CN107870457A - 一种十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法 - Google Patents

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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves

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Abstract

本发明属于光学调制器件领域，具体为一种十字交叉结构的二维声光调制器(two dimensional acoustic‑optical modulator,2D‑AOM)的设计方法与装置。本发明摒弃了现有二维声光偏转技术的级联方式，设计了一种十字交叉结构的二维声光调制器，二维声光调制器在水平方向和垂直方向上均包含声光晶体、换能器、吸声层；同时满足水平方向和垂直方向的布拉格衍射条件，结构简单紧凑，易于调节，方便系统集成；两维调节相互独立，互不干扰。角度扫描范围与驱动器的声频带宽成正比。它用于方向调制和扫描时，扫描角度线性度好，范围宽。

Description

一种十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法
技术领域
本发明属于光学调制器件领域，具体为一种十字交叉结构的二维声光调制器(acoustic-optical modulator,AOM)的装置与设计方法。
背景技术
光学调制器件是现代光学系统的重要组成部分。通过这些器件实现对光学信号幅度、相位、频率、波长、偏振方向和出射方向的调制，提高信号传输质量、抑制噪声、延长工作距离、提高灵敏度、扩充通讯容量，进而在光谱分析、激光制导、遥感遥测、现代通信等领域应用广泛。其中电光调制器和声光调制器是应用最普遍的两种调制器件。声光调制器基于声光效应，当声波在介质中传播时，会引起介质密度(折射率)发生疏密交替的周期性变化形成声光栅，当光波通过声光栅时，衍射光的强度、频率、方向等随超声场变化。当超声波频率较高、声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，构成布拉格衍射条件。满足布拉格衍射条件的只产生一级衍射和零级光斑，而一级光斑的效率随着超声波的功率增加而增加，可以高达80％。因而大部分调制器均采用行波声场的布拉格型声光调制器。而衍射光的频率、方向则与超声波的频率有关。所以可以利用声光调制器实现对光的快速调制，尤其是利用衍射光方向的变化实现对空间的扫描。
传统光束的扫描都是通过转动安装光源的云台的机械方式来实现，系统庞大、复杂、易受惯性的影响而且运动磨损大。若要快速改变光束的方向，只有提高加速度，而这会让机械承受极大的冲击力，大大缩短系统的使用寿命。声光调制器可以实现激光的微秒级快速扫描，因而在激光偏转和扫描领域具有广阔的前景。目前现有技术在国内已有专利，例如中国发明专利：一种激光声光扫描方法及其装置(申请号CN201511008780.5)，中国发明专利：一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置(申请号CN200510019130.0)。在上述现有技术中，均使用了一前一后正交放置的X向声光偏转器和Y向声光偏转器，完成二维光束偏转扫描，如图1所示。
这种方式构成的二维扫描器由两个一维声光调制器串接而成。光束经过第一个调制器(X向或水平向)后，方向就已经发生偏转，入射到第二个调制器的(Y向或竖直向)位置发生变化，相对第二个调制器的入射角发生变化，不能保证在X向扫描时都能满足Y向的布拉格衍射条件。衍射光的效率无法保证，强度变化大。如果第一级的扫描范围稍大还会使光斑移到光声作用区之外甚至声光调制器之外。因此这也限制了光束扫描的角度范围，所以这些专利中都没有提到入射角如何同时满足两个一维声光偏转器的布拉格衍射条件。另外由于两个调制器串联很难实现线性扫描，所以现有技术需要复杂的畸形修正。现有技术结构分散、不利于激光准直条件与系统集成，实用性差。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，设计了一种十字交叉结构的二维声光调制器，同时满足水平方向和垂直方向的布拉格衍射条件，结构简单紧凑，易于调节，方便系统集成；两维调节相互独立，互不干扰。用于方向调制和扫描时，扫描角度线性度好，范围宽。
本发明提供一种基于十字结构的二维声光调制器。如图2所示，它与两个单独的一维声光调制器不同，其特征在于：二维声光调制器作为一个整体，水平方向和竖直方向上形成独立的调制，各包括一个换能器、声光晶体、吸声层。在外形上呈交叉结构，两维声波在交叉处形成共同作用区，当光束通过作用区时，可以在两个方向上实现光强、光频率和光传播方向的调制，等效于一个二维光栅。用于方向调制和扫描时，扫描角度线性度好，范围宽。
