CN102566193A - 一种具有相控式换能器阵列的声光偏转器 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种具有相控式换能器阵列的声光偏转器，声光晶体表面的压电层上有多个换能器电极，换能器电极由独立的射频信号源驱动，射频信号间的相位差可调节，声光偏转器工作在反常布拉格衍射模式，采用慢模入射光和相切条件以增加带宽。通过采用反常布拉格衍射的相切条件减小超声跟踪所需要的跟踪角范围，进而增大单片换能器电极的长度，提高声光互作用长度，或减小所需要的换能器电极片数，减少系统复杂性。可广泛应用于显微成像、激光显示与记录系统，激光加工，激光测控等应用领域。

Description

一种具有相控式换能器阵列的声光偏转器

技术领域

本发明属于激光扫描技术领域，具体涉及一种具有相控式换能器阵列的声光偏转器。

背景技术

声光偏转器是一种利用声光耦合作用使光束偏转的衍射器件，其原理是由键合在声光材料表面上的超声压电换能器产生超声波，由于弹光效应，在声光晶体里形成体光栅从而使光束偏转。其寻址速度达到微秒量级，其应用主要受限于其扫描范围小，而声光偏转器的扫描范围由(1)式决定

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\λ\Δf}}{v}---\left(1\right)$

其中，λ为光在真空中的波长，Δf为声光偏转器带宽，v是声光材料中的声速。可见扫描范围与带宽成正比，与声速成反比。

传统单片式换能器声光偏转器提高带宽时需要减小换能器电极的长度，即声光互作用长度，为保持一定的衍射效率，换能器驱动功率和功率密度都大大增加，这在期刊文献”A Review of Acoustooptical Deflectionand Modulation Devices”，E.I.Gorden，Applied optics，1966里有较详细的论述。而大驱动功率引起的热效应则会降低器件的性能和稳定性。

采用相控式换能器阵列的方法，即在声光晶体表面上有多个压电换能器，在可以通过设置相邻换能器的输入射频信号的相位差使满足布拉格条件的频率范围增加。这种设计方法最早在期刊文献”A TelevisionDisplay Using Acoustic Deflection and Modulation of CoherentLight”，A.Korpel at el，IEEE Proc，1966里提出。

相控式换能器阵列的一种简单实现方法是采用串联相邻换能器的方法，这种方法中相邻换能器的相位差固定是180度，称为一级跟踪法，工艺上分平面工艺和阶梯工艺两种。这种方法相关的专利有美国专利U.S.Pat.No.3493759和U.S.Pat.No.4671620。一级跟踪方法用在各种同性声光器件(也称正常布拉格器件)中可以有效地提高带宽。

但正常布拉格器件材料的声速一般较大，难以实现大的动态扫描范围，常用的声速小的器件采用沿二氧化碲[110]轴传播的慢切变超声波，属于双折射声光器件，也称为反常布拉格器件，是指入射光与衍射光的偏振态相互垂直。反布拉格器件可以采用慢模入射和相切条件提高带宽，其中慢模入射是指入射光偏振态的折射率大于衍射光偏振态的折射率；相切条件是指带宽内在某个频率下，衍射光波失量垂直于超声波矢量，满足相切条件的频率点称为极值点，这种方法一般用在单片式换能器结构的声光器件设计中。

在期刊论文”Birefringent Phased Array Bragg Cells”，I.C.Chang，Ultrasonics Symposium，1985里提到了将一级跟踪法和反常布拉格器件相切条件结合起来的方法，相关的专利有美国专利U.S.Pat.No.5576880。但在”Generalized phased array Bragg interaction in anisotropiccrystals”，Eddie H.Young at el，Optical Technology for MicrowaveApplications V，1991中指出，采用一级跟踪法跟踪极值点附近的布拉格角时，跟踪误差较大，效果不及采用快模入射的情况。

