JPS62205316A - 音響光学的チユ−ナブル・フイルタ及びその同調レンヂを拡大する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フィルタのチューニング（同調）レンヂを広
げる音響光学的同調フィルタ（以下の記載で八ＯＴＦと
略記する場合がある）の構成に関する。更に、本発明は
、音響光学的同調フィルタのヂューニングレンヂを広げ
る方法を提供するものである。

音響光学的フィルタなる用語は、成る種の光学物質の内
部において、Ｅ光線（Ｅ−ｒａｙ）として伝播している
光線が特定の条件下で同一媒体中を伝播している音波と
の相互作用もしくは音波による回折によって０光線（ｏ
−ｒａｙ）に変換される現象を指す。この現象は音波の
周波数を適当に選択することによりピーク伝播波長を選
択できる狭帯域幅の光学フィルタを製造する際に利用さ
れる。音響光学的フィルタの伝送帯域（パスバンド）の
中心波長は、結晶内部の音波の周波数を変更することに
より電子的にチューニングすることができる。

同調可能な音響光学的フィルタとしては、共線形（ｃｏ
ｌ　１　ｊｎｅａｒ）　と非共線形（ｎｏｎ−ｃｏｌｌ
ｉｎｅａｒ）の二つの基本的な型式のものがつくられて
いる。共線形音響光学的フィルタは米国特許第３，６７
９，２８８号明細書に開示されているが、この先行米国
特許は、複屈折結晶の内部で入射し回折する光ビームが
音ビームと共線である（即ち同一直線上を進む）共線形
フィルタに関する。選定通過帯域で回折させられた光ビ
ームは、偏光ビーム分割器により入射光線から分離され
る。非共線形のフィルタでは、複屈折結晶内部の光ビー
ムは、音波ビームと非共線関係にある（即ち、同一線上
を進まない）。米国特許第４，０５２，１．２１号明細
書は、異方性媒体中を非共線的に伝わる光波と音波の相
互作用を利用して大きな角度のアパチャーを持ち電子的
にチューニングを行なえる光学フィルタが得られること
を教示している。成る偏光面を持つ入射光は成る光学的
通過帯域で直交する偏光面の音波によって回折され、音
波の周波数を調整することにより、通過帯域の中心のチ
ューニングを行なうことができる。ここで、米国特許第
３，６７９゜２８８号及び第４，０５２，１２１号明細
書を上記の先行特許明細書に追加する参照文献として引
用しておく。

共線形フィルタも非共線形フィルタも、いずれも独自の
利点と不利な点とを持っている。一般に、共線形音響光
学的チューナブル・フィルタは高い分解能を持つもので
はあるが、フィルタした後の光出力を取り出すために偏
光ビーム分割器が必要である。非共線形音響光学的チュ
ーナブル・フィルタは、入射光とフィルタした後の光の
角度が成る程度具なるので、使用上の便宜がある場合も
多い。

非共線形フィルタを用いて高い分解能を得るのは難しい
かも知れないが、試みるだけの価値がある。

米国特許第３，７９２，２８７号明細書に記載のセレン
化タリウム砒素（ＴＩ３八５へｅ３）、米国特許第３．
９２９，９７０号明細書のセレン化タリウム燐、米国特
許第３，７９９，６５９号明細書に記載の硫化タリウム
砒素等の新しい効率の高い赤外線音響光学的材料の開発
によって、約１．３マイクロメータから１６マイクロメ
ータの近赤外領域から中赤外領域での作動が可能になっ
た。結晶Ｔ１．、八ｓＳｅ　（以下ＴＡＳと略記）は、
良さの指数が比較的の高いものであり、１．２５ミクロ
ンから１６ミクロンの波を伝える。加えて、ＴＡＳ結晶
は、対称形であるので、非共線形の用途に使用するのに
特に適している。ＴＡＳ結晶は良さの指数が比較的高く
伝導領域も広いけれども、装置の光学波長レンヂ能力は
、音響変換器構造のＲＦ周波数レしヂ能力によって制約
される。通常のＴＡＳ音響光学的チューナブル・フィル
タは全光学領域をカバーするためには１２．４ＭＨｚか
ら９１ＭＨｚのＲＦ帯域幅が必要になるが、１個の変換
器を用いてこの要求を満たすることはできない。変換器
の使用可能な部分帯域幅は１（１０９６を越えることは
なく、実際上の制約からその値より低い場合がほとんど
である。１個の音響光学的チューナブル・フィルタの作
動に際して、できるだけ広い波長をカバーすることが望
まれることが多く、ｌ００９６以上のＲＦ帯域幅が要求
される。音響光学的装置の帯域幅に関する能力を増すた
めに幾つかの提案がなされている。たとえば米国特許第
３．７５９，６０３号明細書は、連続したいくつかの周
波数領域で作動する３個の変換器を結晶の一方側部に配
置使用することにより帯域幅の増した音響光学的光偏光
器を開示している。

