CN86101347A

CN86101347A - 双声道声—光可调滤波器

Info

Publication number: CN86101347A
Application number: CN 86101347
Authority: CN
Inventors: 弗里德里克·莫克·里安; 米尔顿·格特利布; 多纳德·威廉姆·弗尔德曼
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1986-03-04
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1987-09-16

Abstract

本发明提供了声—光可调滤波器构造。在该构造中，非共线声—光滤波器体带有附在晶体的一个转换器端面的、工作在中心频率f₁的第一转换器，以及附在被切割成与第一转换器平行的相对晶体面上的工作在中心频率f₂的第二转换器。扩大滤波器调节范围包括把入射光射入包括晶体的滤波器中，该晶体具有光输入面、光输出面和第一与第二平行面。从第一面把中心频率为f₁的声波射入晶体，从第二面把中心频率为f₂的声波射入晶体。

Description

本发明涉及扩大了滤波器调节范围的声-光可调滤波器（AOTF）构造。此外，本发明还提供了扩大声-光可调滤波器调节范围的方法。

声-光滤波这一术语所表示的是这一事实，即，在某些双折射光学料材中，作为E光传播的光束在某些条件下通过与在同一媒质中传播的声波发生相互作用，并且此发生衍射，可以被转变成O光。这种现象已被用来制作窄带光滤波器。其峰值传输波长可通过适当选择声波频率来进行选择。通过改变晶体中的声波频率，就可以对该声-光滤波器的通频带中心波长进行电子调节。

已制造出两种基本型式的声-光滤波器;共线的非共线的。在主要涉及共线滤波器的美国专利第3，679，288号的说明书中公布了一种共线滤波器，其中，双折射晶体中的入射和衍射光束是与声束共线的。利用偏振分光器，从入射光束分出处在所选择的通频带内的衍射光束。在非共线滤波器中，双折射晶体中的光束不与声束共线。美国专利第4，052，121号的说明书指出，通过利用在各向异性媒质中非共线传播的声束和光束间的相互作用，就可以获得具有大张角的电子可调光学滤波器。一种偏振的入射光被声波衍射成光学通频带上的正交偏振，光通频带的中心可通过改变声波频率进行调节。美国专利第3，679，288和4，052，121号的说明书被引作附加的参考文献。

共线和非共线滤波器都有独具的优点和可靠性。一般，共线声光滤波器将提供较高的分辨率，但获取滤波后的光输出需要偏振分光器。由于在入射光与滤波后的光束之间有一定的角度分离，所以一般非共线声-光可调滤波器更便于使用。使用几何形状适当的非共线滤波器可能难于获得高分辨率，但对于许多应用，所能获得的结果已远远高于所提出的要求。

如美国专利第3，792，287号说明书所描述的砷硒化铊（Tl₃AsSe₃），美国专利第3，929，970号说明书中描述的磷硒化铊（thallium-Phosphorus-selenide），以及美国专利第3，799，659号说明书中描述的砷硫化铊（thallium-arsenic-sulfide），这样一些新的高效红外声光材料的研制，提供了工作在以1.3微米到16微米的近中央红外区内的可能性。晶体Tl₃AsSe₃（TAS）具有较高的性能指标，并在1.25到16微米的范围内传送。此外，TAS晶体的晶体对称性，使得它特别适合非共线的应用。虽然TAS晶体具有较高的性能指标并扩大了传输范围，但该装置的光波长范围受到声转换器结构的RF范围的限制。典型的TAS AOTF全光波段计要求从12、4到91MH₂的RF带宽，采用单个转换器装置的结构是不易作到这点的。转换器可用的相对带宽一般决不会超过100%，并且由于实际限制，几乎总是小于100%的。通常希望使用具有尽可能广的波长覆盖区域的单个声-光可调滤波器，这就要求RF带宽大于100%。已提出了几个增加声-光装置带宽的方案。例如，在美国专利第3，759，603号的说明书中，公布了通过沿晶体的一面提供三个转换器而加宽了带宽的声-光光反射器，上述转换器在连续的范围内工作。然而，这样的构造，要求使用大尺寸光媒质。一般，当晶体的体积在长度和宽度两方面增加时，就会出现光媒质特性方面和媒质的机械完整性方面的问题，并且设备的制作也变得更加困难了。

