JP2022522382A - レーザ放射変調方法およびレーザ放射変調装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、音響光学およびレーザ技術に関する。本発明は特に、音響光学（ＡＯ）レーザ共振器Ｑスイッチ（単一モード（平行化）および多モード（非平行化）の単色および非単色レーザ放射のキャビティ外制御用ＡＯ装置）、すなわち、ＡＯ変調器、ＡＯ周波数シフタ、および可視波長と中間ＩＲ波長（０．４～５．５μｍ）との分散遅延線に属しうる。本発明の目的は、レーザ共振器ＱスイッチにおけるＡＯ相互作用の幾何学的形状を提供することにある。これにより、レーザの意図された用途に依存するレーザ動作モードのシステム要求に応じてＱスイッチのプレセットされたパラメータを最適化する。特に、より少ない制御ＲＦ電力と、マルチモードあるいは非平行レーザ放射による追加の効率損失がない動作性能とを最適化する。

Description

発明の詳細な説明

〔本発明の分野〕
本発明は、音響光学およびレーザ技術に関する。本発明は特に、音響光学（acousto-optic，ＡＯ）レーザ共振器Ｑスイッチ（単一モード（平行）およびマルチモード（非平行）の単色および非単色レーザ放射のキャビティ外制御用ＡＯ装置）、すなわち、ＡＯ変調器、ＡＯ周波数シフタ、および可視波長から中間赤外線（infrared，ＩＲ）波長まで（０．４～５．５μｍ）の分散遅延線に属しうる。

高い音響および光弾性異方性を有する結晶における光と超音波とのＡＯ相互作用は、音響光学Ｑスイッチの開発のための最も有望なツールの一つと考えられる。

ＡＯ ＱスイッチまたはＡＯレーザキャビティダンパは、高エネルギーレーザパルスの生成を目的としたレーザ共振器における損失変調に広く使用されている。ＡＯ Ｑスイッチ（キャビティダンパ）がＯＮの場合、損失レベルがパスあたりの利得よりも高い共振器損失を生成する。その場合、レーザは発生しない。損失レベルは、所定の励起レベルでのパス当たりの利得よりも先験的に高いはずのＱスイッチ効率によって決定される。先進固体パルス１μｍ波長範囲レーザの典型的な要求回折効率（Ｑスイッチにより導入された損失）は７５％である。ＡＯ ＱスイッチがＯＦＦのとき、Ｑスイッチにおけるレーザビーム開口を通る音響フロントパス時間によって決定される時間あたりの共振器損失は、静的レベルに低減される。その結果、レーザでは巨大パルス発生が発達する。

ＡＯスイッチの動作原理は次の通りである。音響波（acoustic wave）は、結晶または非晶質透明媒質の音響表面に公知方法の１つを用いて取り付けられた圧電変換器によって励起される。音響波は透明媒質中を伝播し、媒質材料の局所的な機械的変形領域を生成する。光弾性効果により、機械的応力は誘電体透磁率、すなわち媒質の屈折率に局所的な不均一性を発生させる。異なる屈折率を有する周期的な層が媒質中に形成される。これらの層は音速で移動する。周期的に空間的に構造化された屈折率を有する媒質中を伝播する光は回折を生じる。一般的に、ＡＯ ＱスイッチはＢｒａｇｇ回折領域で動作する。Ｂｒａｇｇ回折は、回折スペクトルが２つの極大値、すなわち直線透過０次回折極大値と２倍Ｂｒａｇｇ角で偏向した１次回折極大値から成る場合に起こる。－１次および高次回折極大は無視できるほど低い強度をもつ。最初の（いわゆるＢｒａｇｇ）極大の強度は、光が音響波面に対してＢｒａｇｇ角で入射する場合に最も高くなる。

Ｑスイッチに最も広く使用されている材料は石英ガラスであり、まれに水晶である。これらの材料は、レーザ誘起損傷閾値は高いが、ＡＯ性能指数（効率）は低い。

〔従来技術〕
１．０６μｍ波長用の典型的な水晶ＡＯ Ｑスイッチが３０ Ｗの高周波（high-frequency，ＨＦ）制御電力で典型的なＮｄ：ＹＡＧレーザの共振器において７５％の基準損失レベルを生成することは、最新技術（ＵＳ ６５６３８４４ Ｂ１、２００３年５月３日公開）から知られている。標準的な技術解決法は、水冷またはレーザキャビティダンパのペルチエ素子による熱電冷却のいずれかである。Ｑスイッチの動作実施は、強制冷却が５０～６０ＷのＨＦ電力まで効率的である一方、より高い電力ではＱスイッチ過熱に対処できないことを示唆する。

