称为A1光束的一阶光束14a中。同样地，激活换能器13b导致一部分入射光束被衍射进入同为一阶光束B1的光束14b中。即便在典型的最大衍射达到80-90％时，零阶光束或残留光束总会以某种幅度大小存在。

尽管对一些应用而言，在某一时刻使用不止一个换能器被驱动的多通道声-光调制器是可能的，也是所希望的，但是，所得到的光束的能量与可从入射光束得到的最大能量相比，肯定要减小，因为衍射光束只是入射光束的一部分。如果在某一时刻，只允许一个换能器被激活，衍射光束就可以被驱动到它的最大幅度。当工作在这种模式时，多通道声-光调制器可产生一系列最大限度地类似入射光束且强度为其80-90％的一阶脉冲型光束，因此优于由现有技术产生的一系列光束的一些应用。也请注意，每个一阶光束的大小可以做到基本相同，因为每个光束的光路非常相似。同时必须注意到，尽管现有技术制造的声-光调制器有两个输出光束，即零阶光束和一阶光束，它们的光路和大小相似，但是，它们的幅度并不完全相符，因为100％的衍射是不可能的。

在现有技术的串联声-光调制器装置中，要产生两个相似光束，有两种可能的结构。可以从AOM-1中取出一阶光束作为A光束，然后把零阶光束导入AOM-2产生第二个一阶光束作为B光束。显然，A光束和B光束的光路差异很大，因此，由于幅度和光束大小的差异，采用这种装置要得到非常相似的光束很困难。也可以通过把AOM-1的一阶光束导入AOM-2，把从AOM-2传出的零阶光束和一阶光束作为A光束和B光束。在这种结构中，不存在光路不同的问题，因为两光束都经过了AOM-1和AOM-2。然而，通过了两个而不是一个声-光调制器的较长光路由于衍射会导致影响脉冲的上升时间的光束大小的增加。同时由于不可能衍射100％的光束，从AOM-2输出的零阶光束包括入射光束的非衍射部分，约占入射光束的10-20％。当AOM-2有输入光束时，这一泄漏导致无法使零阶光束的幅度为零。双通道声-光调制器通过从如下所述的从单个入射光束中产生两个被调制且空间分开的光束，解决了这个问题。

图2为采用双通道声-光调制器实施例的电子控制功能，在所述声-光调制器中，换能器被独立驱动，且具有驱动其中之一的能力。任意的被调制信号A和B由包括功能发生器25a，25b分开的A和B信道21a，21b和用于调制信号26a，26b的幅度和/或频率的装置产生。此功能发生器可以是一个标准的射频信号发生器。被调制信号A和B的幅度和频率无需相等，且对每一信道采用独立的控制装置使得允许独立设置幅度和频率。这一特性使得对于广泛的应用***有最大的适应性。本实施例中的信道选择器22用于选择(使能)A和/或B或者使两通道都不能通过。所述信道选择器并不要求给每个信道分配相等的时间段。例如，不需要激活B通道，A通道就可以无限制地被选择，反之亦然。如果采用相等的幅度/频率和相等的时间段，作为一种特殊情形，可以得到A1和B1光束间最大的等价性。当只有一个换能器被驱动时，从入射光束向被选的一阶衍射光束的转换最大可达大约80-90％。

激光的波长和压电换能器的频率必须与晶体材料适当匹配。例如，波长为9.25微米的CO2激光器可以与连接于锗晶体的40MHZ的换能器一起使用。如上所述，任何可用于声-光调制器的材料可用于多通道声-光调制器。这些材料包括石英和锂铌酸盐。

光束可被调制的速率与被调制脉冲的上升时间有关，由入射光束的直径与声波在晶体中的速度的比值决定。因此，较小的光束大小允许更快的上升时间和调制速率。由于零阶光束是入射光束中未被衍射的原有部分，因此也可以控制驱动信号的应用，从而在需要时产生零阶光束的调制。从前面的讨论中可见，零阶光束显然是可以被调制的，但是，只要有入射光束就不会减小到零。当然，入射光束可通过采用光闸等装置来独立控制。

为描述声场和入射光束之间的角度关系，采用了描述一种现有技术的声-光调制器的图3。晶体31的典型情形是直线型的，但与换能器13a相对的晶面可以是有倾角的，以便减弱声波的反射。入射光束33以角度α射入晶体，与声场(由虚线36代表)以角度α相交。一阶光束35的衍射角则为两倍α。

声场与入射光束相交所要求的角度α被称为布喇格角，所述角度由下式给出： $\mathrm{\α}=\frac{1}{2}*\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}$