しかしながら、このような構造では、大きな寸法の光学
媒体が必要である。結晶の長さ及び幅が増すと、光学媒
体の光学的品質及び機械的一体性に問題が起こり、装置
の製作が困難になる。

本発明の目的は、結晶寸法を大鮒くすることなく、レン
ヂ適用領域範囲を拡大、例えば、２倍にできる音響光学
的チューナブル・フィルタ構造を提供することである。

本発明によれば、光入力面と、光出力面と、第一平行側
面と第二平行側面とを有する結晶から成る音響光学的チ
ューナブル・フィルタに入射光を導入するステップと、
結晶の第一側面から結晶内に中心周波数ｆ１の音波を選
択的に導入して第一方向に伝播させて前記入射光との相
互作用により光子を吸収させるステップと、結晶の第二
側面から結晶内に中心周波数ｆ２の音波を選択的に導入
して第一方向とは逆平行の第二方向に伝播させ入射光と
の相互作用により光子を誘導放出させるステップとから
成ることを特徴とするチューナブル・フィルタの同調レ
ンヂを拡大する方法が提供される。

光入力面及び光出力面並びに変換器面となる第一及び第
二平行側面とを持つ結晶と、第一平行側面に取り付けら
れて中心周波数ｆ１で作動する所定厚さの第一変換器と
、第二平行側面に取り付けられ中心周波数ｆ２で作動す
る所定厚さの第二変換器とから成る同調レンヂの広い音
響光学的チューナブル・フィルタであって、第一変換器
から結晶に導入される音波が第一方向に伝播されて結晶
内部での入射光との相互作用によって光子の吸収が起こ
り、第二変換器から結晶に導入される音波は第一方向と
は逆平行の第二方向に伝播されて入射光との相互作用に
よって光子を誘導放出させるよう構成したことを特徴と
する音響光学的チューナブル・フィルタも本発明の技術
的範囲に含まれる。

本発明による新規な構造による非共線形音響光学的チュ
ーナブル・フィルタの結晶は、結晶の一つの変換器面に
結合した第一変換器と、反対側の結晶面に結合した第２
の変換器とを持ち、その反対側の結晶面は第一変換器に
平行になるように切削されている。第一変換器は中心周
波数ｆ１で、また第２変換器は中心周波数ｆ２で作動す
るよう作られている。音響光学的チューナブル・フィル
タの同調レンヂを広げる方法は、入射光を音響光学的チ
ューナブル・フィルタに導入するステップを有し、フィ
ルタは光波入力面と、光波出力面と、第一平行側面と第
二平行側面とを有する。中心周波数ｆｌの音波は、結晶
の第一面から結晶に入る。音波は第一方向に伝播し、音
波と光の相互作用により、光子が入射光に吸収される。

中心周波数ｆ２の音波は、結晶の第二面から結晶に入る
。中心周波数ｆ２の音波は、第一方向とは逆平行の第二
方向に伝播し、第二群の音波と光との相互作用の結果、
光子の誘導放出（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　ｅｍｉｓｓｉ
ｏｎ）が起こる。

次に添付の図面を参照して、本発明の実施例について説
明する。

二つの音波チャンネルを持つ音響光学的チューナブル・
フィルタを第１図に参照符号１１で示す。非共線形ＡＯ
ＴＦ結晶１３は、音波人力面１５と、光波出力面１７と
、第一平行側面１９と、第二平行側面２１とを持つ。本
実施例のＡＯＴＦ結晶１３の材料物質としては、セレン
化タリウム砒素Ｔ１３八５Ｓｅａを選択した。結晶１３
の光波入力面１５は入射光ビーム１５に垂直になるよう
切削されており、符号２５で示すように出力ビームは入
射ビームに対して約６度程度回析する。光波出力面１７
は、回折されたビームに垂直になるよう切削されている
。第一音波変換器２７は、結晶１３の対向する平行側面
の一方、例えば平行側面１９の一方に接着されている。

