CN110928104A - 一种声光超快可变焦透镜装置 - Google Patents

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吕国强
王梓
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Abstract

本发明涉及一种声光超快可变焦透镜装置，属于激光器件领域，包括朝四个不同方向放置的四个声光偏转器晶体，以及作用在每个声光偏转器晶体内，使输入光信号在声光偏转器晶体中发生布拉格衍射并利用施加在声光偏转器晶体上的驱动频率与出射光偏转方向的对应关系实现变焦的射频驱动。该装置方便光束的快速调节，实现聚焦光束的任意移动。在线性啁啾驱动下，这些声光偏转器产生了一个横向的声波频率梯度。光束在声光偏转器上以不同的角度衍射，聚焦强度随着频率啁啾的陡度增大而增大，实现对光束进行高速、高精度的聚焦和定向。且晶体体积小、结构简单、易于集成。

Description

一种声光超快可变焦透镜装置
技术领域
本发明涉及一种声光超快可变焦透镜装置，属于激光器件领域。
背景技术
随着多光子显微镜、共焦显微镜的发明，相比传统的广域显微镜提供了更好的轴向光学切片。传统的激光扫描显微镜是使用一对正交镜检流计扫描仪，将在不同轴向位置拍摄的一组二维图像进行组合，形成三维图像，但轴向位置的改变通常很慢。光片显微镜由于使用两个正交的目标，且光片必须渗透到整个成像区域，虽显示了较好的帧捕获速度，但体积成像速率方面仍然不够。电动可调透镜的问题是，当聚焦远距离目标的前焦平面上，会产生球差。
声光偏转器是一种能够实现激光光束偏转的器件，其实现激光束的偏转是通过晶体中光与声的相互作用来实现的，偏转角度是由光和声波转换器精确地确定的。通过注入啁啾声波信号，可在声光偏转器内部实现梯度透镜，进一步的通过改变声波在每个声光偏转器上传播的频率，就能实现在需要的点之间快速移动激光焦点。
在线性啁啾（声频随时间线性变化）驱动下，两个平行于反向传播声波的声光偏转器可以表现为柱面透镜的特性。这种结构被称为圆柱形声光透镜。两个正交的圆柱形声光透镜(共四个声光偏转器)可以表现为一个球形透镜，类似于球形声光透镜。因此，聚焦强度随频率啁啾的陡度增大而增大，可以对光束进行高速、高精度的聚焦和定向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声光超快可变焦透镜装置，该装置方便光束的快速调节，实现聚焦光束的任意移动。
本发明的技术方案在于：一种声光超快可变焦透镜装置，包括朝四个不同方向放置的四个声光偏转器晶体，以及作用在每个声光偏转器晶体内，使输入光信号在声光偏转器晶体中发生布拉格衍射并利用施加在声光偏转器晶体上的驱动频率与出射光偏转方向的对应关系实现变焦的射频驱动。
进一步地，四个声光偏转器晶体分别为X+方向放置的第一声光偏转器晶体、Y+方向放置的第二声光偏转器晶体、X-方向放置的第三声光偏转器晶体、Y-方向放置的第四声光偏转器晶体。
具体工作时，通过调节射频驱动的频率，就可以实现光束在四维方向的变焦，且可控制其偏向和曲率。当声光偏转器晶体采用一系列具有特定梯度的线性啁啾频率进行驱动时，可以实现光的聚焦，通过控制啁啾频率的线性梯度，可以使焦点在任意横向上移动。使用线性啁啾频率调制时，每个声光偏转器晶体的频率和偏转角会有不同，其频率的关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，a为t =0的时候的驱动频率（即中心频率），b是线性啁啾频率的梯度，则在声光介质（声速为V）中距换能器x处的频率
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和偏转角
Figure DEST_PATH_IMAGE006
分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（3）
四个声光偏转器晶体按照工作距离s排列放置，其声波分别按
Figure DEST_PATH_IMAGE012
方向进行传播，声光可变焦透镜的焦距为z，焦点以
Figure DEST_PATH_IMAGE014
的横向速度进行移动时，线性啁啾频率的梯度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（4）。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：该装置结构简单，方便光束的快速调节。光束可在声光偏转器晶体上以不同的角度衍射，聚焦强度随着频率啁啾的陡度增大而增大，实现对光束进行高速、高精度的聚焦和定向。且晶体体积小、结构简单、易于集成。
附图说明
图1为本发明的声光偏转器晶体的剖视图；
图2为本发明的声光超快可变焦透镜装置的剖视图；