其中A为声波的波长，λ为光波长。声波的波长由晶体中的音速与频率的比值决定： $\mathrm{\Λ}=\frac{V}{f}$

一个波长为9.2微米的CO2激光器，锗晶体和40MHZ的换能器的布喇格角的计算举例如下。从表中可查出锗中音速为5.5×10⁵cm/sec。则 $\mathrm{\Λ}=\frac{5.5*{10}^5}{40*{10}^6}=1.38*{10}^{-2}\mathrm{cm}$ 且布喇格角α为：

由于典型情形下衍射光束需要通过镜子从零阶光束中物理地分离，以便能方便应用，因此角度不能太小。同样，衍射角太大也给镜子的安排带来了一些物理上的问题。因此，尽管角度可更大或更小，为方便起见，建议布喇格角在1-20度之间。

无论哪个换能器被驱动，用于多通道声-光调制器的晶体的几何形状都受光和声场相交的角度必须相同这一条件的限制。晶体上装配换能器的晶面以与入射光束轴，即光轴，有关的某一特定角度被切割，所述光轴通常是晶体的中心轴，但并不要求如此。图4a-b描述了一种根据本发明的双通道声-光调制器。在所有图中对应于α的角度被夸大以使它们清晰可见。所述视图为晶体沿x-y晶面光轴的梯形截面图。在别的晶面内(未显示)横截面的形状并不重要。所述梯形的四条边被标记为12a，12b，12c和12d。入射面12a是入射光束16进入晶体的晶面。在图4a中，换能器13a产生的声场用虚线41表示。换能器13b产生的声场用实线42表示。声场41和42形成为与各自装配面平行的相对平坦的平面。换能器的大小必须充分大，大到对应用***而言，足以使通过光束横截面的声场的曲率小到可忽略的程度。图4b通过显示装配面的垂线43经投影与入射光束16的光路，即光轴，相交成90-α角，来显示装配面所需的几何形状。所述被投影的垂线模拟了装配面的声场的传播方向。注意，当光轴沿y轴上下平移时，与其夹角保持不变。当光轴沿z轴平移时，结果相同。因此，光轴无需经过晶体的中心，而只要角度关系保持不变。如图所示，为简化晶体的设计，让入射光束垂直于入射面入射是合适的，但正如后面将会看到的，这并不是实际所要求的。换能器13a和13b附接在装配面12b和12d上。装配面与入射面12相交成90-α角。出射面12c是光束射出的晶面。A1-光束14a和B1-光束14b以加减两倍α角度被衍射。因此，A1和B1光束以4α角度被分开。

图5a为根据本发明，应用于四通道声-光调制器的晶体的顶视图。晶体51是正方棱锥的平截头体。四个换能器13a-d附接在晶体的四个梯形装配面62a-d上。与双通道声-光调制器相似，梯形面与正方形底和顶的夹角是角度α的函数。

由于几何要求可由正三棱锥、五棱锥等的平截头体满足，采用棱锥平截头体形状可以制造成有任意多个通道的多通道声-光调制器。棱锥也不是多通道声-光调制器中所用晶体的唯一几何结构。例如，晶体的基本结构可以是直线型的或是圆柱型的，换能器所用表面可以被切割成表面或边沿，以形成与轴具有合适角度的装配面。图6a为根据本发明，用于四通道声-光调制器的斜截直线型晶体61的顶视图。它基本上可看成带有用作装配面62a-d的斜截面的直线型晶体，这些装配面被削切成角以形成装配换能器13a-d的三角形装配面。当晶体的正方形表面的四个角被对称斜截时，由这些表面上的换能器产生的声场将以一公共角与入射光轴相交。图6b是图6a中晶体的侧面透视图。用于描述直线型晶体的同一方法，可用于圆柱型晶体。图7a是顶部切有装配面62a-d的有切面的圆柱型晶体71的顶视图。尽管能用四个装配面，只在相邻晶面上显示了两个换能器13a-b。这两个换能器也可以被装配在相对的晶面上。同样，可以采用三个换能器，每个换能器装配在三个晶面的任一晶面上。通常，多通道声-光调制器的晶体并不需要在其所有装配面上都装配换能器，以使别的换能器工作。由于每个换能器可单独作用，所以可以装配一个或多个换能器，而不需要考虑其它晶面上是否有换能器。因此，例如，可以制造有较多数目装配面的标准晶体，比如四个装配面，此晶体也可用作一个，两个或三个通道的装置。

由于要求装配面必须与入射光束的轴成一公共角被切割成，所以只要这些装配面不在光路中，且不引起声场的反射，晶体的功能就对晶体形状其它方面不敏感。因为此处显示的多通道声-光调制器的晶体，其装配面的角度安排虑及晶体的每一其它晶面，本身就避免了显著的声波反射。只要选择了晶体的形状，就必须考虑潜在的声波反射问题。

