CN110799899B - 经光学接触的声光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光束定位器，其包括：第一声光(AO)偏转器(AOD)，该第一AOD包含AO单元及附接至该AO单元的转换器；及光学地接触至该第一AOD的波片。
Description
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2017年7月3日申请的美国临时申请案第62/528,278号的权益，该申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本文所描述的具体实例大体上关于一种声光装置，且更特定说，是关于一种与另一光学组件光学接触的声光装置。
背景技术
有时被称作布拉格单元的声光(acousto-optic；AO)装置使用处于射频的声波使光绕射并移位。这些装置常用于Q切换、电信系统中的信号调变、显微法系统中的镭射扫描及光束强度控制、频率移位、光谱系统中的波长滤波。许多其他应用适合于使用声光装置。举例而言，AO偏转器(AOD)可用于基于镭射的材料处理系统中。
在典型AO装置中，诸如压电转换器的转换器附接至AO媒体(亦被称作“AO单元”)，典型地为对于待绕射的波长的光合适地为透明的晶体或玻璃。RF信号(亦被称作“驱动信号”)施加至转换器(例如，来自RF驱动器)，借此驱动转换器而以某频率振动以产生在AO媒体中传播的声波。传播声波在AO媒体中产生扩展及压缩的周期性区，借此产生在AO媒体内周期性地改变的折射率。周期性地改变的折射率类似于可使通过AO媒体传播的激光束绕射的光栅起作用。
在基于镭射的材料处理的领域内，AOD有利地用以使激光束偏转于工件上，这是因为AOD相较于可倾斜镜(例如，基于电流计的镜系统)及常常类似地使用的其他机构更快速。参看图1，AOD 100大体包括AO媒体102、附接至AO媒体102(亦即，在AO媒体102的转换器末端处)的转换器104、附接至AO媒体102(亦即，在AO媒体102的与转换器末端相对的吸收器末端处)的声学吸收器106、电耦接至转换器104的输入的RF驱动器108。供形成AO媒体102的材料依据待偏转的激光束中的光的波长而选择。转换器104通常为压电转换器，且可操作以响应于由RF驱动器108输出的输入RF信号(亦即，驱动信号)而振动。驱动器108可操作以产生最终输入至转换器104的驱动信号。
大体而言，转换器104附接至AO媒体102，使得由转换器104产生的振动可产生对应声波(例如，如借由线112所指示)，该对应声波在AO媒体102内自转换器末端朝向声学吸收器106传播(例如，如借由箭头110所指示，该箭头表示声波112在AO媒体102内的传播方向)。如图1中例示性地说明，当驱动信号(例如，由驱动频率f构成)施加至转换器104时，转换器104振动以产生在AO媒体102内传播的声波，借此在AO媒体102内产生周期性地改变的折射率。周期性地改变的折射率用以绕射激光束(例如，沿着轴线114入射于AO媒体102的第一表面102a上，且通过AO媒体102传播)，且借此使通过AO媒体102透射的镭射光的光束偏转，使得绕射光束经由AO媒体102的与第一表面102a相对的第二表面102b离开AO媒体102(例如，沿着轴线116)。第一处理光束的偏转角即角度θ对应于用以偏转镭射光的入射光束的驱动频率f。在无驱动信号施加至转换器104时，镭射光的入射光束(例如，沿着轴线114)在无偏转情况下通过AO媒体102透射。