利用声光调制器实现光束偏转的原理如下图3所示。电声换能器在驱动电源作用下产生超声波，超声波是一种纵向机械应力波(或称弹性波)，超声波进入声光介质后，造成介质内密度(从光学观点看主要是折射率)的时间和空间的周期变化，使得存在于超声波中的介质可以被看作为一块相位光栅，光栅的条纹间距即为声波的波长λs。在超声场中光波发生衍射，改变传播方向。应用广泛的是布拉格衍射，调整光束的入射角θi等于布拉格角θB，引入布拉格角的计算公式：式中λ为光波波长，λs为超声波的波长，n为声光晶体介质的折射率。由于λs>>λ,所以θi≈sinθi,偏转角式中νs为超声波的频率，vs为超声波在介质中的传播速度。如果声波的频率变化Δνs，那么光束偏转角度的范围为：上式说明，光束偏转角度的范围Δθ与声频带宽Δνs成正比。利用这个效应，我们可以对驱动声波的频率进行调制，从而实现对光波传播方向的调制。
以十字结构的二维声光调制器进行光束在二维空间扫描的原理如图3所示。二维声光调制器位于XOY平面，沿X向与Y向各形成一维光栅，光束从(X,Y,Z)空间入射，调整入射角满足二维声光调制器的布拉格角，衍射光位于(X，Y，-Z)空间，对二维声光调制器的驱动频率进行调制就可以实现光束在二维空间的扫描。下面，对光束二维空间偏转原理进行解释。如图4所示，光束在X方向上的入射角θiX等于布拉格角θBX,则X方向的偏转角：当驱动频率νs在νsi～νsf范围内调制变化时，光束以θBXO为中心角，在θBXi～θBXf范围内进行扫描；同理如图5所示，光束在Y方向上以θBYO为中心角，在θBYi～θBYf范围内进行扫描,从而实现光束在二维空间的扫描。本发明的巧妙之处在于设计的十字交叉结构二维声光调制器，X方向和Y方向上的角度扫描同时进行，互不影响，比现有二维声光偏转技术更容易满足布拉格衍射条件。
本发明在实现二维扫描时的有益效果为：
(1)无机械损耗和扰动
本发明摒弃了传统激光扫描的机械偏转方式，没有机械运动部件，采用声光偏转技术使激光束在一定范围内任意指向或者顺序扫描，扫描速度快，控制角度精度高，使用寿命长，具有传统偏转器件无法比拟的优势。
(2)体积小，结构单一，方便集成
本发明与现有的二维声光偏转器结构不同，摈弃两个独立一维声光偏转器的级联方式，采用创新的十字交叉结构构成一个二维声光偏转器。目前的二维声光偏转器结构分立，不利于系统集成，本发明设计的二维声光偏转器体积小、结构单一紧凑，以其为核心可以十分方便的搭建其他系统。
(3)入射角调整方便
若要使声光偏转器正常工作，入射角必须满足布拉格衍射条件。目前二维声光偏转器由两个一维声光器件组合而成，激光束通过第一个声光偏转器后再进入第二个声光偏转器时，入射角已经发生偏转，很难同时满足两个声光偏转器的布拉格衍射条件。本发明设计的十字交叉结构二维声光偏转器只使用一个通光孔，激光束的入射角调整一次便可同时满足两个方向的布拉格衍射调节，使用更加方便。
(4)扫描速度更快
传统二维声光偏转器使激光束在两个方向上的偏转是分步进行的，而本发明设计的十字交叉结构的二维声光的偏转同时进行的，相比之下，本发明设计的激光扫描速度更快。
(5)扫描范围宽
现有技术方案中，前一级的扫描角度受到后一级声光作用区的尺寸限制。声光调制器的作用区一般为直径1mm甚至更小。要想增加扫描范围必须让两个调制器尽可能靠近。本发明的二维调节相互独立，只要保证光斑入射到共同作用区即可。它的扫描范围仅受限于声光调制器的驱动频率带宽。
作为优选方案，十字交叉结构的交叉角度为90°。
作为优选方案，声光调制器的驱动频率尽可能选择在高频区且带宽比较宽，如几百MHz到几GHz范围。
附图说明
图1为现有技术二维声光偏转器原理图。
图2为基于十字交叉结构二维声光偏转器的激光扫描装置示意图。图中，1换能器，2吸声层，3吸声层，4换能器，5激光器，6扫描平面，7声光介质，8声光作用区,9X方向声光介质变化,10Y方向声光介质变化。
图3为十字交叉结构二维声光偏转器实现光束二维空间扫描示意图。图中，1入射光(X,Y,Z空间)，2零级光(X,-Y,-Z空间)，3入射光Y向投影，4入射光X向投影，5衍射光(X,Y,-Z空间)，6入射光Y向偏转，7入射光X向偏转。
图4为十字交叉结构二维声光偏转器X方向原理图。图中，1入射光，2衍射光，3透射光，4声光晶体，5换能器，6吸声层。