変換器２７は、音響結晶と効率良く結合されたＸ面カッ
トのニオブ酸リチウム結晶板から成るものが好ましい。

ニオブ酸リチウムから成る変換器基板上に導電性電極パ
ターンをつくる。この変換器は、後述するように、ＲＦ
装置で駆動させることができる。結晶のｂ−ｃ軸が結晶
内の光波入射面内に含まれ、かつ光ビームが選択された
角度即ち上述の材料物質の場合について言えばＣ結晶軸
即ち光学軸に対して約３０度の角度で伝播されるよう、
音響光学的結晶１３を設計する。変換器２７からの音波
エネルギーは、光ビーム伝播方向に対してほぼ直角方向
に伝わる。ＲＦパワーが変換器に印加されると、入力赤
外線は結晶の光学軸に対して所定角度をなす光路に沿っ
て伝播され、狭い帯域幅の周波数が音波と選択的に相互
作用する。

このように選択されたもしくは同調された光学周波数波
の偏向面は、フィルタされていないビームから９０度回
転される。選択され同調された狭い帯域幅の赤外線は、
影響を受けなかった人力波の伝播路に対して小角度、例
えば上述のごとく６度程度シフト即ち回折されているの
で、残りの入力波から弁別できる。

従って、出力偏光器を用いずにまたは出力偏光器手段に
よりフィルタされた光を、偏光角度によって、空間的に
分離できる。入力波ビームとＣ結晶軸即ち光学軸との角
度関係は、特に重要ではなく、変更可能であるが、所望
する狭い帯域幅の波長をフィルタする即ち同調させるた
めに使用する特定のＲＦチューニング周波数が上記のと
とぎ角度関係を変化させると変動する。

結晶軸と結晶への入射角に対する音波の伝播との関係に
基づいて、変換器を１個だけ備えた音響光学的チューナ
ブル・フィルタを効率良く機能させ得るという確信を得
た。本明細書の発明の詳細な説明の部分で述べたように
、結晶の単一面上で複数の変換器を用いるのが、これま
での実施形態であった。しかしながら、変換器を２個以
上使用すると、音波と入射光とを適切に相互作用させる
ためには、結晶の体積をほぼ四角にする必要がある。本
発明は、結晶寸法を増加させることなく通常の構造即ち
単一変換器形式の場合の波長レンヂを倍増することがで
きる改良型の単一の音響光学的チューナブル・フィルタ
を提供する。

第１図に示す新規な構造は、符号１９で示す通常の変換
器面上だけではなく、第一面と平行に切削された対向面
２１にも変換器が接着されている非共線形ＡＴＯＦ結晶
である。第一変換器は、中心周波数ｆ１で作動するに適
した厚さにされ、面２１上の第二変換器２９は中心周波
数ｆ２で作動するに適した厚さにつくられている。選定
中心周波数は周波数レンヂが１つの連続する領域となる
ように選択することができ、また、たとえば場合によっ
ては隣接関係でない二つの領域をカバーするように選ぶ
こともできる。例えば、赤外領域で二つの独立した領域
を選定する例としては、２乃至５ミクロンの領域と８乃
至１２ミクロンの領域をカバーする例を挙げることがで
きる。

２個の変換器は、適宜な整合電気回路網を用いて単一の
ＲＦ源で駆動することもできるが、それぞれ独立に駆動
にするほうがより望ましい。

本発明の音響光学的チューナブル・フィルタの作動を理
解するためには、光波と音波との間のベクトル位相の整
合性に関する説明が必要になる。セレン化タンタル砒素
のような負性単軸結晶の波ベクトル図を第２図に示す。

このベクトル図に示すように、入射光は０偏光（０−ｐ
ｏｌａｒｉｚｅｄ）であり、フィルタを通過した光はＥ
偏光（Ｅ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）であり、右から左に伝
わる音波についてモーメント保存の法則が満足される。