自上文的论述内容，应认识到，镭射光的入射光束经偏转沿着的方向对应于前述传播方向110延伸沿着的轴线(在本文中亦被称作“偏转轴线”)。因此，镭射束可借由提供包括多个AOD的系统沿着多个轴线偏转，该多个AOD沿着不同偏转轴线定向。举例而言且参看2，激光束可由第一AOD 200(例如，沿着X轴)偏转，且随后由第二AOD 202(例如，沿着正交于X轴的Y轴)偏转。在此实例中，第一AOD 200的偏转轴线204与X轴对准，且第二AOD 202的偏转轴线206与Y轴对准。因此，由第二AOD 202产生的偏转可叠加于由第一AOD 200产生的偏转上。当然，有可能的是在不使激光束偏转情况下通过第一AOD 200及第二AOD 202使激光束透射。鉴于以上内容，第一AOD 200及第二AOD 202可共同地特性化为多轴“光束定位器”，且经选择性地操作以使激光束(例如，最初沿着轴线114传播)在二维范围208(也被称作“扫描区域”、“扫描范围”等)内偏转。类似于AOD 100，第一AOD 200及第二AOD 202中的每一者可通常特性化为包括AO单元201及附接至AO单元201(例如，在AO单元201的转换器末端处)的转换器203。尽管未说明，但第一AOD 200及第二AOD 202中的每一者的转换器203可电连接至一或多个驱动器(例如，诸如驱动器108的一或多个驱动器)。
取决于包括于光束定位器中的AOD的类型，可合乎需要的是包括在第一AOD 200与第二AOD 202之间的半波片。对于这些AOD而言，若使激光束的显著部分偏转至所要方向需要的RF驱动功率的量高度取决于正经偏转的激光束的偏振状态，则将需要半波片。若此对AOD由两种类似AOD制成(为类似的在于，AOD的AO媒体102由相同材料形成，且其使用相同类型的声波来使激光束偏转)，且若合乎需要的是使第一AOD中的光束的偏振状态为线性的且相对于偏转平面定向于特定方向，则类似地将合乎需要的是使在第二AOD中的偏振状态相对于光束在第一AOD中的偏振状态旋转，正如第二AOD相对于第一AOD旋转一般。半波片为允许偏振的此旋转的光学组件。偏振在半波片之后相对于入射光束的定向为半波片相对于入射光束的偏振定向的定向的函数。
诸如上文关于图2描述的习知多轴光束定位器遭受很多缺陷。首先，多轴光束定位器的各种组件(例如，第一AOD 200、第二AOD 202、半波片等)必须使用多个安装件及一或多个框架等相对于彼此空间对准，其可为昂贵的且难以以恰当对准置放并维持。第二，多轴光束定位器的各种组件(例如，第一AOD 200、第二AOD 202、半波片等)的表面可典型地经涂布(例如，涂布有抗反射涂层)，其对于多轴光束定位器的成本贡献相当大的量。第三，多轴光束定位器的各种组件(例如，第一AOD 200、第二AOD 202、半波片等)的表面即使在涂布有抗反射涂层时促成高达1％(或大约1％)的各种光学损失(例如，归因于反射、散射等)，其可使多轴光束定位器的光学效率降级(例如，借由减少入射于多轴光束定位器上的激光束(例如，最初沿着轴线114传播)的强度与最终透射至扫区域208中的激光束的强度之间的比率。第四，多轴光束定位器的各种组件(例如，第一AOD 200、第二AOD 202、半波片等)的表面产生可变得被污染的相对大的表面面积。第五，第一AOD 200与第二AOD 202的枢转点之间的距离可为不当地大的(例如，取决于供形成每一AOD的AO单元102的材料)。又，用以定位并定向第一AOD 200及第二AOD 202以及半波片的安装件占用空间，该空间可以其他方式允许第一AOD 200及第二AOD 202被更靠近地置放在一起(因此使得难以减小第一AOD 200与第二AOD 202的枢转点之间的距离)。
发明内容
本发明的一个具体实例可广泛地特性化为一种光束定位器，其包括：一第一声光(AO)偏转器(AOD)，该第一AOD包含一AO单元及附接至该AO单元的一转换器；及光学地接触至该第一AOD的一波片。
附图说明
图1示意地说明AOD及其一般操作原理。
图2示意地说明一对依序配置的AOD可如何操作以实现镭射束的二维扫描。
图3为示意性地说明根据一个具体实例的光学接触的AOD的透视图。
具体实施方式
本文中参看附图描述例示性具体实例。除非以其它方式明确地陈述，否则在图式中，组件、特征、组件等的大小、位置等以及其间的任何距离未必依据比例，而是出于明晰的目的予以夸示。在图式中，贯穿全文，相同编号指相同组件。因此，可能在参考其他图式时描述相同或类似数字，即使这些数字在对应图式中未提及亦未描述。又，即使未由参考数字指明的组件亦可参考其他图式加以描述。
