JP3533714B2

JP3533714B2 - 音響光学素子及びその偏波特性調整方法

Info

Publication number: JP3533714B2
Application number: JP17889194A
Authority: JP
Inventors: 武史廣瀬
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JPH0843779A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入射光がその偏光方向
に時間依存性を有する場合に回折光出力が変動するとい
う偏波特性を解消することを目的とした音響光学素子及
びその偏波特性調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を偏向、変調させるデバイスの
一つとして音響光学素子がある。その動作原理は、透明
な音響光学媒体内を伝搬する超音波により媒体内に発生
した、周期的な屈折率変化を用いたブラッグ回折の原理
に基づく。従来の音響光学素子の基本構成を図５に示
す。音響光学媒体１の１端面には、電気超音波変換用の
トランスデューサ２が接着層４により貼り付けられてい
る。音響光学媒体１に入射光８が入射する面を入射光学
面５、出射する面を出射光学面６とよび、透過率向上の
目的から反射防止膜が設けられている。

【０００３】圧電体とそれを挟むように設けられた電極
３からなるトランスデューサ２に入力された高周波の電
気信号は、圧電体に機械振動を生じさせる。前記機械振
動は接着層４を介して音響光学媒体１に伝搬し、音響光
学媒体１内に超音波７を発生する。そして、所定の入射
角θで入射光学面５より入射した入射光８は、超音波７
の作用を受けブラッグ回折し、回折光９として出射光学
面６より出射する。

【０００４】このとき、トランスデューサ駆動時の回折
光９（光量Ｉ₁）と、トランスデューサ未駆動時の透過
光１０（光量Ｉ₀）の比を回折効率と呼び、回折効率η
＝１０×ｌｏｇ（Ｉ₁／Ｉ₀）（単位ｄＢ）と定義してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】音響光学媒体１として
複屈折材料を用い、入射光８の偏光方向による位相速度
の差がない光学軸方向と非平行に入射光８を入射する
と、音響光学媒体１は入射光８に対して異方性を示し入
射光８は２本の直線偏光に分離する。このとき、２本の
直線偏光は周波数は同じだが波長と速度が異なり、また
屈折率と光弾性定数も異なりそれよって規定される性能
指数も違うため、各々の回折効率は異なる。本明細書に
おいては、以下回折効率の高い方の直線偏光を偏光ａと
し回折効率の低い方の直線偏光を偏光ｂとする。

【０００６】ＰｂＭｏＯ₄結晶の場合、前記２本の直線
偏光は常光と異常光であり、入力電力が比較的弱い実用
領域では、それらに同じように超音波を作用させると常
光の方が異常光よりも回折効率が高い。また、入射光８
の偏光方向は一定とは限らず、時間的にランダムに変動
する場合もある。

【０００７】したがって、入射光８の偏光方向の変動に
依存して回折効率が変化する。特に入射光８の偏光方向
が時間に依存して変動する場合は、偏光ａ成分と偏光ｂ
成分の比が時間的に変動し、入射光の偏光ａ成分の強度
（振幅）が大きいとトータルでの回折光出力は増大し、
偏光ａ成分の強度が小さいとトータルでの回折光出力は
低下する変動を生じる。

【０００８】このとき、とり得るトータルでの回折効率
の最大値と最小値の差を偏波特性とよび、入射光が音響
光学媒体１内で偏光ａと偏光ｂに分離され、偏光ａの回
折効率をη_a、偏光ｂの回折効率をη_bとした場合、偏波
特性△η＝η_a−η_bで求められる。音響光学素子に要求
される特性の一つに回折効率の安定性があるが、音響光
学素子が偏波特性を有する場合、入射光の偏光方向の時
間的変化に伴い回折効率が変動し安定せず問題となって
いた。

【０００９】本発明の目的は、従来技術における前記偏
波特性を低減又は解消することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の問題点を
解決すべくなされたものであり、音響光学媒体として複
屈折材料を用い、入射光が前記複屈折材料の複屈折性を
示さない光学軸と非平行になるように音響光学媒体内を
進行させ回折させる音響光学素子において、前記入射光
は、前記音響光学媒体の１面に設けられ前記入射光を超
音波により回折させるためのトランスデューサの取付面
に平行な面内で前記音響光学媒体の入射光学面に０°よ
りも大きい入射角θをもって入射され、前記トランスデ
ューサの上面に設けられ入射光の進行方向に伸びた長い
形状の電極が、前記音響光学媒体の複屈折性により生じ
た２本の直線偏光のうち回折効率の低い方の直線偏光に
沿うように形成されてなることを特徴とする音響光学素
子を提供する。