图3为本发明的声光超快可变焦透镜装置的工作时声光作用的剖视图；
图中：101-声光介质晶体、102-压电晶体、103-键合层、104-吸声材料、105-激光光源波长增透膜、201-第一声光偏转器、202-第二声光偏转器、203-第三声光偏转器、204-第四声光偏转器、301-线性啁啾。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图3
一种声光超快可变焦透镜装置，包括朝四个不同方向放置的四个声光偏转器晶体，该四个声光偏转器晶体分别为X+方向放置的第一声光偏转器晶体201、Y+方向放置的第二声光偏转器晶体202、X-方向放置的第三声光偏转器晶体203、Y-方向放置的第四声光偏转器晶体204。还包括作用在每个声光偏转器晶体内，使输入光信号在声光偏转器晶体中发生布拉格衍射并利用施加在声光偏转器晶体上的驱动频率与出射光偏转方向的对应关系实现变焦的射频驱动。
本实施例中，在线性啁啾驱动下，这些声光偏转器晶体产生了一个横向的声波频率梯度。
本实施例中，所述声光偏转器晶体包括声光介质晶体101，所述声光介质晶体为石英、二氧化碲或钼酸铅等；所述声光介质晶体的非通光面上经键合冷压焊方式附着有压电晶体102，所述压电晶体为铌酸锂等。
本实施例中，所述声光晶体和压电晶体经冷加工切割成合适大小的立方体。
本实施例中，所述声光介质晶体的非通光面与压电晶体之间通过键合层103连接，所述压电晶体减薄到一定厚度。
本实施例中，所述声光介质晶体的通光面两端分别镀有使用激光光源波长的增透膜105。
本实施例中，所述压电晶体冷压焊面的对立面贴有吸声材料104。
声光超快可变焦透镜装置工作时，通过射频驱动分别控制四个不同方向放置的声光偏转器晶体的换能器频率，换能器的频率是线性啁啾的301。光束在声光偏转器晶体上以不同的角度衍射，聚焦强度随着频率啁啾的陡度增大而增大，实现对光束进行高速、高精度的聚焦和定向。
采用以上结构的一种声光超快可变焦透镜装置，光束进入声光介质晶体101中，通过改变施加在压电晶体102上的电压信号，从而转变为超声波。超声波通过键合层103作用于声光晶体101内，形成一个相位光栅。当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可使声光晶体的出射光偏转到合适的位置。同理，光束依次进入X+方向放置的第一声光偏转器201、Y+方向放置的第二声光偏转器202、X-方向放置的第三声光偏转器203、Y-方向放置的第四声光偏转器204。
当换能器驱动频率为线性啁啾（声频随时间线性变化）驱动下，两个平行于反向传播声波的声光偏转器可以表现为柱面透镜的特性301。这种结构被称为圆柱形声光透镜。两个正交的圆柱形声光透镜（共四个声光偏转器晶体）可以表现为一个球形透镜，类似于球形声光透镜。因此，聚焦强度随频率啁啾的陡度增大而增大。可以对光束进行高速、高精度的聚焦和定向。且晶体体积小、结构简单、易于集成。
本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的一种声光超快可变焦透镜装置并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种声光超快可变焦透镜装置，其特征在于，包括朝四个不同方向放置的四个声光偏转器晶体，以及作用在每个声光偏转器晶体内，使输入光信号在声光偏转器晶体中发生布拉格衍射并利用施加在声光偏转器晶体上的驱动频率与出射光偏转方向的对应关系实现变焦的射频驱动。
2.根据权利要求1所述的一种声光超快可变焦透镜装置，其特征在于，四个声光偏转器晶体分别为X+方向放置的第一声光偏转器晶体、Y+方向放置的第二声光偏转器晶体、X-方向放置的第三声光偏转器晶体、Y-方向放置的第四声光偏转器晶体。
3.根据权利要求1或2所述的一种声光超快可变焦透镜装置，其特征在于，所述声光偏转器晶体包括声光介质晶体，所述声光介质晶体的非通光面上经键合冷压焊方式附着有压电晶体并减薄到一定厚度。
4.根据权利要求3所述的一种声光超快可变焦透镜装置，其特征在于，所述声光介质晶体的通光面两端分别镀有使用激光波长的增透膜。
5.根据权利要求3所述的一种声光超快可变焦透镜装置，其特征在于，所述压电晶体冷压焊面的对立面贴有吸声材料。
6.根据权利要求3所述的一种声光超快可变焦透镜装置，其特征在于，所述声光介质晶体为石英、二氧化碲或钼酸铅；所述压电晶体为铌酸锂。
7.根据权利要求3所述的一种声光超快可变焦透镜装置，其特征在于，所述声光晶体和压电晶体经冷加工切割成立方体。
8.根据权利要求1、2、4、5、6或7所述的一种声光超快可变焦透镜装置，其特征在于，所述射频驱动分别控制四个声光偏转器晶体的换能器频率，所述换能器的频率是线性啁啾的。
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