本文中所使用的术语仅出于描述特定例示性具体实例的目的，且并不意欲为限制性的。除非以其他方式定义，否则本文中所使用的所有术语(包括技术及科学术语)具有与一般熟习此项技术者通常所理解的意义相同的意义。如本文中所使用，单数形式“一”及“该”意欲亦包括复数形式，除非上下文以其他方式清楚地指示。应认识到，术语“包含”在用于本说明书中时指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件及/或组件的存在，但并不排除一或多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、组件及/或其群组的存在或添加。除非以其他方式指定，否则在叙述时，值范围包括该范围的上限及下限两者以及在其间的任何子范围。除非以其他方式指示，否则诸如“第一”、“第二”等术语仅用于区别一个组件与另一组件。举例而言，一个节点可称为“第一节点”，且类似地，另一节点可称为“第二节点”，或反之亦然。
除非以其他方式指示，否则术语“约”、“大约”、“大致”等意谓量、大小、公式表示、参数及其他量及特性并非且不必为精确的，而是视需要可为近似的及/或更大或更小，从而反映容许度、转换因子、舍入、量测误差及其类似者，以及熟习此项技术者已知的其他因素。空间相对术语，诸如“下方”、“下面”、“下”、“上方”及“上”以及其类似者可在本文中为易于描述而使用以描述一个组件或特征与另一组件或特征的关系，如诸图中所说明。应认识到，所述空间相对术语意欲涵盖除诸图中所描绘的定向之外的不同定向。举例而言，若诸图中的对象经翻转，则描述为“在”其他组件或特征“下方”或“下面”的组件将接着定向为“在”其他组件或特征“上方”。因此，例示性术语“在……下方”可涵盖在……上方及在……下方的定向两者。对象可以其他方式定向(例如，旋转90度或处于其他定向)，且本文中所使用的空间相对描述词相应地进行解释。
本发明的具体实例可通常特性化为提供一种包括光学接触的组件的多轴光束定位器。在这些具体实例中，多轴光束定位器的两个或多于两个组件可光学接触在一起。举例而言，如图3中所示，多轴光束定位器300可包括前述第一AOD200、第二AOD 202以及插入于第一AOD 200与第二AOD 202之间的半波片302，但第一AOD 200光学接触至半波片302(例如，在半波片302的第一侧处)且第二AOD 202光学接触至半波片302(例如，在半波片302的与第一侧相对的第二侧)。在另一个具体实例中，第一AOD 200光学接触至半波片302(例如，在半波片302的第一侧处)，且第二AOD 202并不光学接触至半波片302。在另一个具体实例中，第二AOD 202光学接触至半波片302(例如，在半波片302的第二侧处)，且第一AOD 200并不光学接触至半波片302。在任何此类具体实例中，两个AOD的轴线的定向可处于某角度(例如，90度)，且半波片的定向可经选择，使得在第一AOD200中具有所要偏振状态的输入光束使其偏振状态借由半波片改变为随后在第二AOD 202中所要的。
供形成第一AOD 200及第二AOD 202的AO媒体102的材料可为诸如Ge、PbMoO4、TeO2、结晶石英、玻璃态SiO2、AS2S3或类似者的材料，且如此项技术中所知晓典型地取决于待偏转的激光束中的光的波长来选择。供形成半波片302的材料可包括诸如结晶石英、蓝宝石、方解石、云母、硅、锗、氟化钡、氟化锂、氟化钙、硒化锌、氟化镁或类似者的材料，且如此项技术中所知晓典型地取决于待偏转的激光束中的光的波长来选择。应注意，若半波片302由通常光学各向同性材料(例如，硒化锌等)形成，则应认识到，此材料可经处理以借由以下操作而显现双折射：在多轴光束定位器的正常操作温度下施加外部应力，“冻结”在高温下使材料变形之后获得的应力诱发的双折射(例如，如在以引用方式并入本文中的美国专利第5,205,967号中所论述)或类似者或其任何组合。