本发明的目的之一是提供一种声-光可调滤波器构造，其中，覆盖范围可以增加一倍，而不用相应地加大晶体的尺寸。

依照本发明，扩大声-光可调滤波器的范围的方法包括将入射光传入包括晶体的声-光可调滤波器中，所述晶体具有光输入面，光输出面和第一与第二平行面;从所述第一平行面有选择地将中心频率为f₁的声波射入所述晶体中，该声波沿第一方向传播，从而与所述入射光发生相互作用而导致声子的吸收;从所述第二面有选择地将中心频率为f₂的声波射入所述晶体中，该声波沿与所述第一方向反平行的第二方向传播，从而与所述入射光发生相互作用而导致声子的受激发射。

本发明还包括带有扩大的调节范围的声-光可调滤波器，它包括：具有光输入面、光输出面和用作转换器端面的第一及第二平行面的晶体;安装在所述第一平行面上的第一转换器装置，该装置具有预定的厚度，用于工作在中心频率f₁;安装在所述第二平行面上的第二转换器装置，该装置具有预定的厚度，以使其工作在中心频率f₁。其中，从所述另一转换器装置射入所述晶体的声波沿所述另一方向传播，以使之在所述晶体中同所述入射光之间发生的相互作用导致针声子的吸收;从所述第二转换器装置射入所述晶体中的声波沿与所述第一方向反平行第二方向传播，以使与所述入射光发生的相互作用导致声子的受激发射。

简单地说，该新构形的非共线声-光可调滤波器晶体具有附在晶体的一转换器端面上的第一转换器以及附在与第一转换器平行切割出的相对晶体面上的第二转换器。将第一转换器制作成合适的厚度，以使其工作在中心频率f₁处，将第二转换器作成适当的厚度，以使其工作在中心频率f₂处。扩大声-光可调滤波器调节范围的方法包括：将入射光射入声-光可调滤波器，该滤波器包括具有光输入面，光输出面和第一与第二平行面的晶体，从该晶体的第一面将中心频率为f₁的声波射入晶体。这些声波沿第一方向传播，以便该声波与入射光的相互作用导致对声子的吸收。从该晶体的第二面将中心频率为f₂的声波射入晶体，中心频率为f₂的声波沿与所述第一方向反平行的第二方向传播，以便第二组声波与光之间的相互作用导致声子的受激发射。

现在将参照附图并通过例子说明本发明，在附图中：

图1是非共线声-光可调滤波器的原理图示，它显示了其结构和功能运行;

图2是非共线滤波器中声-光相互作用的波矢图，该滤波器采用了负单轴晶体，如砷硒化铊。

在图1中，显示了带双声道的声-光可调滤波器，并用11表示之。非共线AOT晶体13具有光输入面15、光输出面17和分别为19与21的第一与第二平行面。这里，AOTF晶体13所选择的材料是砷硒化铊TL₃AsSe₃。对晶体13的光输入面15进行适当切割，以便其与入射光束23垂直，而输出光束以相对入射光束大约偏转6°左右的角度衍射，如25所示。对出射入面17进行适当切割，以使其与该衍射光束垂直。第一转换器27被附在晶体13的相对平行面中的一面上，如在平行面19上。转换器27最好由有效连接到该声晶体的X切割铌酸锂（X-CUt lithium niobate）晶片组成。在该铌酸锂转换器基片上设有导电电极图案。该转换器由将在以后说明的RF系统驱动。对声-光晶体13进行合理的设计，以使晶体b-c轴被包括在该晶体中的入射光平面内，并且光束沿相对于晶体的C或光轴的所选择角度传播，对于上述材料，该角度一般约为30°。转换器27的声能量几乎垂直于光束传播方向传播。当该转换器加上了RF能量时，输入红外射线沿相对晶体光轴成预定角度的路径传播，并且一窄通频带频率有选择地与声波相互作用。该所选择或调节的光频率辐射的偏振相对未滤波的光旋转了90°。由于该所选择或调节的窄通频带红外射线相对于未受影响的输入射线的路径移动或偏转了一个小角度，如上述的6°的偏移，所以它能够与原来的射线分离开。因此，可以在空间上借助这个偏移角度而不利用偏振器，或者利用输出偏振器，把滤波后的光分离出来。输入射线束和晶体的C或光轴之间的角度关系并不是严格的，并且是可以变化的，但它的变化将对用来对所感光趣的期望窄带宽进行滤波和调节的具体RF调节频率发生影响。

