CN103064227B - 一种声光开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声光开关装置。包括：驱动电源、声光器件及至少一个平行棱镜；声光器件包括阻抗匹配网络、电声换能器及声光介质；驱动电源驱动声光介质形成折射率光栅；平行棱镜位于声光介质一侧，并与声光介质相隔一定距离设置；光线以一定角度入射至折射率光栅形成1级衍射光和0级光，1级衍射光和0级光分别到达平行棱镜的不同位置，1级衍射光从平行棱镜的第一端口输出，0级光从平行棱镜的第二端口输出，第一端口和第二端口相互间隔并位于平行棱镜的同侧。本发明能够实现1级衍射光和0级光的同向耦合输出，使得装置结构更紧凑，便于系统集成。

Description

一种声光开关装置

技术领域

本发明涉及一种声光开关装置。

背景技术

图1所示为现有技术声光开关装置的结构示意图。现有声光开关装置包括驱动电源1、电声换能器2、声光介质3以及平面反射镜4。

驱动电源1输出的射频功率信号经过一系列处理后，输入至电声换能器2，由电声换能器2将射频功率信号转换成超声波，最终超声波施加于声光介质3中形成折射率光栅31，光线以一定角度入射至该折射率光栅时31，分别形成1级衍射光和0级光，该1级衍射光直接输出，该0级光达到平面反射镜4，经平面反射镜4反射后输出，最终1级衍射光和0级光从垂直方向耦合输出。

采用上述方案的声光开关装置，体积一般较大，整体不够紧凑，不利于系统集成。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种声光开关装置，能够实现1级衍射光和0级光的同向输出，能够使装置结构紧凑，便于系统集成。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种声光开关装置，包括：驱动电源、声光器件以及一个平行棱镜；声光器件包括阻抗匹配网络、电声换能器以及声光介质；其中，驱动电源输出射频功率信号经阻抗匹配网络后施加于电声换能器上，电声换能器将射频功率信号转换成超声波，超声波作用于声光介质并在声光介质上形成折射率光栅；平行棱镜位于声光介质一侧，并与声光介质相隔一定距离设置；并且，外部光源产生的光线以一定角度入射至折射率光栅形成1级衍射光和0级光，1级衍射光和0级光分别到达平行棱镜的不同位置，最终1级衍射光从平行棱镜的第一端口输出，0级光从平行棱镜的第二端口输出，其中，第一端口和第二端口相互间隔并位于平行棱镜的同侧。

其中，1级衍射光到达平行棱镜的第一位置并形成第一光斑，0级光到达平行棱镜的第二位置并形成第二光斑，第一光斑和第二光斑半径相同；其中，平行棱镜与声光介质相隔一定距离满足如下关系：

$L>\frac{d}{tan\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

其中，L为平行棱镜与声光介质之间的距离，d为第一光斑的半径，θ为0级光与1级衍射光的分离角。

其中，θ满足如下关系：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}f}{v}$

其中，λ为入射至折射率光栅的光线的波长，f为超声波的频率，v为超声波的速度。

其中，第一光斑的半径d大于等于0.1mm，θ范围为0.5°-5°。

其中，平行棱镜包括依次衔接并形成框形的入射面、出射面、第一反射面和第二反射面；1级衍射光到达入射面后光路不变直接从出射面的第一端口射出，0级光到达入射面后到达平行棱镜的第一反射面，0级光经第一反射面的全反射后到达第二反射面，并经第二反射面全反射后最终从出射面的第二端口射出。