另外一种相控式换能器阵列的实现方式采用多个独立的射频驱动源来驱动换能器阵列，可以实现跟踪误差为零的完全跟踪，这种实现方式因系统复杂度高而较少被采用，但跟踪效果要明显优于一级跟踪法。在期刊文献”Planar phased-array transducers associated with specificelectronic command for acousto-optic deflectors”，Joumane Aboujeib atel，J.opt.A：Pure Appl.Opl，2007里采用四路基于DDS原理的独立驱动源驱动四个换能器电极，在二氧化碲正常器件里实现完全跟踪，增大了器件的带宽。美国专利U.S.Pat.No.7518779B2、U.S.Pat.No.7538929B2、U.S.Pat.No.7667888B2和U.S.Pat.No.2009/0289666A1公开了一些用于完全跟踪法的基于DDS原理的射频驱动电路设计方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有相控式换能器阵列的声光偏转器，提高声光偏转器的带宽和动态扫描角。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：声光晶体表面的压电层上有多个换能器电极，换能器电极由独立的射频信号源驱动，射频信号间的相位差可调节，声光偏转器工作在反常布拉格衍射模式，采用慢模入射光和相切条件以增加带宽。

所述压电换能器阵列结构是由多个金属电极镀在一平面的压电层上，所述压电层镀在地电极层上，所述地电极层与声光晶体之间通过键合层键合或焊接，所述金属电极沿通光方向的长度和间隙相等，金属电极的间隙与金属电极中心距的比例范围在1∶20到3∶10。

所述相邻换能器金属电极的中心距由(1)式估算，可采用小于(1)式所估算的值，

$s=\frac{{\mathrm{\Λ}}_c}{\mathrm{\Δ\γ}}---\left(1\right)$

其中，s是相邻金属电极的中心距，Λ_c为中心频率的超声波长，Δγ为带宽内的超声跟踪方向变化范围。

所述多个独立的驱动射频信号源采用直接数字频率合成器或采用DDS原理的数字电路。

所述反常布拉格衍射模式是指入射光和衍射光的偏振态相互垂直，慢模入射是指入射光偏振态的折射率大于衍射光偏振态的折射率，相切条件是指带宽内某频率下衍射光波失垂直超声波失，满足相切条件的频率为极点频率，中心频率不一定选取为极点频率。极点频率是指该频率下衍射光波失量垂直于超声波矢量，其计算公式见公式(2)。

$f_m=\frac{n_{o}v}{\mathrm{\λ}}\sqrt{4\mathrm{\δ}+\frac{n_e^2-n_o^2}{n_e^2}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}---\left(2\right)$

其中n_o是o光折射率，n_e是e光折射率，θ_i是入射光与[001]轴夹角，δ是声光材料的旋光率。

所述声光材料采用二氧化碲，换能器产生的超声波是沿二氧化碲轴传播的慢切变波，该模式引起反常布拉格衍射，而且声速小，在620～680米每秒，有利于提高扫描角。

所述压电换能器金属电极的片数为大于等于2的任意片数。

换能器阵列采取多个驱动源驱动，采用完全超声跟踪的方法提高声光偏转器的带宽和动态扫描角，特点在于通过采用反常布拉格器件的相切条件减小超声跟踪所需要的跟踪角范围，进而增大单片换能器电极的长度，大大提高了声光互作用长度，也有利于减小所需要的换能器电极片数和驱动源个数，使器件成本减低，实用性增强。

本发明的基于独立驱动源驱动的换能器阵列声光偏转器，其有效的超声跟踪方向变化范围可以认为是由其中单个换能器产生的超声的半发散角决定的，可由公式(3)估算，取小于估算值时效果更佳。

$\mathrm{\Δ\γ}=\frac{{\mathrm{\Λ}}_c}{s}---\left(3\right)$

其中Δγ为超声跟踪方向变化范围，Λ_c为中心频率处超声波长，s为相邻换能器电极中心距。

在极点频率附近带宽范围内的需要的超声跟踪方向变化范围小，因而单个换能器电极的长度大。单个换能器电极的长度大有利于提高声光互作用长度，也有利于采用较少的换能器片数实现器件的功能，减少系统复杂性。