近年、ＱスイッチまたはＱスイッチを有するポンプレーザを使用する新しい高出力中間ＩＲレーザ（２～５．５μｍ）が開発されている。例えば、Ｑスイッチングモードで動作するＥｒ^３＋イオン活性化結晶（３μｍ波長）またはНｏ^３＋イオン活性化結晶（２μｍ波長）に基づくパルスレーザ（二価の遷移金属イオンＣｒ^２＋およびＦｅ^２＋でドープされた３～５個の半導体レーザ）である。これらのレーザは、分光法、遠隔プロービング、医療などに広く使用されている。これらのレーザにおける共振器Ｑスイッチングは、メカニカルシャッタ、多角形ミラー、全内部反射シャッタなどを備えている。音響光学Ｑスイッチの効率（損失レベル）は二乗波長に反比例する線形近似にあるので、中間ＩＲレーザ（２～５．５μｍ）では石英ＡＯ Ｑスイッチは使用されない。従って、Ｅｒ^３＋ ：ＹＡＧレーザー（２．９４μｍ）用の典型的な水晶Ｑスイッチを用いて７５％の標準損失レベルを達成するには、理論的には実際には実現不可能な２７０ＷのＨＦ電力が必要である。

全ての結晶は、音響特性の異方性（Ｋ．Ｎ．Ｂａｒａｎｓｋｉｉ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｓ、Ｍｏｓｃｏｗ、ＭＳＵ，１９９１）および光弾性特性の異方性（Ｊ．Ｆ．Ｎｙｅ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｓ：Ｔｈｅｉｒ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｔｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｍａｔｒｉｃｅｓ）を有することが知られている。

音響特性の異方性は、一般的な場合、三つの弾性波が異なる速度および偏光（polarizations）で任意の方向に単結晶中を伝播する可能性があり、各波の波動ベクトルＫとエネルギー流ベクトルＳの方向が異なるという点で顕在化する。波動ベクトルＫとエネルギー流ベクトルＳとの間の角度がψである場合、ベクトルＫのこの方向に対する群速度Ｖ_ｇは、関係式Ｖ_ｇ＝Ｖ_ｐ／сｏｓψを介して同じ方向に対する位相速度Ｖ_ｐと関連付けられる。したがって、異方性媒質中の群波速度は、波の位相速度よりも決して小さくはない。特定の場合には、波数ベクトルＫおよびエネルギー流ベクトルＳの方向が一致するような結晶内の方向が存在し得る。そして、ψ＝０であり群速度は位相速度に等しい。これらの方向は、結晶対称軸、すなわち位相速度Ｖ_ｐの最大値および最小値である。

光弾性特性の異方性は、音響光学相互作用の有効光弾性定数が結晶中の光波および音響波の伝播方向および偏波に依存することを示している。したがって、所定のレーザビーム伝播方向に対する音響波の伝播方向は、ＡＯ性能指数Ｍ_２を決定する。

タングステン酸カリウム希土類結晶ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２（ＲＥ＝Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄ、およびＬｕ）は、新規かつ未だ十分に研究されていないフォトニックデバイス用の物質である。ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系結晶は、２／ｍ単斜対称性を有する。それらのレーザ安定性は、音響光学材料パラテルライト（パラテルル石）（paratellurite）のレーザ安定性よりも数倍高い。この結晶は２つの光軸を有し、一方の屈折率楕円対称軸Ｎ_ｐは、誘電体透磁率テンソルの最小固有値に対応し、［０１０］結晶軸と一致し、他方の２つの屈折率楕円対称軸Ｎ_ｍおよびＮ_ｇは誘電体透磁率テンソルの最大固有値に対応し、（０１０）結晶面に位置し、デカルト座標系を形成する。ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２の弾性および光弾性特性についは先行研究がいくつか存在する（Ｍ．Ｍ．Ｍａｚｕｒ、Ｄ．Ｙｕ．Ｖｅｌｉｋｏｖｓｋｉｙ、Ｌ．Ｉ．Ｍａｚｕｒ、Ａ．Ａ．Ｐａｖｌｕｋ、Ｖ．Ｅ．Ｐｏｚｈａｒ、およびＶ．Ｉ．Ｐｕｓｔｏｖｏｉｔ「レーザ結晶希土類タングステン酸カリウムＫＲＥ（ＷＯ_４）_２の弾性および光弾性特性（ＲＥ＝Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄ、およびＬｕ）」、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ ５４ （２０１４） １３１１－１３１７）。この研究で得られたデータはいくつかの切断方向におけるＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系結晶のＡＯ性能指数が石英ガラスのＡＯ性能指数よりも数倍高く、それゆえ、これらの結晶は中間ＩＲ波長ＡＯ装置実用に対して非常に有望であることを示している。ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系結晶は、弾性、光弾性および光学特性の異方性が大きい。