根据晶体的轴和声波相对于晶体中入射光的传播的关系，已经确信仅仅单个转换器的声-光可调滤波器能够有效地起作用。如在本说明书中发明背景部分所描述的那样，实际中的作法是沿晶体的单个边使用多个转换器。然而，当使用多个转换器时，晶体的体积一般要相应地增加平方倍，以便使声波与入射光之间有适当的作用。本发明通过提供单个声-光可调滤波器晶体，对声-光可调滤波器作了改进，其中，波长覆盖区域将比一般构造，即单个转换器增加一倍，而不用增加晶体的尺寸。

在图1中说明的新构造包括非共线AOTF晶体，其中转换器不但附在通常的转换器端面19上，而且也附在与第一面平行切割出的相对面21上。将第一转换器作成合适的厚度，以使其工作在中心频率f₁处，在21上的转换器29被作成合适的厚度，以使其工作在中心频率f₂处。可以适当选定被选择的中心频率，以提供连续的覆盖范围。如果需要的话，也可以将它们选定为覆盖两个不连续范围。例如，在红外区中，感兴趣的两个范围是2到5微米和8到12微米。两个转换器可以由带有适当匹配电学网络的单个RF电源驱动，也可以按需要单独驱动它们。

了解按照本发明的声-光可调滤波器的工作，需要描述光和声波之间的矢量相位匹配特性，图2显示了负单轴晶体（例如砷硒化铊晶体）的波形矢量图。如在该矢量图中所显示的那样，入射光是O偏振的，滤波后的光是E偏振的，而动量守恒对从右向左传播的声波是满足的，在此情况下，能量守恒要求衍射光（即滤波后的光）的频率要比入射光频率高出声波的频率那么多。这可以认为大致与多普勒偏移相类似。对于如上所述的双转换器AOTF，第二转换器的声波传播方向与第一转换器的声波传播方向是反平行的。因此，为了满足动量守恒，入射光必须是E偏振的，而滤波后的光是O偏振的。如果确是这种情况，由于入射光偏振必须只能是这种或另一种偏振，因而，该AOTF不能采用双声道工作。然而，我们发现实际上并非如此，这是由于量子力学指出，声子被吸收（O偏振到E偏振）的几率基本等于声子发射的几率。唯一的差别是对于后一过程，衍射后光频率将降低声波的频率值。对于大多数声-光可调滤波器的工作，在光频率中的这一差别是无关紧要的。通过使用本发明所获得的关键结果是声-光可调滤波器既可接收E偏振又可接收O偏振光，并且对于在最佳方向上传播的声波，或与之反平行传播的声波（象从该晶体的相对表面上的第二转换器传来的声波），调节关系将会得到满足。

采用上述的双转换器结构提供了扩大声-光滤波器调节范围的方法。一个转换器通过与光波发生包括吸收声子的相互作用，使声-光可调滤波器工作。相对的转换器通过声子的受激发射，使AOTF工作。通过安置这两个覆盖不同的声波波长区域的转换器，就可以扩大声-光可调滤波器的光波长覆盖区域。这种波长覆盖区域的增大不用增大晶体的尺寸，而大尺寸晶体需要光学上纯的、机械上强的晶体制品，并要显著增大设备的尺寸。我们所描述的是通过采用在晶体的相对平行面上设置转换器而得到的带有双声道的改进声-光可调滤波器。

Claims

1、扩大声-光可调滤波器的调节范围的方法，包括下列步骤：把入射光引入声-光可调滤波器晶体，该晶体具有光输入面，光输出面和第一与第二平行面，从所述晶体第一面有选择地把中心频率为f₁的声波射入所述晶体，该声波沿第一方向传播以与所述入射光发生相互作用而导致声子的吸收；从所述晶体的第二面，有选择地把中心频率为f₂的声波射入所述晶体，该声波沿与所述第一方向反平行的第二方向传播以与所述入射光相互作用而导致声子的受激发射。

2、如权利要求1所要求的方法，其中有选择地发射的中心频率为f₁的声波和中心频率为f₂的声波被同时射入晶体。

3、具有扩大的调节范围的声-光可调滤波器，包括：具有光输入面，光输出面和用作转换器端面的第一与第二平行面的晶体，安装在所述第一平行面上的第一转换器装置，该第一转换器装置具有预定的厚度，以工作在中心频率f₁;安装在所述第二平行面上的第二转换器装置，该转换器装置具有预定的厚度，以工作在中心频率f₂其中，从所述第一转换器装置射入所述晶体中的声波沿所述第一方向传播以在所述晶体中与入射光束发生相互作用而导致声子的吸收，且从所述第二转换器装置射入所述晶体的声波沿与所述第一方向反平行的第二方向传播，以与所述入射光束发生相互作用而导致声子的受激发射。