CN106896535A - 用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，换能器匹配安装在声光介质上的一面为曲面，通过对曲面的曲率进行设计，以使声波经过曲面传输至声光介质后，聚焦投射到声光介质内形成的光场区域发生声光衍射。本发明通过将换能器安装在声光介质上的一面设计为曲面，并对该曲面的曲率进行设计，可以将更多的声波能量聚焦投射到声光介质内形成的光场区域内发生声光衍射，从而可以提高衍射效率。

Description

用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器
技术领域
本发明属于体波声光器件领域，具体涉及一种用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器。
背景技术
体波声光器件是利用声光互作用原理控制光强度、频率、波长、空间位置等的光电子器件，主要由声光介质、换能器、匹配电路及封装外壳组成，其中换能器是体波声光器件的声场激励源，安装在声光介质上，其作用是将外部射频电信号转换为相同频率的超声波。
体波声光器件在某些特定的应用(如对光幅度进行高速调制、大带宽移频)中，需要在声光介质中形成光束束腰很小，光发散角很大的光场分布，如图1所示，其中α表示光发散角。为了获得理想的调制幅度、频率带宽响应，需要采用发散角与光发散角相匹配的声场参与声光衍射，即图1中光发散角α与声发散角β相匹配。目前，通常采用图1至图2所示的平面换能器结构来保证光发散角α与声发散角β相匹配，但是在这种结构中，换能器2在将声波传输至声光介质1后，在声光介质中形成喇叭状声场区域，此时仅有少量的声波进入到声光介质1的光场区域11内发生衍射。由此，现有技术中的换能器虽然能够保证光发散角α与声发散角β相匹配，但是进入光场区域内的声波较少，衍射效率较低。
发明内容
本发明提供一种用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，以解决目前换能器虽然能够保证光发散角与声发散角相匹配，但衍射效率较低的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，换能器匹配安装在声光介质上的一面为曲面，通过对所述曲面的曲率进行设计，以使声波经过所述曲面传输至所述声光介质后，聚焦投射到所述声光介质内形成的光场区域发生声光衍射。
在一种可选的实现方式中，光波传输至所述声光介质后在所述声光介质内形成光场区域，声波由所述曲面的换能器激发，沿着与所述光波传输方向垂直的方向传输至所述声光介质，在所述声光介质内形成沙漏状声场区域。
在另一种可选的实现方式中，通过对所述曲面的曲率进行设计，以对所述沙漏状声场区域的中心连接部与所述光场区域的相对位置关系进行调节，从而使更多的声波能量聚焦投射到所述光场区域内发生声光衍射。
在另一种可选的实现方式中，若所述曲面的曲率大于或者小于预设范围值，则聚焦投射到所述光场区域内的声波能量将减少。
在另一种可选的实现方式中，所述曲面的厚度在所述曲面法线方向上均匀相等，且为所述声波的中心频率点被最高效率激发对应的厚度。
在另一种可选的实现方式中，所述曲面的曲率与所述声波的发散角的大小有关。
在另一种可选的实现方式中，所述曲面沿着所述光波传输方向和/或沿着垂直于所述光波传输的方向弯曲。
在另一种可选的实现方式中，所述声光介质用于安装所述曲面的安装面为具有所述曲面相同曲率的曲面。
在另一种可选的实现方式中，所述换能器与所述声光介质安装表面紧密贴合。
在另一种可选的实现方式中，所述曲面由多个曲率相同或者不同的曲面相交构成。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过将换能器安装在声光介质上的一面设计为曲面，并对该曲面的曲率进行设计，可以将更多的声波能量聚焦投射到声光介质内形成的光场区域内发生声光衍射，从而可以提高衍射效率；
2、本发明通过对曲面的曲率设定一定的范围值，并在该范围值内对曲面曲率进行调整，可以提高曲面曲率设计效率；
3、本发明通过使曲面的厚度在曲面法线方向上均匀相等，且为声波的中心频率点被最高效率激发对应的厚度，可以提高声波的激发效率，保证有更多的声波能量聚焦投射到声光介质的光场区域内，从而可以进一步提高衍射效率；
4、本发明通过使曲面曲率的设计与声波发散角的大小相关联，可以在保证光波与声波发散角相匹配的基础上，提高衍射效率；