この場合におい”で１エネルギー保存の法則により、回
折された光即ちフィルタ通過後の光の周波数が音波の周
波数に等しい分たり入射光周波数よりも高くなるのが必
然の結果である。これは、概略的には、ドツプラー・シ
フト（ｄｏｐｐｌｅｒ　５ｈｉｆｔ）に類似した現象で
ある。上述の１変換器型ＡＯＴＦの場合には、第二変換
器からの音波の伝播方向は第一変換器からの音波の伝播
方向と平行ではない。従って、モーメント保存の条件を
満たすためには、入射光はＥ偏光であり、フィルタ通過
後の光は０偏光でなければならないようにみえる。もし
、そうであれば、入射光の偏光が一方もしくは他方であ
ることが必須条件となるので、ＡＱＴＦを両方の音波チ
ャンネルで作動させることは不可能だということになる
。しかしながら、本発明者等は、事実はそうでないとい
う知見を得た。これは、量子力学の教えるところによれ
ば、音波に起因して吸収される光子の存在確率（０偏光
からのＥ偏光への変換確率）は放出される光子の確率と
実質的に等しいという事実に基づく。

唯一の相違点は、後のステップ（即ち光子の放出ステッ
プ、）においては、音波の周波数により回折された光の
周波数が減少するということである。はとんどの音響光
学的チューナブル・フィルタの作動にとっては、光波周
波数の小さな差異は重大なことではない。本発明の使用
によって得られる決定的に重要な結果は、Ｅ偏光または
０偏光の何れの光を用いても音響光学的チューナブル・
フィルタが得られ、最適方向、即ち結晶の反対面上の第
二変換器からのような逆平行な方向に伝播する音波につ
き同調関係が満足されることである。

上述の１変換器型構造の使用により、音響光学フィルタ
の同調可能レンヂを広げることができる。一方の変換器
は、光子の吸収を含む光波との相互作用により、音響光
学的チュ一ナブル・フィルタを作動させる。反対側の変
換器は、光子の話導放出によりＡＯＴＦを作動させる。

これら二つの変換器が異なる音波波長領域をカバーする
ように構成することにより、音響光学的チューナブル・
フィルタの光波長のレンヂが拡がる。光学的に純粋で機
械的に強い結晶の製造が必要となる結晶寸法の増大及び
装置寸法の増大を伴うことなく、光波長レンヂが増す。

以上に記載したように、本明細書は、結晶の対向平行面
上に配設した複数の変換器の使用により二つの音波チャ
ンネルを持つ改良された音響光学的チューナプル・フィ
λレタを１是イ共するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、非共線形音響光学的チューナブル・フィルタ
の構造及び作用を示す説明図である。 第２図は、セレン化タリウム砒素のような負性単軸結晶
を利用した非共線形フィルタの音波と光波との相互作用
を示す波ベクトル図である。 １１・・・・音響光学的チューナブル・フィルタ１３・
・・・結晶 １５・・・・光波入力面 １７・・・・光波出力面 １９．２１・・・・平行側面 ２７・・・・第一変換器 ２９・・・・第二変換器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光入力面と、光出力面と、第一平行側面と第二平行
   側面とを有する結晶から成る音響光学的チューナブル・
   フィルタに入射光を導入するステップと、結晶の第一側
   面から結晶内に中心周波数ｆ１の音波を選択的に導入し
   て第一方向に伝播させて前記入射光との相互作用により
   光子を吸収させるステップと、結晶の第二側面から結晶
   内に中心周波数ｆ２の音波を選択的に導入して第一方向
   とは逆平行の第二方向に伝播させ入射光との相互作用に
   より光子を誘導放出させるステップとから成ることを特
   徴とするチューナブル・フィルタの同調レンヂを拡大す
   る方法。 ２、中心周波数ｆ１の選択的に導入される音波及び中心
   周波数ｆ２の選択的に導入される音波が同時に結晶内に
   導入されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の方法。 ３、光入力面及び光出力面並びに変換器面となる第一及
   び第二平行側面とを持つ結晶と、第一平行側面に取り付
   けられて中心周波数ｆ１で作動する所定厚さの第一変換
   器と、第二平行側面に取り付けられ中心周波数ｆ２で作
   動する所定厚さの第二変換器とから成る同調レンヂの広
   い音響光学的チューナブル・フィルタであって、第一変
   換器から結晶に導入される音波が第一方向に伝播されて
   結晶内部での入射光との相互作用によって光子の吸収が
   起こり、第二変換器から結晶に導入される音波は第一方
   向とは逆平行の第二方向に伝播されて入射光との相互作
   用によって光子を誘導放出させるよう構成したことを特
   徴とする音響光学的チューナブル・フィルタ。