图5为十字交叉结构二维声光偏转器Y方向原理图。图中，1入射光，2衍射光，3透射光。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“X”、“Y”、“Z”、“-X”、“-Y”、“-Z”、水平、竖直等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图2是采用本发明设计的十字交叉结构的二维声光偏转器的激光二维空间扫描装置示意图。激光器5产生一束激光，以一定角度射向二维声光偏转器的声光作用区8。驱动源驱动换能器1和4发出超声波，造成声光介质7的密度(从光学观点看主要是折射率)的时间和空间的周期变化。超声波穿过声光介质后被吸声层2和3吸收，避免声波反射重复对介质密度造成影响。通过对二维声光偏转器驱动源的频率进行调制，实现光束在垂直入射方向上的二维空间平面6的扫描。
激光器5选择可见光激光器，中心波长为555nm。
声光晶体选用磷化镓(GaP)晶体，磷化镓(GaP)晶体具有声光优质高，声衰减小，硬度高，热导率大，光学性能好等优点，是制作高频宽带声光调制器的理想材料。介质中的声速为632m/s，折射率：n＝3.31。
压电换能器选用铌酸锂LiNbO3压电晶体。
驱动源中心频率为1600MHz,带宽为900MHz，功率为0.8W。
由光束偏转角和驱动频率关系：选用上述材料参数计算，光束偏转角可以在17.47°～31.17°之间变化，动态扫描角范围为13.70°。
将激光束准直后通过十字交叉结构二维声光偏转器，调整入射角满足布拉格衍射条件。
通过编程控制驱动源发出扫描频率的驱动信号，驱动X方向上的换能器，控制激光束X方向上的扫描角为17.47°～31.17°。
通过编程控制驱动源发出扫描频率的驱动信号，驱动Y方向上的换能器，控制激光束Y方向上扫描角为17.47°～31.17°。
通过编程控制两个方向上驱动信号的频率，激光束在垂直入射方向的平面6上实现17.47°～31.17°角度范围的随机跳转或者顺序扫描。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法，其特征在于：
所述二维声光调制器在外形上呈十字交叉结构。
2.根据权利要求1所述的十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法，其特征在于：
所述二维声光调制器在水平方向上包含声光晶体、换能器、吸声层；
所述二维声光调制器在垂直方向上包含声光晶体、换能器、吸声层。
3.根据权利要求1所述的十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法，其特征在于：
所述二维声光调制器的十字交叉结构，交叉角度根据实际应用可变，作为优选为90°。
4.根据权利要求1所述的十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法，其特征在于：
所述二维声光调制器在交叉区域形成共同声光作用区。
5.根据权利要求1所述的十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法，其特征在于：
所述二维声光调制器可以实现激光光束的二维扫描，激光器发射的激光，以一定的角度射入十字交叉结构的二维声光调制器的共同声光作用区，通过控制换能器的驱动源进行频率扫描，出射光在垂直入射方向的平面上。
6.根据权利要求1和5所述的十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法，其特征在于：
所述激光出射角与水平方向的角度为θiX，与垂直方向的角度为θiY，独立扫描，可以同时进行，互不影响。
7.根据权利要求1和5所述所述的十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法，其特征在于：
激光出射角与水平方向的角度为θiX,θiX需要满足：出射角与垂直方向的角度为θiY,θiY需要满足：式中λ为光波波长，λs为超声波的波长，n为声光晶体介质的折射率。
8.根据权利要求1和5所述的十字交叉结构的二维声光调制器的装置，其特征在于：
所述激光在二维空间的扫描角与水平方向的角度为ΔθX,与垂直方向的角度为ΔθY,式中λ为光波波长，VsX为超声波在二维声光调制器水平方向上声光介质中的传播速度,Δνsx为二维声光调制器水平方向上声波的频率变化,VsY为超声波在二维声光调制器垂直方向上声光介质中的传播速度,ΔνsY为二维声光调制器垂直方向上声波的频率变化。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112840202A (zh) * 2018-10-17 2021-05-25 科磊股份有限公司 用于散射测量叠对的高效照明成型

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