5、本发明通过使曲面沿着所述光波传输方向和沿着垂直于所述光波传输的方向弯曲，可以使曲面形成两个曲面相交构成的曲面，从而可以进一步将更多的声波能量聚焦投射到光场区域内，从而可以进一步提高衍射效率。
附图说明
图1是现有技术中换能器的一个实施例主视图；
图2是现有技术中换能器的一个实施例侧视图；
图3是本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第一实施例的主视图；
图4是本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第一实施例的侧视图；
图5是本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第二实施例的主视图；
图6是本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第二实施例的侧视图；
图7是本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第三实施例的主视图；
图8是本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第三实施例的侧视图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明实施例提供一种用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其匹配安装在声光介质上的一面为曲面，通过对该曲面的曲率进行设计，以使声波经过该曲面传输至声光介质后，聚焦投射到声光介质内形成的光场区域发生声光衍射。其中，光波传输至声光介质后在声光介质内形成光束束腰很小，光发散角很大的光场区域，声波由所述曲面的换能器激发，沿着与所述光波传输方向垂直的方向传输至所述声光介质，在声光介质中形成沙漏状声场区域。通过对换能器曲面的曲率进行设计，可以对沙漏状声场区域的中心连接部与光场区域的相对位置关系进行调节，从而使更多的声波能量聚焦投射到光场区域内发生声光衍射，提高衍射效率。例如，当对沙漏状声场区域的中心连接部与光场区域的相对位置关系进行调节后，聚焦投射到光场区域内的声波能量大于图1和图2所示喇叭状声场区域聚焦投射到光场区域内的声波能量时，衍射效率将得到提高。但是，经申请人研究发现，曲面的曲率具有一定的取值范围，若曲面的曲率大于或小于预设范围值，则聚焦投射到光场区域内的声波能量将减少。
为了尽量减少声波经过曲面时的损耗，曲面的厚度在曲面法线方向上均匀相等，且为声波的中心频率点被最高效率激发对应的厚度。由于声波激发的效率高，因此传输至声光介质的声波能量较大，聚焦投射到光场区域的声波能量也较大，由此可以进一步提高衍射效率。另外，经申请人研究发现，曲面曲率的设计还与声波发散角的大小密切相关。为了保证声波与光波的发散角相匹配，可以首先对曲面的曲率进行设计，以保证声波与光波的发散角匹配，若此时声波在声光介质中形成的沙漏状声场区域的中心连接部与光场区域的相对位置关系不足以使更多的声波能量聚焦投射到光场区域，则可以对入射光波沿入射垂直方向进行平移，以使沙漏状声场区域的中心连接部位于光场区域内。需要注意的是：所述曲面可以是曲率固定的一个曲面，也可以是由曲率相同或者不同的多个曲面相交构成，当曲面由多个曲面相交构成时，可以将更多的声波能量聚焦投射到光场区域内，从而可以进一步提高衍射效率。
参见图3和4，依次为本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第一实施例的主视图和侧视图。该换能器2匹配安装在声光介质1上的一面为曲面，该曲面沿着垂直于光波传输(图4中箭头方向)的方向弯曲，声光介质1的换能器安装面也设计为沿着垂直于光传输的方向弯曲，以与换能器2曲面匹配安装，从图3中可以看出声波经过曲面2传输至声光介质1后，形成沙漏状声场区域B，光波传输至声光介质1后形成光场区域A，沙漏状声场区域B内的声波被聚焦投射到光场区域A内。为了保证换能器与声光介质紧密贴合，可以采用金属或非金属薄膜，将换能器与声光介质贴合在一起。
由上述实施例可见，本发明通过将换能器安装在声光介质上的一面设计为曲面，并对该曲面的曲率进行设计，可以将更多的声波能量聚焦投射到声光介质内形成的光场区域内发生声光衍射，从而可以提高衍射效率。