【００１１】また、前記音響光学媒体がＰｂＭｏＯ₄結
晶である上記の音響光学素子を提供する。また、前記入
射角θは２°〜２６°である上記の音響光学素子を提供
する。入射角θが２°よりも小さいと音響光学媒体の複
屈折性が生じにくく、２６°よりも大きいと回折光の出
射端面に対する入射角が臨界角を越え、出射端面で全反
射するため、実際に取り出せる回折光出力がほとんど０
になり不都合である。

【００１２】また、前記入射光はその偏光方向に時間依
存性を有するものであり、前記時間依存性により生ずる
回折光出力の変動を抑制するために、上記の音響光学素
子を、前記入射角θが０°の線に対して垂直でかつ前記
トランスデューサ取付面に対して平行である方向に、前
記入射光に対して相対的に動かして位置調整する音響光
学素子の偏波特性調整方法であって、音響光学素子の前
記電極を複屈折性により生じた２本の直線偏光の回折効
率が一致する位置に合わせるように位置調整することを
特徴とする音響光学素子の偏波特性調整方法を提供す
る。

【００１３】本発明の好ましい態様の偏波特性調整方法
においては、前記回折光出力をモニターしつつ、それが
ほぼフラットな特性になったときに位置調整を停止す
る。このとき、偏光ａと偏光ｂの回折効率が一致する位
置が存在するので、その一致点に電極中心を合わせるよ
うにする。

【００１４】また、本発明の好ましい別の態様の偏波特
性調整方法においては、前記２本の直線偏光のうち回折
効率の高い方の直線偏光の光束中心と電極の中心軸が、
前記回折効率の高い方の直線偏光の光束幅の５％〜４０
％分回折効率の低い方の直線偏光側へずれるように位置
調整する。５％よりも小さいと、偏光ａと偏光ｂの回折
効率の一致点に電極中心が合うに至らず回折光出力の変
動をほとんど解消できず、４０％よりも大きいとトラン
スデューサ取付面からみた偏光ａと偏光ｂの分離角が大
きくなり、回折効率の一致点における回折効率が小さく
なり回折光出力が弱く、実用に適さない。

【００１５】図２に示すように偏光ａと偏光ｂは、トラ
ンスデューサ取付面側から見るとほぼ重なっており、偏
光ｂに正確に沿うよう電極を設けると、偏光ａにも超音
波を作用させることになり、偏光ａの変動を受けやす
い。そこで、偏光ａから離れる方向、すなわち図２にお
いては下方へ音響光学素子を動かして（平行移動させ
て）、超音波を偏光ｂ寄りに作用させて偏光ａと偏光ｂ
の回折効率が一致する位置へと電極をずらす。そのと
き、偏光ａの光束中心と電極の中心軸が、偏光ａの光束
幅の５％〜４０％分ずれるようにするとほぼフラットな
回折光出力が得られる。

【００１６】本発明においては、図１（１）に示すよう
に、直方体の音響光学媒体１を傾斜した筐体１４上に設
置する、又は、図１（２）に示すように、音響光学媒体
１の入射光学面５を傾斜させて形成する、ことにより、
トランスデューサ取付面からみた入射角θを０°よりも
大きくできる。また図１（３）に示すように、入射光学
面５に対して入射光を傾斜させて入射することもでき、
いずれの場合においても同等の効果が得られる。音響光
学媒体１内を進行する入射光と、音響光学媒体１内を伝
搬する超音波の相対的位置関係を変化させるには、入射
光又は音響光学素子のいずれか一方又は双方を図１のＺ
方向に動かせばよい。

【００１７】また、本発明において電極３は偏光ｂに沿
うように設けられており、従来の、トランスデューサ２
取付面の辺に常にほぼ平行に設けられていたものと異な
る。

【００１８】本発明における複屈折材料としては、Ｐｂ
ＭｏＯ₄結晶の他にＴｅＯ₂結晶などが好ましく用いられ
る。前記複屈折材料がＰｂＭｏＯ₄結晶の場合は、入射
光の偏光方向による位相速度差のない（複屈折性を示さ
ない）光学軸は結晶のｃ軸方向である。前記ｃ軸方向に
非平行になるよう入射光を入射させると、複屈折性を示
す。また前記ｃ軸方向に垂直な２つのａ軸方向のいずれ
かに平行になるように入射すると、最も大きな複屈折性
を示す。

【００１９】前記複屈折材料が１軸性結晶の場合は、２
本の直線偏光は常光と異常光であり、異常光の方が回折
効率が低い。また２軸性結晶の場合は、２本の直線偏光
は２本の異常光となり、それらのいずれか一方の回折効
率が低い。ここで、一般的に常光はスネルの屈折の法則
に従うものであり、異常光はスネルの屈折の法則に従わ
ない。