本明細書にクレームされる方法の最も近い対応物（プロトタイプ）は、波数ベクトルの方向とエネルギー流ベクトル（Ｕｍｏｖ－Ｐｏｉｎｔｉｎｇベクトル）の方向とが一致するときの、音響波によるレーザ放射変調の方法である。当該方法は、以下の先行研究により説明された：Ｒ．Ｖ．Ｊｏｈｎｓｏｎ”Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ”、Ｃｈ．３”Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ”、Ａ．Ｐ．Ｇｏｕｔｚｏｕｌｉｓ ａｎｄ Ｄ．Ｒ．Ｐａｐｅ Ｅｄｓ．、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋ。この方法では、結晶中の音響コラムの幅が圧電変換器の幅に等しい。この変調方法は、音響波が対称軸に沿って、例えば結晶質石英、パラテルライトおよびモリブデン酸鉛中を伝播するとき、等方性材料（例えばガラスおよび石英ガラス）、および単結晶中で実施することができる。上記プロトタイプの欠点は、圧電変換器における電場および音響場の高出力密度である。ＡＯ Ｑスイッチは通常ＨＦ ２０～４０Ｗで作動し、強制外部冷却で作動する。高出力密度は、ＡＯ Ｑスイッチ圧電変換器において強い局所熱放出を引き起こす。圧電板の強い局所加熱は圧電板およびＡＯ結晶の材料の熱膨張係数の差および異方性のために、圧電板または圧電板が接続されるＡＯ結晶プリズムを破壊することがある。

本明細書でクレームされる装置の最も近い対応物（プロトタイプ）は、ＡＯ Ｑスイッチ（米国特許第２４７６９１６号С１、２０１１年１１月３０日に公開）である。ＱスイッチはＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系結晶に基づき、超音波伝播方向が屈折率楕円対称軸Ｎ_ｇに平行である準縦音響波を有する非共線回折レジームで動作する。上記プロトタイプの欠点は、ＡＯ性能指数Ｍ_２が比較的低く、それゆえ制御高周波電力が高いことである。上記プロトタイプの別の欠点は、デバイスがマルチモードまたは非平行レーザで動作するときの回折効率が低いことである。プロトタイプに要求される技術的結果の達成に対する障害は、Ｑスイッチが準縦（quasi-longitudinal，ＱＬ）音響波およびそれぞれのＡＯ相互作用形状で動作されることである。

〔本発明の説明〕
本発明の第１の目的に係る技術的結果は、結晶の音響異方性に関する特性を意図的に使用することである。より具体的には、本発明の第１の目的に係る技術的結果は、結晶の対称軸以外の結晶学的方向に沿って、または、音響波速度の極値によって、結晶内で音響ビームを伝播させることによって圧電変換器の面積を増大させることである。結晶内の音響コラムの幅は常に、圧電変換器の幅よりも小さく、ＡＯ相互作用の効率はより高い。これは、圧電変換器の面積を増加させ、それゆえ、圧電変換器でのＨＦ電力密度を減少させ、したがって、加熱を抑制することを可能にする。

加えて、音響波の波数ベクトルＫの方向とエネルギー流ベクトルＳの方向とが異なる場合、ＡＯ Ｑスイッチの動作は、より速くなる。これは、ＡＯ Ｑスイッチの動作（it）は、音響波パルス波面がレーザビームを横切るのに必要な時間に依存するためである。検討した事例では、音響異方性によりＡＯ Ｑスイッチの動作が位相速度Ｖ_ｐではなく群速度Ｖ_ｇに依存する、すなわち２つの値の大きい方に依存するため、この時間は短くなった。