对于图3所示现有技术中声-光调制器的晶体，其入射光束不是以90度入射到晶体上，晶体就不会产生背向反射回激光腔的光束。正如显示的那样，多通道声-光调制器可以采用入射光束垂直地进入晶体，因此，至少应考虑背向反射。发明者在实际中没有观测到这一问题，但是，如果该问题在某一特殊应用中存在，一种解决方案可以是：使晶体的入射面有一角度，以除去背向反射的可能性。图8为一种由所述方法改进的双通道声-光调制器。除入射面12a与装配面12b和12d之间的角度不相等外，而在晶体12中它们是相等的，晶体81与图4中的晶体12类似。如果入射面有一个很小的，只有几度的倾斜角δ，那么该入射面与装配面所交的角度为90-α-δ和90-α+δ。装配面与晶面12c之间的夹角为90+α，这些夹角不受改进方案的影响，而与晶体12中的夹角相同，即90+α。图4只显示出一个晶面的倾斜，但是任一方向上的一个倾斜面就已足够。入射面的倾斜引起入射光束大量折射，从而要求必须调整入射光束的角度以补偿这个效应。

由于布喇格角是声波波长的函数，因此有时通过调制换能器驱动信号的频率来调制布喇格角是有用的。可以应用频率调制在一角度范围内线性扫描衍射光束的位置。同样，多通道声-光调制器的多个光束可与已调频驱动信号一起被用来扫描光束。例如，如果图6a-b所示的双通道声-光调制器由已调频信号驱动，四个一阶光束扫描以形成x-y轴。处于相对晶面的换能器13b和13d将产生光束串，而对另一对换能器13a，13c，光束将与之成直角。

图9为激光器***中双通道声-光调制器的一个特殊应用，该激光器***在磁盘驱动中用于构造磁盘基底。众所周知，用激光暂时软化基底表面的小点，可在底层上形成能用作滑片的接触起始-停止区域的圆形或螺旋形凸起图样。由于在基底的两面形成相等同的结构十分重要，希望在每一面采用相同的脉冲激光束。图9所示的***采用双通道声-光调制器形成两个基本相同的脉冲激光束。激光器11产生一束通过光闸101a的光束。调整镜子91a，91b，使光束进入双通道声-光调制器DCAOM12，所述双通道声-光调制器中的换能器13a，13b，被信号23，24驱动。在本应用中，所述信号交替被脉冲激发来产生脉冲型A1和B1光束14a，14b。驱动信号23，24被选择以在光束14a和14b中产生最大幅度，如前面所述，这一最大幅度应约为入射光束的80-90％。允许零阶光束15输入到波长计92。通过调整镜子91c，91d，91e，91f，经光束扩展器94a，94b，再经聚焦透镜98a，98b，A1和B1光束被引导至正被构造的盘片的相对面。每一光束的一小部分由光束分离器99a，99b反射进入功率计93a，93b。圆盘由连接在马达97上的轴96带动旋转，而光束则由脉冲驱动，使得光束在圆盘的每一面构造圆形或螺旋形图案，马达，轴和圆盘必须安置在一个平移载物台上(未显示)以在圆盘上形成一个带形结构。

图10描述了一种用于图9所示***中双通道声-光调制器的换能器的驱动信号的一种可能的控制装置。所述实施例采用一个频率为20KHZ、占空比为50-50的主方波振荡器101来驱动正负边沿触发脉冲发生器102，103。所述脉冲发生器驱动门射频振荡器形成已调信号23，24的包络。振荡器101用作通道选择器。由振荡器的上升和下降沿产生的两个脉冲序列控制光束A1和B1。脉冲的最佳宽度应小于主振荡器周期的一半，这样就不会发生重叠。假设振荡器的重复频率为20KHZ，这意味着用于构成基底的脉冲宽度的典型值小于10微秒。脉冲的幅度和宽度用来控制一阶激光光束的强度和脉冲长度。

Claims (27)