【００２０】本発明の音響光学素子は、ＯＴＤＲ（オプ
ティカル・タイム・ドメイン・リフレクトメトリ）法を
利用した光ファイバーの光パルス試験器、光ファイバー
の温度分布測定器用の光スイッチ、光周波数シフタ用の
光スイッチとして好ましく使用できる。これらの光スイ
ッチの場合、入射光の偏光方向が時間的に変動する場合
がしばしばあるためである。また、入射光の偏光方向が
時間的に変動する機器用の光スイッチであれば、特に前
記機器の用途に限られず、他の機器用の光スイッチとし
ても使用できる。

【００２１】

【作用】図２にトランスデューサ側から見た音響光学素
子の断面図を示す。また、図３には、出射光学面側から
見た音響光学素子の側面図を示す。以下、これらの図に
よって説明する。

【００２２】図２に示すように、光線を複屈折材料の複
屈折性を示さない光学軸以外の方向に入射した場合、屈
折率の違いにより入射光８は音響光学媒体１内で偏光ａ
（符号１２）と偏光ｂ（符号１３）に分離され、各々異
なる回折効率で回折される。ここで、図２（１）〜
（３）は図１（１）〜（３）に相当する。

【００２３】一方、音響光学媒体１内を伝搬する超音波
７は、通常、トランスデューサ２のサイズ、特にトラン
スデューサ２上に配されたトランスデューサ駆動用信号
を受ける電極３のサイズに強く相関する強度分布を持
つ。図１及び図３の例のようにトランスデューサ２及び
電極３を設けた場合、トランスデューサ２及び電極３の
音響光学媒体１内への射影部は超音波強度が高く、それ
以外は低いという分布が形成される。なお、図３におけ
る符号４はトランスデューサ２を音響光学媒体１の１面
に設置するための接着層を示す。

【００２４】回折効率は光に作用する超音波７の強度に
よって変化するため、図３に示すように、音響光学媒体
１を伝搬する超音波７と、偏光ａ（１２）及び偏光ｂ
（１３）の相対位置を変化させると回折効率を調整でき
る。図３（１）では偏光ａ（１２）に選択的に超音波７
の高強度部分を作用させることにより、偏光ａ（１２）
の回折効率を増加させ偏光ｂ（１３）の回折効率を低下
させている。図３（２）では、偏光ａ（１２）、偏光ｂ
（１３）に対して均等に超音波７の高強度部分を作用さ
せている。図３（３）では偏光ｂ（１３）に選択的に超
音波を作用させている。このようにして、偏波特性を調
整できる。本発明においては、特に図３（２）のように
偏光ｂ（１３）を主に高い回折効率で回折させながら偏
波特性を調整する。

【００２５】さらに図１や図３に示すように、トランス
デューサ２及びトランスデューサ２上の電極３を、音響
光学媒体１の取付面より小さくして入射光の進行方向に
伸びた長い形状として形成している。そうすることによ
り、入射光と超音波相互の作用長を長く維持したまま、
入射光光路と直交する方向に超音波の急峻な強度分布を
形成できる。入射光と超音波の作用長が短いと、作用長
の変化により回折効率は大きく低下するため、図１に示
した音響光学素子を使用することにより、偏光ｂの回折
効率を高いレベルに維持したまま偏波特性を調整でき
る。

【００２６】前述の音響光学媒体内の超音波強度分布
は、トランスデューサ上の電極に最も相関して形成され
るため、トランスデューサの圧電体のサイズが大きくて
も、トランスデューサ上の電極を所望のサイズに形成す
ることによって超音波の急峻な強度分布を形成できる。

【００２７】

【実施例】（実施例１）本発明の実施例を図１に示す。音響光学媒体１として直
方体のＰｂＭｏＯ₄結晶を使用し、図１（１）に示すよ
うに、入射光学面５を傾斜させるため６°の傾斜角を持
つ筐体１４上に固定した。トランスデューサ２としては
ＬｉＮｂＯ₃結晶を、接着層を介してＰｂＭｏＯ₄結晶の
ｃ軸方向に垂直に貼り付けている。電極３は、音響光学
媒体１内で生ずる偏光ａと偏光ｂの２つの偏光成分のう
ちの偏光ｂに沿うように、出射光学面６側でトランスデ
ューサ２に対して相対的に図の上方向へ向かうように
（図で右上りに）２．７°傾斜させている。電極３の幅
は５００μｍである。

【００２８】トランスデューサ２は周波数１２０ＭＨ
ｚ、入力電力１Ｗで駆動し、入射光として波長１．３１
μｍ、ビーム径約４００μｍのレーザ光を入射し、偏光
ａ（常光）と偏光ｂ（異常光）を生じた。本実施例で
は、音響光学媒体１内を通過する光と媒体内を伝搬する
超音波７の相対位置関係を変化させるため、音響光学素
子を図１中の−Ｚ方向、すなわち偏光ａから離れる方向
に平行移動させた。図４のグラフに、音響光学素子の−
Ｚ方向への移動に伴う偏波特性の変化を示す。