多轴光束定位器300的组件可借由任何适合制程光学接触(例如，以上文所论述的方式)。举例而言，第一AOD 200及第二AOD 202中的一者或两者的表面可借由以下操作而光学接触至半波片302的对应表面：执行玻璃料接合制程，扩散接合制程，简单地抛光、清洁并实体上接触任何两个组件的表面以经光学接触，或其任何组合。作为对前述技术的替代例或除前述技术外，亦可使用其他光学接触技术，诸如：溶液辅助的直接接合、化学活化的直接接合或类似者或其任何组合。在另一实例中，多轴光束定位器300的组件可借由将组件中的两个或多于两个夹持在一起而经光学接触(例如，以上文所论述的方式)。在此状况下，夹持可借由任何合适技术来执行以确保待光学接触的表面隔开小于待偏转的激光束中的光的波长的距离。举例而言，距离可小于激光束中光的波长的十分之一，小于激光束中光的波长的四分之一，小于激光束中光的波长的二分之一，小于激光束中光的波长的四分之三，小于激光束中光的波长等，或介于这些值中的任何值之间。
在一个具体实例中，第一AOD 200及第二AOD 202的AO单元由与半波片302相同的材料形成。举例而言，第一AOD 200及第二AOD 202的AO单元以及半波片302可由结晶石英形成。在另一实例中，第一AOD 200及第二AOD 202的AO单元以及半波片302可由TeO2形成。在此具体实例中，与另一组件(例如，半波片302)的表面光学接触的组件(例如，第一AOD 200或第二AOD 202)的任何表面并不需要涂布有诸如抗反射涂层的涂层。然而，在另一个具体实例中，一或多个此类涂层可经涂布至一或两个光学接触表面上。借由省略光学接触表面之间的涂层的提供，多轴光束定位器300的成本可经降低(例如，相对于上文所论述的习知多轴光束定位器的成本)。
在另一个具体实例中，第一AOD 200及第二AOD 202的AO单元由不同于形成半波片302的材料形成。举例而言，第一AOD 200及第二AOD 202的AO单元可由锗(Ge)形成，且半波片302可由诸如硒化锌的材料形成。在此实例中，硒化锌可经预处理以“冻结”于在高温(例如，如上文所论述)下使材料变形之后获得的应力诱发的双折射。在另一实例中，硒化锌半波片302可经提供为菲涅尔ZnSe半波片，例如，如借由WAVELENGTH OPTO-ELECTRONIC PTELTD所提供的半波片。在另一实例中，硒化锌半波片302可经提供为一对经棱镜塑形的ZnSe基板与优化光学涂层薄膜(包括抗反射及相移薄膜)的组件，该组件在以引用方式并入本文中的NISHI、Hirohito等人的“Transparent Waveplate(Retarder)of ZnSe for HighPower CO2Lasers”(SEI TECHNICAL REVIEW 81(2015):73)中描述。
在第一AOD 200及第二AOD 202的AO单元由不同于形成半波片302的材料形成的具体实例中，与另一组件(例如，半波片302)的表面光学接触的组件(例如，第一AOD 200或第二AOD 202)的任何表面可涂布有诸如抗反射涂层的涂层。
在上文所论述的具体实例中，半波片302(在提供时)插入于第一AOD 200与第二AOD 202之间。然而，在另一具体实例中，半波片302可由彼此光学接触的两个四分之一波长片替换。
在上文所论述的具体实例中，光束定位器300经提供为具有两个AOD(亦即，第一AOD 200及第二AOD 202)的多轴光束定位器。在其他具体实例中，光束定位器可包括单一AOD，或多于两个AOD。在光束定位器包括单一AOD的具体实例中，光束定位器可包括半波片302，或光学接触至AOD的AO媒体102的第二表面102b的至少一个四分之一波片(例如，单一四分之一波片、两个四分之一波片、三个四分之一波片等)或类似者或其任何组合。在光束定位器包括多于两个AOD的具体实例中，光束定位器可能包括或可能不包括插入于一对邻接AOD(例如，如上文所论述)之间的半波片(诸如，半波片302)。
在上文所论述的具体实例中，光束定位器描述为包括一或多个AOD作为光束偏转装置。应认识到，光束定位器可包括一或多个其他光束偏转装置(例如，经配置以便使借由上文所描述的AOD中的任一者透射的任何光束偏转)。在此状况下，此类其他光束偏转装置中的任一者可包括电光偏转器(electro-optic deflector；EOD)，借由压电致动器、电致伸缩致动器、语音线圈致动器等致动的快速操控反射镜(fast-steering mirror；FSM)组件，电流计镜，旋转多边形镜扫描仪等，或类似者或其任何组合。