1.一种声-光调制组合，包括：

a)一种对于某一所选波长的光沿轴向是透明的晶体，所述晶体具有至少两个装配面；

b)为了由电信号产生声波，至少两个换能器连接到两个装配面上，这些换能器被定位以使由换能器产生的声波能以公共角与轴相交。

2.权利要求1中的声-光调制组合，其特征在于，此晶体沿轴向有一个梯形的横截面。

3.权利要求1中的声-光调制组合，其特征在于，此晶体是一个平截头体。

4.权利要求1中的声-光调制组合，其特征在于，此晶体包括一个圆柱体部分。

5.权利要求1中的声-光调制组合，其特征在于，此晶体通常为其装配表面是斜截角的直线型。

6.权利要求1中的声-光调制组合，其特征在于，穿过晶体的轴与晶体的两个面相交，并且轴和至少一个面的相交形成斜角。

7.权利要求1中的声-光调制组合，其特征在于，沿所述晶体轴向该晶体的一个横截面是一个包括前，后以及两个有装配面的侧面的梯形。

8.权利要求1中的声-光调制组合，其特征在于，

还包括：

a)在所述晶体上有第三个装配面；

b)连接在第三个装配面上的用来由电信号产生声波的第三个换能器，该换能器被定向从而使由换能器产生的声波能以公共角与轴相交。

9.权利要求8中的声-光调制组合，其特征在于，

还包括：

a)在所述晶体上有第四个装配面；

b)连接在第四个装配面上的用来由电信号产生声波的第四个换能器，该换能器被定向从而使从由换能器产生的声波能以公共角与轴相交。

10.一种用于声-光调制器的晶体，该晶体包括：

一个平面型入射面；

一个与入射面相对配置的平面表出射面，这样，由所选择角度进入入射面的激光光束可以沿光轴传输，从出射面射出；

至少用于装配第一和第二声波换能器的第一和第二平面型装配面，所述装配面被定向，以使得第一装配面的垂直线经投影以α角与光轴相交，且第二装配面的垂直线经投影以α角与光轴相交。

11.权利要求10中的晶体，其特征在于，还包括一个用于装配第三个声波换能器的第三装配面，所述装配面被定向以使得第三装配面的垂直线经投影以α角与光轴相交。

12.权利要求10中的晶体，其特征在于，还包括一个装配第四个声波换能器的第四装配面，所述装配面被定向以使第四装配面的垂直线经投影以α角与光轴相交。

13.权利要求10中的晶体，其特征在于，所述晶体具有一个沿光轴方向的梯形横截面。

14.权利要求10中的晶体，其特征在于，所述晶体是平截头体。

15.权利要求10中的晶体，其特征在于，所述晶体通常是其装配面是一面的被斜切部分的圆柱体。

16.权利要求10中的晶体，其特征在于，所述晶体通常其装配面是斜截角的直线型。

17.权利要求10中的晶体，其特征在于，通过晶体的光轴与晶体的两个晶面相交，并且轴和至少一个面的相交形成斜角。

18.一种激光器***，包括：

一种对一所选择波长的光能透射的晶体；

一种能为所述晶体产生一束该晶体能透射的入射光束的激光器；

至少第一和第二声波换能器被连接到所述晶体上，且被定向，以使每个换能器的声场能以公共角与光束相交；

第一驱动器为第一换能器产生驱动信号，在晶体中形成第一声场，导致入射光束的一部分被衍射形成一阶光束A1；

第二驱动器为第二换能器产生驱动信号，在晶体中形成第二声场，导致入射光束的一部分被衍射形成一阶光束B1。

19.权利要求18中的激光器***，其特征在于，还包括对第一和第二驱动信号进行幅度和频率调制的装置。

20.权利要求18中的激光器***，其特征在于，所述***还包括一种用于选择性地驱动第一和第二换能器以形成A1或B1光束的装置来斩切入射光束，以便当A1光束形成时，其能量大于入射光束的50％，且当B1光束形成时其量大于入射光束的50％。

21.权利要求20中的激光器***，其特征在于，用于选择性地驱动第一和第二换能器的所述装置，给A1或B1光束分配相等时间段，用相同幅度的信号驱动换能器以使A1或B1光束基本相等。

22.权利要求18中的激光器***，其特征在于，第一驱动器调制第一声场的频率以改变A1光束的衍射角，使A1光束在第一和第二位置之间扫描。

23.权利要求18中的激光器***，其特征在于，还包括连接到所述晶体上的第三声波换能器，且该换能器被定位以使第三换能器的声场能以公共角与光束相交。

24.一种操作所述激光器***的方法，包括如下步骤：

产生入射到晶体上的激光光束；

第一声波换能器采用第一驱动信号，在晶体中形成以一角度与激光光束相交的第一声场，该角度导致部分激光光束衍射进入A1光束；

第二声波换能器采用第二驱动信号，在晶体中形成以一角度与激光光束相交的第二声场，该角度导致部分激光光束衍射进入B1光束；

25.权利要求24中的方法，其特征在于，还包括通过调制第一驱动信号的幅度从而调制A1光束的幅度的步骤。

26.权利要求24中的方法，其特征在于，还包括通过调制第一驱动信号的频率从而调制A1光束的衍射角的步骤。

27.权利要求24中的方法，其特征在于，还包括用相同幅度的信号选择性地驱动第一和第二换能器，以形成相同强度的A1或B1光束脉冲的步骤。

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