采用这种设计方法，在下面的实例中展示了采用10片换能器实现80MHz带宽接近6°动态扫描角的声光偏转器，说明这种方法可以用提高声光偏转器的动态扫描角。

附图说明

图1是相控式换能器阵列声光偏转器结构示意图。

图2是采用相控进行超声跟踪的原理示意图。

图3是反常布拉格器件采用相切条件的示意图。

图4是实例中慢模入射下满足布拉格条件的超声方向随频率的曲线。

图5是快模入射下满足布拉格条件的超声方向随频率的曲线。

图6是实例中相邻换能器相位差随频率的曲线。

图7是实例中布拉格损耗随频率的曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是相控换能器阵列声光偏转器结构示意图，图中1为声光晶体，2为入射光方向，3为换能器平面法线。本例中声光材料选为二氧化碲，原因是其声速小和声光优值大，容易实现大动态扫描角。超声波为慢切变波，传播方向基本沿二氧化碲的[110]晶向，与[110]成一夹角

称为换能器离轴角，入射光与[001]方向成一小夹角θ_i。4为压电换能器阵列，压电换能器阵列焊接在声光晶体表面上，5为阻抗匹配网络，6为射频功率放大器，7为DDS射频信号源，8为计算机系统。

压电换能器阵列4是由多个金属电极41镀在一平面的压电材料层42上，压电层下是一地电极层43，地电极层与声光晶体1之间是键合层44。

压电换能器材料常用铌酸锂，也可以是其他压电材料。焊接方法包括热压焊、冷铟焊和超声焊，当采用超声焊时可以不需键合层44。压电换能器与声光晶体间一般镀有增透层，以减小射频信号的反射。增透层可以是地电极层43，也可以是键合层44，也可以采用地电极层43和键合层44双层增透。

相邻换能器电极的间隙与相邻换能器电极中心距的比例一般为1∶20到3∶10之间，可用p表示单片换能器的电极长度与相邻换能器电极中心距的比值，则p＝0.7～0.95。

本发明采用基于DDS原理的射频信号发生器产生射频信号。其过程是计算机系统8上的控制程序通过计算机总线给DDS信号源7输入频率控制字、相位控制字和幅度控制字，产生幅度相位频率皆可控的射频信号，再通过功率放大器6达到所需要的驱动功率，驱动换能器阵列4。换能器阵列4与功率放大器6之间一般有阻抗匹配网络5，以减少功率反射，一般由电感电容网络构成。对于宽带设计的换能器结构可以不采用阻抗匹配网络5。

换能器电极片数不一定为图1中的6片，换能器金属电极的片数可以是大于等于2的任意片数，选取原则是要根据其他设计指标要求进行适当选取，这些设计指标包括驱动功率、衍射效率、器件体积和成本。

图2是相控超声跟踪原理示意图。当相邻换能器驱动信号存在固定相位差时，换能器阵列发出的超声波的等相位面与换能器平面成一夹角γ，这时可以等效于超声沿等相位面的法线9传播而不是沿换能器平面法线方向3，γ为超声跟踪方向与换能器平面法向方向的夹角，可由(4)计算。

$\mathrm{\γ}=-\frac{\mathrm{\φv}}{2\mathrm{\πsf}}---\left(4\right)$

其中，v为声速，f为超声频率，φ为相邻换能器驱动信号的相位差，s为相邻换能器电极中心距。

图3是反常布拉格器件采用相切条件的示意图。入射光取慢模，即折射率较大的偏振态，对于二氧化碲来说入射光偏振方向平行于声光互作用平面，取得是非寻常光，即e光。相切条件即为超声波失量K与衍射光波失量k_d相互垂直，如图2所示。满足相切条件的频率点叫极值频率点，在极值频率点附近，满足布拉格条件的超声矢量方向随频率变化较平缓。

下面结合一实例来进一步说明这一设计方法。

设计带宽为64MHz～144MHz，中心频率为104MHz。晶体切向采用4.1°换能器离轴角，采用负一级衍射光，换能器离轴角的选取原则是使凹陷频率排除在带宽外。凹陷频率是指二级衍射光较强的频率点，实例中凹陷频率为59MHz。入射光入射角为7°，偏振方向平行于声光互作用平面，是慢模入射，光波长为840nm。

图4为实例中采用慢模入射后满足布拉格条件的超声方向θ_a随频率的曲线，需要的超声跟踪方向变化范围为0.6°，图5是同频带下采用快模入射(入射光偏振垂直声光互作用平面)的满足布拉格条件的超声方向θ_a随频率的曲线，需要的超声跟踪方向变化范围为1.6°。可见利用相切条件可以减小所需要的超声跟踪方向变化范围。