其中，入射面和出射面平行，第一反射面和第二反射面平行，并且至少在平行棱镜的入射面和出射面上镀制有光学增透膜。

其中，平行棱镜的入射面与第一反射面成45°夹角。

其中，平行棱镜的高度范围为5-30毫米。

其中，外部光源为激光发生器，激光发生器产生激光。

其中，声光开关装置包括另一平行棱镜；另一平行棱镜设置于声光介质另一侧并与声光介质间隔一定距离。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，通过在声光介质上形成有折射率光栅的一面设置平行棱镜，光线入射至折射率光栅形成1级衍射光和0级光，该1级衍射光和0级光到达平行棱镜后，经过该平行棱镜的光学作用后，均从该平行棱镜的同侧输出，能够实现1级衍射光和0级光的同向耦合输出，能够实现1×2声光开关的功能，并且能够使声光装置结构更紧凑，便于系统集成。

附图说明

图1是现有声光开关装置的结构示意图；

图2是本发明声光开关装置第一实施方式的结构示意图；

图3是本发明声光开关装置第二实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

图2是本发明声光开关装置第一实施方式的结构示意图，本发明声光开关装置实施方式包括：驱动电源11、声光器件以及一个平行棱镜15，其中，平行棱镜15可以解释为平行四边形棱镜。本发明实施方式以平行棱镜15数目为1个进行举例说明。

其中，声光器件包括阻抗匹配网络12、电声换能器13以及声光介质14。

具体地，驱动电源11的输出端连接阻抗匹配网络12的输入端，阻抗匹配网络12的输出端连接电声换能器13的输入端，电声换能器13与声光介质之间通过特殊的工艺过程进行焊接，驱动电源11输出射频功率信号经阻抗匹配网络12后施加于电声换能器13上，电声换能器13将射频功率信号转换成超声波，超声波作用于声光介质14并在声光介质14上形成折射率光栅141。

平行棱镜15位于声光介质14的一侧，并与声光介质相隔一定距离设置，优选地，平行棱镜15与声光介质14相隔一定距离并平行设置，当然，在实际产品中，很难做到平行棱镜15与声光介质14平行设置，但平行棱镜15与声光介质14的位置关系只要接近平行即可达到一较好的效果，即平行棱镜15与声光介质14之间存在一点夹角也可以实现本发明的目的。

外部光源产生的光线以一定角度入射至折射率光栅141形成1级衍射光和0级光，其中，该一定角度需要满足布拉格衍射条件，1级衍射光和0级光分别到达平行棱镜15的不同位置，最终1级衍射光从平行棱镜15的第一端口输出，0级光从平行棱镜15的第二端口输出，并且，第一端口和第二端口相互间隔并位于平行棱镜15的同侧。

具体而言，平行棱镜15包括入射面、出射面、第一反射面和第二反射面，该入射面、出射面、第一反射面和第二反射面依次衔接并形成框形结构，1级衍射光到达入射面的后光路不变直接从出射面的第一端口射出，具体的，1级衍射光由入射到出射会发生两次折射，但是其至少在光线的传播方向上不发生改变，可以对应理解为光路不变。

0级光到达入射面后到达平行棱镜15的第一反射面，0级光经第一反射面的全反射后到达与第二反射面，并经第二反射面全反射后最终从出射面的第二端口射出。并且，入射面和出射面平行，第一反射面和第二反射面平行。

其中，为方便计算和理解，上述实施方式中，设置声光介质14和平行棱镜15的位置关系为平行，故0级光到达平行棱镜15入射面的入射角度为要实现0级光在第一反射面上全反射，需要满足的条件。其中，θ为0级光与1级衍射光的分离角，α为平行棱镜入射面与第一反射面之间的夹角，C为全反射发生的临界角，C满足公式：

$\sin C=\frac{1}{n}$

n为平行棱镜15的折射率，由上述公式可以计算出C，进而可以在一个合适的范围内选择α值以满足全反射条件。因为平行棱镜15本身的结构，可知第一反射面平行于第二反射面，故0级光在第一反射面上经过第一次全反射后也能够实现在第二反射面上的全反射，进而其原理此处不作一一赘述。在一具体应用实施例中，平行棱镜15的入射面与第一反射面之间的夹角α可以为45°。