本発明の第１の目的に係る上記技術的結果は、以下のようにして達成される。

レーザ放射変調方法は、ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系単結晶内において、前記結晶のＮ_ｐ軸に直交しＮ_ｍＮ_ｇ平面内を伝播する偏光とともに振幅変調された進行準せん断音響波を励起するステップを含んでおり、レーザビームは、前記結晶内において固有波の前記偏光を有し、前記音響波面に対して０．１５～８°のＢｒａｇｇ角で伝播し、ＡＯ結晶内の音響波周波数は、レーザビーム回折のための位相整合条件を満たす。

本発明の第２の目的に係る技術的結果は、レーザ共振器ＱスイッチにおけるＡＯ相互作用のそのような幾何学的配置の意図的な提供である。これにより、より少ない制御ＨＦ電力と、マルチモードまたは非平行レーザ放射による追加の効率損失がない動作性能とを達成する。

本発明の第２の目的に係る上記技術的結果は、以下のようにして達成される。

音響光学Ｑスイッチは、ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系単結晶で構成されるＡＯプリズムと、音響吸収体と、入力光学面と、出力光学面と、せん断圧電変換器と、を備えており、前記ＡＯプリズムの音響表面は、前記結晶のＮ_ｐ軸に平行であり、かつ、Ｎ_ｍ軸に対して０～－４０°の角度をなし、前記ＡＯプリズムの反対面は、前記音響波面に対して任意の角度をなし、前記音響吸収体は、前記反対面に取り付けられており、前記入力光学面は、反射防止コーティングを有しており、前記出力光学面は、反射防止コーティングを有しており、前記せん断圧電変換器は、前記音響表面に取り付けられた１５～２００μｍの厚さを有するニオブ酸リチウム板から構成されている。

さらに、前記ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系単結晶は、タングステン酸カリウムガドリニウムＫＧｄ（ＷＯ_４）_２結晶、タングステン酸カリウムイットリウムＫＹ（ＷＯ_４）_２結晶、タングステン酸カリウムルテチウムＫＬｕ（ＷＯ_４）_２結晶、または、タングステン酸カリウムイッテルビウムＫＹｂ（ＷＯ_４）_２結晶である。
特定の実施形態では、前記圧電変換器は、接着剤取付けを使用して、直接誘電結合を使用して、二元合金の形成を伴う冷間真空結合を使用して、または、類似の合金の原子拡散結合を使用して、前記ＡＯプリズムに取り付けられている。

〔図面の簡単な説明〕
本発明を、図面を用いて説明する。

［図１］タングステン酸カリウムイットリウムのＮ_ｍＮ_ｇ面を伝播する準せん断（ＱＳ）音響波に対する等方性ＡＯ回折の非共線幾何学のＡＯ性能指数の磁極の射影図である。

［図２］タングステン酸カリウムイットリウムのＮ_ｍＮ_ｇ面を伝播する準縦（ＱＬ）および準せん断（quasi-shear，ＱＳ）音響波に対する等方性ＡＯ回析のＡＯ性能指数である。

［図３］ＡＯ Ｑスイッチにおける回折のベクトル図である。

［図４］タングステン酸カリウムイットリウムのＮ_ｍＮ_ｇ面における超音波の位相速度および偏角である。

［図５］結晶対称軸に対するＡＯプリズム配置である。

［図６］ＡＯ Ｑスイッチ設計である。

［図７］実験用ＫＹ（ＷＯ_４）_２結晶ＡＯ Ｑスイッチの写真である。

図５および図６の表記は以下の通りである：
（１）タングステン酸カリウムイットリウムＡＯプリズム；（２）結晶音響表面；（３）音響表面と反対側の結晶表面；（４）結晶入力光学面；（５）結晶出力光学面；（６）せん断圧電変換器；（７）音響吸収体；（８）入力レーザビーム；（９）入力ビーム偏光ベクトル；（１０）結晶中の準せん断弾性波；
本発明の第１の目的に係る技術的結果は、結晶の対称軸以外の方向に大きな音響異方性を有する単結晶において振幅変調進行音響波が発生するため、達成可能である。その結果、位相と群音響波速度の方向が異なり、音響ビーム断面が圧電変換器の面積より小さくなるため、ＡＯ Ｑスイッチ動作が速くなる。レーザビームは、結晶中で固有波の偏光を持ち、Ｂｒａｇｇ角で伝播する。音響波周波数は位相整合条件を満たす。