根据(3)式算得相邻换能器电极中心距s约为0.6mm，实例中为使衍射效率曲线较平坦，取相邻换能器电极中心距s取0.4mm，中心频率的特征长度L_c约为0.1mm，p＝0.9，因此本例中单片换能器长度0.36mm，为特征长度的3.6倍，而一级跟踪正常器件中单片换能器长度一般为特征长度的1～1.2倍，说明采用完全跟踪和相切条件可以提高单片换能器的长度。

根据(4)式计算不同频率下相邻换能器驱动信号的相位差φ，如图6所示，通过设置相邻换能器驱动信号的相位差使超声跟踪方向与满足布拉格条件的超声方向重合，实现完全跟踪。

图7为实例中布拉格损耗(BL)随频率的曲线，布拉格损耗可以间接反映衍射效率的大小，一般取损耗小于3dB为有效带宽范围，从图中可见本实例中在设计带宽范围内布拉格损耗均小于2dB。

换能器片数的选择需要考虑功耗、通光通径等因素。对于圆孔声光偏转器，不考虑超声衰减，为达到高的衍射效率，可由估算(5)式为声光偏转器总驱动功率。

$P_s=\frac{{\mathrm{\λ}}^{2}D}{2M_{2}L}---\left(5\right)$

其中，P_s为总驱动功率，D为通光孔径，M₂为声光优值，L为换能器总长度。

当确定功率和孔径等参数后，根据(5)式计算出换能器总长度，再根据下面的(6)式算出换能器片数。实例中换能器总长度取3.6mm，即特征长度的36倍，p取0.9，相邻换能器中心距取0.4mm，所以换能器片数N取为10片，在该参数下所用总驱动功率不超过2W。也可以采用较少换能器的片数，如6片，以减小系统复杂性，但器件效率会有所下降或需提高功率。

L＝pNs    (6)

该实例中采用10片0.4mm长的压电换能器实现了声光偏转器的带宽为80MHz，动态偏转角达到106mrad，约为6度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种具有相控式换能器阵列的声光偏转器，其特征在于，声光晶体表面的压电层上有多个换能器电极，换能器电极由独立的射频信号源驱动，射频信号间的相位差可调节，声光偏转器工作在反常布拉格衍射模式，采用慢模入射光和相切条件以增加带宽。

2.根据权利要求1所述的具有相控式换能器阵列的声光偏转器，其特征在于，所述压电换能器阵列结构是由多个金属电极镀在一平面的压电层上，所述压电层镀在地电极层上，所述地电极层与声光晶体之间通过键合层键合或焊接，所述金属电极沿通光方向的长度和间隙相等，金属电极的间隙与金属电极中心距的比例范围在1∶20到3∶10。

3.根据权利要求1或2所述的具有相控式换能器阵列的声光偏转器，其特征在于，所述相邻换能器金属电极的中心距由(1)式估算，可采用小于(1)式所估算的值，

其中，s是相邻金属电极的中心距，Λ_c为中心频率的超声波长，Δγ为带宽内的超声跟踪方向变化范围。

4.根据权利要求3所述的具有相控式换能器阵列的声光偏转器，其特征在于，所述多个独立的驱动射频信号源采用直接数字频率合成器或采用DDS原理的数字电路。

5.根据权利要求4所述的具有相控式换能器阵列的声光偏转器，其特征在于，所述反常布拉格衍射模式是指入射光和衍射光的偏振态相互垂直，慢模入射是指入射光偏振态的折射率大于衍射光偏振态的折射率，相切条件是指带宽内某频率下衍射光波失垂直超声波失，满足相切条件的频 率为极点频率，极点频率是指该频率下衍射光波失量垂直于超声波矢量，其计算公式见公式(2)：

其中n_o是o光折射率，n_e是e光折射率，θ_i是入射光与[001]轴夹角，δ是声光材料的旋光率。

6.根据权利要求5所述的具有相控式换能器阵列的声光偏转器，其特征在于，所述声光材料采用二氧化碲，换能器产生的超声波是沿二氧化碲轴传播的慢切变波。

7.根据权利要求6所述的具有相控式换能器阵列的声光偏转器，其特征在于，所述压电换能器金属电极的片数为大于等于2的任意片数。 

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