【００２９】偏光ａの回折効率をη_a、偏光ｂの回折効
率をη_bとした場合、偏波特性△ηは△η＝η_a−η_bで
ある。ここで、偏光ａは入射光の偏光方向のうちその電
場の振動方向がＰｂＭｏＯ₄結晶のａ軸方向である成分
であり、偏光ｂは電場の振動方向がＰｂＭｏＯ₄結晶の
ｃ軸方向である成分である。この場合、偏光ａの方が回
折効率が高いため、入射光の偏光方向が時間変動すると
き、偏光ａ成分の強度変化に伴ってトータルでの回折光
出力が変動する。

【００３０】図４に示すように、電極を偏光ａの回折効
率のピーク（グラフの左端で、偏光ａの光束中心に相
当）から４５μｍ程度移動調整することにより、偏光ａ
成分の回折効率が偏光ｂ成分のそれとほぼ一致した（グ
ラフの０ｄＢ部分）。偏波特性を０．１ｄＢ程度変化さ
せることができ、回折光出力変動をほぼフラットにでき
た。

【００３１】本実施例では、電極３の中心軸と偏光ａの
光束中心が、偏光ａのビーム幅４００μｍの約１１％分
偏光ａから偏光ｂよりに離れるようずらしている。ま
た、本実施例において、回折光出力をオシログラフやマ
イクロコンピュータなどでモニターしつつ、それがほぼ
フラットな時間変動となった場合に調整を停止しても同
様の結果が得られる。

【００３２】本実施例においては、直方体の音響光学素
子を傾斜した筐体上に固定することにより入射光学面５
を傾斜させているが、図１（２）に示すように入射光学
面５を傾けて形成した場合にも同様の結果が得られた。
また、図１（３）のように音響光学素子を固定し、入射
光８を傾けた場合においても同様の結果が得られた。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、複屈折材料を音響光学媒体と
して使用した場合に原理的に発生する偏波特性を、簡便
な方法で抑制又は解消できるという優れた効果を有す
る。したがって、本発明の方法によれば、音響光学媒体
内で発生する偏波特性による回折光出力の変動を低減又
は解消して、入射光の偏光方向の時間変化に依存しない
一定強度の回折光を得ることができる。また、逆に入射
光の偏光方向の時間変化を、回折光の光量の変化に対応
させ、入射光の偏光方向を検出特定する用途にも使用で
きる効果も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（１）〜（３）とも本発明の実施例に係る音響
光学素子の斜視図。

【図２】図１（１）〜（３）に対応した音響光学媒体内
の偏光ａと偏光ｂの光路を示す音響光学媒体の側面図。

【図３】本発明の方法により偏波特性調整を行う際の音
響光学素子の側面図。

【図４】本発明の方法により偏波特性を調整した結果を
示すグラフ。

【図５】従来の音響光学素子の機能を説明するための斜
視図。

【符号の説明】

１：音響光学媒体２：トランスデューサ３：電極４：接着層５：入射光学面６：出射光学面７：超音波８：入射光９：回折光１０：透過光１２：偏光ａ１３：偏光ｂ１４：筐体１５：入射光入射方向１６：Ｚ方向

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】音響光学媒体として複屈折材料を用い、入
射光が前記複屈折材料の複屈折性を示さない光学軸と非
平行になるように音響光学媒体内を進行させ回折させる
音響光学素子において、前記入射光は、前記音響光学媒
体の１面に設けられ前記入射光を超音波により回折させ
るためのトランスデューサの取付面に平行な面内で前記
音響光学媒体の入射光学面に０°よりも大きい入射角θ
をもって入射され、前記トランスデューサの上面に設け
られ入射光の進行方向に伸びた長い形状の電極が、前記
音響光学媒体の複屈折性により生じた２本の直線偏光の
うち回折効率の低い方の直線偏光に沿うように形成され
てなることを特徴とする音響光学素子。
【請求項２】前記音響光学媒体がＰｂＭｏＯ₄結晶であ
る請求項１記載の音響光学素子。
【請求項３】前記入射角θは２°〜２６°である請求項
２記載の音響光学素子。
【請求項４】前記入射光はその偏光方向に時間依存性を
有するものであり、前記時間依存性により生ずる回折光
出力の変動を抑制するために、請求項１、２又は３記載
の音響光学素子を、前記入射角θが０°の線に対して垂
直でかつ前記トランスデューサ取付面に対して平行であ
る方向に、前記入射光に対して相対的に動かして位置調
整する音響光学素子の偏波特性調整方法であって、音響
光学素子の前記電極を複屈折性により生じた２本の直線
偏光の回折効率が一致する位置に合わせるように位置調
整することを特徴とする音響光学素子の偏波特性調整方
法。