上記単結晶はＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系に属する。上記音響波は準せん断音響波であり、結晶のＮ_ｍＮ_ｇ面に伝播し、結晶のＮ_ｐ軸に直交して偏光する。結晶のＮ_ｇ軸に平行に偏光するレーザビーム方向は、音響波面に対して０．１５～８°のＢｒａｇｇ角をなす。

本発明の第２の目的に係る技術的結果は、Ｑスイッチが結晶の対称軸に沿って伝播する準せん断音響波で動作されるので、達成可能である。ここで、Ｎ_ｍおよびＮ_ｇは、結晶の複数の誘電軸に関連するデカルト座標系を形成する。二次対称軸Ｎ_ｐは、図面平面に対して垂直に向けられる。準せん断音響波に対する結晶のＡＯ性能指数Ｍ_２は、結晶内の光波の２つの固有偏光（実線：Ｎ_ｍに沿った偏光、破線：Ｎ_ｇに沿った偏光）に対する実線によって示される。ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系結晶の弾性定数、光弾性定数、および光学定数は近い。以下、計算は、タングステン酸イットリウムＫＹ（ＷＯ_４）_２に対して実行される。

図１および図２から分かるように、光がＮ_ｇ軸に沿って偏光している場合、ＡＯ性能指数Ｍ_２は、Ｎ_ｍ軸に対する準せん断音響波伝播角度－１２°で２２×１０^－１５ｓ／ｋｇと高いことがわかる。これは、５０年以上の間、産業用ＡＯ Ｑスイッチで使用されてきたパラテルライト内の高速縦波のために、典型的に配置されるＡＯ Ｑスイッチに対するＡＯ性能指数Ｍ_２よりわずか３５％小さい。０～２８°の領域では、ＡＯ性能指数は１５×１０^－１５ｓ／ｋｇ以上であり、石英ガラスの最高ＡＯ性能指数よりも１０倍以上高い。Ｎ_ｇ軸に沿った準縦超音波のプロトタイプのＡＯ性能指数Ｍ_２は、１０×１０^－１５ｓ／ｋｇ以内である。したがって、本発明はプロトタイプの第１の欠点（比較的高い制御ＨＦ電力）を排除する。

図３は、本発明による等角投影におけるＡＯ相互作用の幾何学的形状を模式的に示す。複屈折およびＢｒａｇｇ角は明示性のために過大サイズで示している。破線は、Ｎ_ｍＮ_ｇ面およびＮ_ｐＮ_ｇ面による光波の法線速度曲面の一部分と、Ｎ_ｐ軸に平行でＮ_ｍ軸に対して－１２°の角度をなす回折面とを示している。

本発明の特定の本質的な特徴は、ニオブ酸リチウム結晶から構成される圧電変換器が、ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２結晶から構成されるＡＯプリズムの音響面に、二元合金の形成を伴う独特の真空ナノテクノロジー（ＲＵ特許２６４６５１７Ｃ１ ０５．０３．２０１８）によって取り付けられることである。当該真空ナノテクノロジーは、他の取り付け技術と比較してＨＦ電力から音響動力への変換損失を低減する。

マルチモードレーザ放射に伴う、ＡＯ Ｑスイッチの動作を妨げるプロトタイプの他の欠点は、発散放射に伴う動作のためにＡＯ Ｑスイッチ回折効率が低減されることである。当該発散放射の発散は、圧電変換器によって生成される音響波の回折発散に匹敵するか、またはそれを超える。

この現象の物理的起源は、この場合、光波角スペクトルの高周波成分が音響波の角スペクトルとのＢｒａｇｇ位相整合条件を満たさず、従って、それらの回折への寄与があるにしても少ないことである。均一の圧電変換器によって生成される音響波の回折発散は、式ν／Ｌｆによって表される。ここで、νは音響波の速度であり、Ｌは圧電変換器の長さであり、ｆは周波数である。