参见图5和6，依次为本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第二实施例的主视图和侧视图。该换能器2匹配安装在声光介质1上的一面为曲面，该曲面沿着光波传输方向(图4中箭头方向)弯曲，声光介质1的换能器安装面也设计为沿着光传输方向弯曲，以与换能器2曲面匹配安装，从图5中可以看出声波经过曲面2传输至声光介质1后，形成沙漏状声场区域B，光波传输至声光介质1后形成光场区域A，沙漏状声场区域B内的声波被聚焦投射到光场区域A内。为了保证换能器与声光介质紧密贴合，可以采用金属或非金属薄膜，将换能器与声光介质贴合在一起。
由上述实施例可见，本发明通过将换能器安装在声光介质上的一面设计为曲面，并对该曲面的曲率进行设计，可以将更多的声波能量聚焦投射到声光介质内形成的光场区域内发生声光衍射，从而可以提高衍射效率。
参见图7和8，依次为本发明用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器的第三实施例的主视图和侧视图。该换能器2匹配安装在声光介质1上的一面为曲面，该曲面沿着光波传输方向(图4中箭头方向)弯曲以及垂直于光波传输的方向弯曲，声光介质1的换能器安装面也设计为沿着光传输方向弯曲以及垂直于光波传输的方向弯曲，以与换能器2曲面匹配安装，从图7和8中可以看出声波经过曲面2传输至声光介质1后，形成沙漏状声场区域B，光波传输至声光介质1后形成光场区域A，沙漏状声场区域B内的声波被聚焦投射到光场区域A内。为了保证换能器与声光介质紧密贴合，可以采用金属或非金属薄膜，将换能器与声光介质贴合在一起。
由上述实施例可见，本发明通过将换能器安装在声光介质上的一面设计为曲面，并对该曲面的曲率进行设计，可以将更多的声波能量聚焦投射到声光介质内形成的光场区域内发生声光衍射，从而可以提高衍射效率。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，换能器匹配安装在声光介质上的一面为曲面，通过对所述曲面的曲率进行设计，以使声波经过所述曲面传输至所述声光介质后，聚焦投射到所述声光介质内形成的光场区域发生声光衍射。
2.根据权利要求1所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，光波传输至所述声光介质后在所述声光介质内形成光场区域，声波由所述曲面的换能器激发，沿着与所述光波传输方向垂直的方向传输至所述声光介质，在所述声光介质内形成沙漏状声场区域。
3.根据权利要求2所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，通过对所述曲面的曲率进行设计，以对所述沙漏状声场区域的中心连接部与所述光场区域的相对位置关系进行调节，从而使更多的声波能量聚焦投射到所述光场区域内发生声光衍射。
4.根据权利要求1或3所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，若所述曲面的曲率大于或者小于预设范围值，则聚焦投射到所述光场区域内的声波能量将减少。
5.根据权利要求1所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，所述曲面的厚度在所述曲面法线方向上均匀相等，且为所述声波的中心频率点被最高效率激发对应的厚度。
6.根据权利要求1所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，所述曲面的曲率与所述声波的发散角的大小有关。
7.根据权利要求1所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，所述曲面沿着所述光波传输方向和/或沿着垂直于所述光波传输的方向弯曲。
8.根据权利要求1所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，所述声光介质用于安装所述曲面的安装面为具有所述曲面相同曲率的曲面。
9.根据权利要求1或8所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，所述换能器与所述声光介质安装表面紧密贴合。
10.根据权利要求1或8所述的用于聚焦光束声光衍射的高衍射效率换能器，其特征在于，所述曲面由多个曲率相同或者不同的曲面相交构成。
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