前文说明本发明的具体实例及实例，且不应解释为对其的限制。虽然已参看图式描述了几个特定具体实例及实例，但熟习此项技术者将易于了解，对所揭示具体实例及实例以及其他具体实例的诸多修改在不显著背离本发明的新颖教示及优点的情况下为可能的。相应地，所有这些修改意欲包括于如权利要求书中所界定的本发明的范围内。举例而言，熟习此项技术者将了解，任何句子、段落、实例或具体实例的目标物可与其他句子、段落、实例或具体实例的一些或全部的目标物组合，除非这些组合彼此互斥。本发明的范畴因此应由以下权利要求书判定，且所述技术方案的等效物包括于本发明的范围中。
Claims (15)
1.一种光束定位器，其包含：
第一声光偏转器，用于偏转激光束，其中所述第一声光偏转器包含第一声光单元及附接至所述第一声光单元的转换器；
第二声光偏转器，用于偏转所述激光束，其中所述第二声光偏转器包含第二声光单元及附接至所述第二声光单元的第二转换器；及
所述第一声光偏转器和所述第二声光偏转器之间的波片，其中所述波片光学地接触至所述第一声光偏转器和所述第二声光偏转器，使得所述波片和所述第一声光偏转器的光学接触表面间隔开的距离小于所述激光束的波长，并且使得所述波片和所述第二声光偏转器的光学接触表面间隔开的距离小于所述激光束的波长。
2.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述波片为半波片。
3.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述波片包括至少一个四分之一波片。
4.如权利要求3所述的光束定位器，其中所述至少一个四分之一波片包括两个四分之一波片。
5.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述第一声光偏转器经配置且经组态以使激光束沿着第一轴线偏转，且其中所述第二声光偏转器经配置且经组态以使由所述第一声光偏转器透射的所述激光束沿着不同于所述第一轴线的第二轴线偏转。
6.如权利要求5所述的光束定位器，其进一步包含：
至少一个电流计镜，其经组态以使由所述第二声光偏转器透射的所述激光束偏转。
7.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述第一声光偏转器的所述声光单元由与所述波片相同的材料形成。
8.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述第一声光偏转器的所述声光单元及所述波片由不同材料形成。
9.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述第一声光偏转器的所述声光单元由锗形成。
10.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述第一声光偏转器的所述声光单元由二氧化碲形成。
11.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述第一声光偏转器的所述声光单元由结晶石英形成。
12.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述波片由结晶石英形成。
13.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述波片包括由硒化锌形成的材料。
14.如权利要求1所述的光束定位器，其中所述第二声光偏转器的所述声光单元由与所述第一声光偏转器的所述声光单元相同的材料形成。
15.如权利要求1所述的光束定位器，其中无抗反射涂层存在于所述第一声光偏转器与所述波片之间。
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