ここで図４を考察する。最大ＡＯ性能指数Ｍ_２に対応する準せん断音響波の速度が－１２°の角度で到達し、２．４×１０^３ｍ／ｓに等しく、－９０°でのプロトタイプの準縦音響波の速度が４．８×１０^３ｍ／ｓであるため、本発明の技術的結果は達成される。従って、他の条件が同じである場合、本発明の音響角スペクトルは、プロトタイプのものと比較して２倍広い。従って、他の条件が同じである場合、プロトタイプとは異なり、本明細書で提供されるＡＯ Ｑスイッチは、マルチモードまたは非平行レーザ放射を用いて効率を妥協することなく動作させることができる。当該マルチモードまたは非平行レーザ放射の発散は、平行放射の発散よりも２倍大きい。

特に、結晶の音響異方性は、図４に示すように、Ｎ_ｐ軸に直交して偏光されたタングステン酸カリウムイットリウム結晶のＮ_ｍＮ_ｇ結晶面における準せん断音響波の波動ベクトルＫの方向と群速度Ｓの方向との間の角度ψが絶対値で３０°を超え得ることを示す。特に、Ｎ_ｇ軸に並列偏光された光波に対してＡＯ性能指数Ｍ_２が最大となるような、Ｎ_ｍ軸に対して－１２°の角度をなす方向において、角度ψは約－２３°であることを示す。

ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系結晶は、レーザ誘起損傷閾値が高く、十分に高いＡＯ効果を有し、可視および中間ＩＲ波長用の音響光学Ｑスイッチ、分散遅延線、およびＡＯ周波数シフタに最も有望な材料となる。例えば、ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２結晶の最小レーザ損傷閾値は、１０６４ｎｍで２０ｎｓパルスに対して５０ＧＷ／ｃｍ^２である（Ｉ．Ｖ．Ｍｏｃｈａｌｏｖ、”Ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ ｔｕｎｇｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒ ｃｒｙｓｔａｌ ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２：Ｎｄ^３＋－（ＫＧＷ：Ｎｄ）”、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ３６ （１９９７） １６６０－１６６９）。ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系材料は、結晶軸に対する結晶配置に大きく依存する高い光学異方性および音響異方性を有する。

〔本発明の実施形態〕
本発明は、以下のように実施される。音響光学Ｑスイッチは、ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系単結晶から構成されるＡＯプリズム１であって、当該ＡＯプリズム１結晶のＮ_ｐ軸に平行であり、その法線がＮ_ｍ軸に対して０～－３０°の角度をなす音響面２を有するＡＯプリズム１と、反対面３と、Ｎ_ｐ軸に直交する入力光学面４と、Ｎ_ｐ軸に直交する出力光学面５と、上記音響面２に取り付けられた圧電変換器６と、上記反対面３に取り付けられた音響吸収体７と、を備える。厚さ１５～２００μｍのニオブ酸リチウム板から構成された上記圧電変換器６は、上記ＡＯプリズム１内で準せん断音響波１０を励起する。上記音響吸収体７は、上記音響表面２に対して任意の角度をなす上記ＡＯプリズム１の表面６に取り付けられ、それゆえ、前記ＡＯプリズム１内に進行音響波を提供する。入射レーザビーム８は、結晶のＮ_ｇ軸に平行な偏光９を有し、結晶のＮ_ｐ軸と上記ＡＯプリズム１の上記音響面２の法線とによって形成される回折面の法線に対して０．５～１．５°のＢｒａｇｇ角で伝播する。

制御ＨＦ電力を低減するために、上記圧電変換器は、上記ＡＯプリズム１の上記音響表面３に二元合金を形成する独特の真空技術を用いて取り付けることができる。代替的に、上記圧電変換器は、接着剤を用いて、または類似金属の原子拡散取り付け（Ｔ．Ｓｈｉｍａｔｓｕ ａｎｄ Ｍ．Ｕｏｍｏｔｏ，“Ａｔｏｍｉｃ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ ｗａｆｅｒｓ ｗｉｔｈ ｔｈｉｎ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｍｅｔａｌ ｆｉｌｍｓ”，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ２８（２０１０）７０６－７０４）を用いて、または直接取り付け（Ｋ．Ｅｄａ，Ｋ．Ｏｎｉｓｈｉ，Ｈ．Ｓａｔｏ，Ｙ．Ｔａｇｕｃｈｉ， ａｎｄ Ｍ．Ｔｏｍｉｔａ，“Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｒｏｃ．２０００ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（２０００）２９９－３０９）を用いて、上記ＡＯプリズム１の上記音響表面３に取り付けることができる。これにより接合面の間に音響接触を提供する。