上述实施方式中，1级衍射光到达平行棱镜15的第一位置并形成第一光斑，0级光到达平行棱镜15的第二位置并形成第二光斑，以第一光斑和第二光斑半径相同或接近为例进行说明：

其中，平行棱镜15与声光介质14相隔一定距离满足如下关系：

$L>\frac{d}{tan\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

其中，L为平行棱镜15与声光介质14之间的距离，d为第一光斑的半径，θ为0级光与1级衍射光的分离角。

其推导如下：

$d=Ltan\frac{\mathrm{\θ}}{2}$

需要第一光斑与第二光斑之间的距离D满足：

D＞2d

才能实现1级衍射光和0级光的分离，故有：

$D=2Ltan\frac{\mathrm{\θ}}{2}\⇒L=\frac{D}{2tan\frac{\mathrm{\θ}}{2}}>\frac{2d}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}=\frac{d}{tan\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

值得注意的是，结合上文描述，θ还满足如下关系：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}f}{v}$

其中，λ为入射至折射率光栅141的光线的波长，f为超声波的频率，v为超声波的速度。

上述实施方式中，当满足公式时：

$L>\frac{d}{tan\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

1级衍射光和0级光到达平行棱镜15后，各自在平行棱镜15上形成的光斑分离，实现1级衍射光和0级光平行耦合的效果较佳。

在一具体应用实施例中，第一光斑的半径d大于等于0.1mm，θ范围为0.5°-5°。优选地，第一光斑的半径d大于等于0.25mm，θ范围为1°-3°。

在一具体应用实施例中，可以至少在平行棱镜15的入射面和出射面上镀制光学增透膜，能够使得0级光和1级衍射光在平行棱镜15中低损耗通过，进而提高光线的利用效率。

上述实施方式中，平行棱镜15的高度范围可以为5-30mm，进一步地，可以优选为5-25mm，比如设置平行棱镜15的高度为20mm，是比较合适的。

并且，上述实施方式中，外部光源可以是激光发生器，该激光发生器产生激光。另外，也可以用LED光源替代该激光发生器，当然要实现光的衍射，其产生光线的波长需要与折射率光栅141的光栅常数满足一定条件，而且，无论是激光光源还是LED光源，均需要经过准直处理后才能对光线进行输出，此处不再一一赘述。

在一具体应用实施例中，声光介质14为氧化碲晶体、磷化镓晶体、锗砷硒玻璃、钼酸铅晶体、铌酸锂晶体、石英晶体、融石英或者重火石玻璃等声光材料。

本发明实施方式，通过在声光介质14上形成有折射率光栅141的一面设置平行棱镜15，光线入射至折射率光栅141形成1级衍射光和0级光，该1级衍射光和0级光到达平行棱镜15后，经过该平行棱镜15的光学作用后，均从该平行棱镜15的同侧输出，能够实现1级衍射光和0级光的同向耦合输出，能够实现1×2声光开关的功能，并且能够使声光装置结构紧凑，便于系统集成。

参阅图3，图3是本发明声光开关装置第二实施方式的结构示意图。本发明第二实施方式与本发明第一实施方式的区别仅在于，本发明声光开关装置第二实施方式还包括另一平行棱镜26。

另一平行棱镜26设置于声光介质24另一侧并与声光介质24间隔一定距离。

在一具体应用实施方式中，该另一平行棱镜26与平行棱镜25以声光介质24为对称轴对称设置，即平行棱镜25与另一平行棱镜26分别等间距的设置于声光介质24两侧。优选地，平行棱镜25与另一平行棱镜26为平行关系。当然，实际设置时，很难做到标准意义上的平行，但平行棱镜25与另一平行棱镜26近似平行也可以实现本发明的目的。当然，根据实际需要，平行棱镜25到声光介质24的第一距离也可以设置为不等于另一平行棱镜26到声光介质24的第二距离。