上記音響吸収体７は、進行せん断音響波を効率的に吸収するためにインジウム過剰の二元合金に基づいた独特の真空技術を用いて製造することができる。

本発明を実験的に試験した。我々は、水平偏光入力レーザ放射を伴う動作のために、タングステン酸カリウムイットリウム結晶から実験用ＡＯ Ｑスイッチを製造し、我々の計算データを確認した。図７は、製造した実験用ＡＯ Ｑスイッチの写真を示している。ＡＯ Ｑスイッチのアクティブ開口径は２．０ｍｍ、圧電変換器の長さは１４．０ｍｍ、超音波の作動周波数は１００ＭＨｚであった。測定は５３２ｎｍで実行した。最大回折効率は１５Ｗの制御電力で９６％であった。波長１０６４ｎｍで再計算した場合のＡＯ Ｑスイッチの主なパラメータは、２．０Ｗの制御電力および４０ｍｍの圧電変換器長さで９５％を超える効率であった。

タングステン酸カリウムイットリウムのＮ_ｍＮ_ｇ面を伝播する準せん断（ＱＳ）音響波に対する等方性ＡＯ回折の非共線幾何学のＡＯ性能指数の磁極の射影図である。 タングステン酸カリウムイットリウムのＮ_ｍＮ_ｇ面を伝播する準縦（ＱＬ）および準せん断（ＱＳ）音響波に対する等方性ＡＯ回析のＡＯ性能指数である。 ＡＯ Ｑスイッチにおける回折のベクトル図である。 タングステン酸カリウムイットリウムのＮ_ｍＮ_ｇ面における超音波の位相速度および偏角である。 結晶対称軸に対するＡＯプリズム配置である。 ＡＯ Ｑスイッチ設計である。 実験用ＫＹ（ＷＯ_４）_２結晶ＡＯ Ｑスイッチの写真である。

Claims (4)

1. レーザ放射変調方法であって、
   ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系単結晶内において、前記結晶のＮ_ｐ軸に直交しＮ_ｍＮ_ｇ平面内を伝播する偏光とともに振幅変調された進行準せん断音響波を励起するステップを含んでおり、
   レーザビームは、前記結晶内において固有波の前記偏光を有し、前記音響波面に対して０．１５～８°のＢｒａｇｇ角で伝播し、
   音響光学プリズム内の音響波周波数は、レーザビーム回折のための位相整合条件を満たす、レーザ放射変調方法。
2. 音響光学Ｑスイッチであって、
   ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系単結晶で構成される音響光学プリズムと、
   音響吸収体と、
   入力光学面と、
   出力光学面と、
   せん断圧電変換器と、を備えており、
   前記音響光学プリズムの音響表面は、前記結晶のＮ_ｐ軸に平行であり、かつ、Ｎ_ｍ軸に対して０～－４０°の角度をなし、
   前記音響光学プリズムの反対面は、前記音響表面に対して任意の角度をなし、
   前記音響吸収体は、前記反対面に取り付けられており、
   前記入力光学面は、反射防止コーティングを有しており、
   前記出力光学面は、反射防止コーティングを有しており、
   前記せん断圧電変換器は、前記音響表面に取り付けられた１５～２００μｍの厚さを有するニオブ酸リチウム板から構成されている、音響光学Ｑスイッチ。
3. 前記ＫＲＥ（ＷＯ_４）_２系単結晶は、タングステン酸カリウムガドリニウムＫＧｄ（ＷＯ_４）_２結晶、タングステン酸カリウムイットリウムＫＹ（ＷＯ_４）_２結晶、タングステン酸カリウムルテチウムＫＬｕ（ＷＯ_４）_２結晶、または、タングステン酸カリウムイッテルビウムＫＹｂ（ＷＯ_４）_２結晶である、請求項２に記載の音響光学Ｑスイッチ。
4. 前記圧電変換器は、接着剤取付けを使用して、直接誘電結合を使用して、二元合金の形成を伴う真空拡散結合を使用して、または、類似の合金の原子拡散結合を使用して、前記音響光学プリズムに取り付けられている、請求項２に記載の音響光学Ｑスイッチ。

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