本发明声光开关装置第二实施方式的结构和工作原理与本发明声光开关装置第一实施方式的结构和工作原理相同或相近。

简要而言，通过本发明第二实施方式，当外部光源产生的光线从该另一平行棱镜26一侧以一定角度入射至折射率光栅241时，1级衍射光从平行棱镜25的第一端口输出，0级光从平行棱镜25的第二端口输出；而当外部光源产生的光线从平行棱镜25一侧以一定角度入射至折射率光栅241时，1级衍射光从该另一平行棱镜26的第一端口输出，0级光从该另一平行棱镜26的第二端口输出。进而可以实现2×2声光开关的功能。

本发明还提供一种循环光路系统。

该循环光路系统包括如上述任一实施方式所述的声光开光装置。采用上述实施方式所述的声光开光装置的循环光路系统，能够实现0级光和1级衍射光从同侧耦合输出，这样的设置及效果有助于使整个系统结构更加紧凑，进而提高系统集成度。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种声光开关装置，其特征在于，包括：

驱动电源、声光器件以及一个平行棱镜；

所述声光器件包括阻抗匹配网络、电声换能器以及声光介质；

其中，所述驱动电源输出射频功率信号经所述阻抗匹配网络后施加于所述电声换能器上，所述电声换能器将射频功率信号转换成超声波，超声波作用于所述声光介质并在所述声光介质上形成折射率光栅；

所述平行棱镜位于声光介质一侧，并与声光介质相隔一定距离设置；

并且，外部光源产生的光线以一定角度入射至所述折射率光栅形成1级衍射光和0级光，所述1级衍射光和所述0级光分别到达所述平行棱镜的不同位置，最终所述1级衍射光从所述平行棱镜的第一端口输出，所述0级光从所述平行棱镜的第二端口输出，其中，所述第一端口和所述第二端口相互间隔并位于所述平行棱镜的同侧；

所述1级衍射光到达所述平行棱镜的第一位置并形成第一光斑，所述0级光到达所述平行棱镜的第二位置并形成第二光斑，所述第一光斑和所述第二光斑半径相同；

其中，所述平行棱镜于所述声光介质相隔一定距离满足如下关系：

$L>\frac{d}{tan\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

其中，L为所述平行棱镜于所述声光介质之间的距离，d为第一光斑的半径，θ为0级光与1级衍射光的分离角。

2.根据权利要求1所述的声光开关装置，其特征在于，

所述θ满足如下关系：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}f}{v}$

其中，λ为入射至所述折射率光栅的光线的波长，f为所述超声波的频率，v为所述超声波的速度。

3.根据权利要求2所述的声光开关装置，其特征在于，

所述第一光斑的半径d大于等于0.1mm，所述θ范围为0.5°-5°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的声光开关装置，其特征在于，

所述平行棱镜包括依次衔接并形成框形的入射面、出射面、第一反射面和第二反射面；

所述1级衍射光到达所述入射面后光路不变直接从所述出射面的所述第一端口射出，所述0级光到达所述入射面后到达所述平行棱镜的第一反射面，所述0级光经所述第一反射面的全反射后到达所述第二反射面，并经所述第二反射面全反射后最终从所述出射面的所述第二端口射出。

5.根据权利要求4所述的声光开关装置，其特征在于，

所述入射面和所述出射面平行，所述第一反射面和所述第二反射面平行，并且至少在所述平行棱镜的所述入射面和所述出射面上镀制有光学增透膜。

6.根据权利要求5所述的声光开关装置，其特征在于，

所述平行棱镜的入射面与所述第一反射面成45°夹角。

7.根据权利要求1所述的声光开关装置，其特征在于，

所述平行棱镜的高度范围为5-30毫米。

8.根据权利要求1所述的声光开关装置，其特征在于，

所述外部光源为激光发生器，所述激光发生器产生激光。

9.根据权利要求1所述的声光开关装置，其特征在于，

所述声光开关装置包括另一平行棱镜；

所述另一平行棱镜设置于所述声光介质另一侧并与所述声光介质间隔一定距离。