JP5740265B2 - 音響光学素子 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、高精度な光変調が可能な音響光学素子に関する。

光変調の精度及び安定性には生成された進行波の強度安定性が重要である。しかし、一般に音響光学媒体は空気との間で音響インピーダンスが著しく異なるため、音響光学媒体界面で超音波が反射し、結晶中の超音波進行波の安定性を阻害する要因となることが知られている。そこで、圧電変換素子対向面を圧電変換素子面と非平行にすることで直接の反射を防ぎ、さらに超音波吸音材により超音波を吸収する従来技術がある。

特開２００５−１７３４３号公報

しかし、音響光学媒体と音響インピーダンスが完全に一致し、かつ十分な超音波減衰が得られるような吸音材は、設置や加工が容易で安価に作製可能な範囲で存在しない。そのため、従来の音響光学素子では一定の超音波反射波が存在し、それが原因となる種々の変調精度劣化が問題視されるケースがある。

そこで、発明が解決しようとする課題は、上記に鑑みてなされたものであって、周波数変調時に生成された光の強度安定性を高める音響光学素子を提供することを目的とする。

実施形態によれば、音響光学素子は、音響光学媒体と、圧電変換素子と、を具備する。音響光学媒体は６面体の形状を有する。また圧電変換素子は、前記音響光学媒体の面Ｃに設置される。さらに、前記面Ｃに対向する面Ｄの４辺のそれぞれを共有する面Ｅ、面Ｆ、面Ｇ、及び面Ｈと面Ｄとの成す４つの角度のそれぞれが非直交であり、面Ｃ、面Ｅ、面Ｆ、面Ｇ、及び面Ｈのうちの共有する辺を介して２つの面が成す８つの角度のうちの少なくとも１つが非直交であることを特徴とする。

実施形態の音響光学素子を示す図。 実施形態及び第１実施例の音響光学媒体の形状を示す図。 図２の面Ｈに垂直な方向から見た音響光学媒体を示す図。 図２の音響光学媒体中の超音波反射モードを示す図。 第２実施例の音響光学媒体の形状を示す図。 図５の音響光学媒体中の超音波反射モードを示す図。 第３実施例の音響光学媒体の形状を示す図。 図７の音響光学媒体中の超音波反射モードを示す図。 第４実施例の音響光学媒体の形状を示す図。

以下、図面を参照しながら実施形態に係る音響光学素子について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
光の周波数や強度、方向を変調する装置として音響光学素子が用いられる。音響光学素子は一般に図１のように、音響光学媒体１００、圧電変換素子１１０、及び高周波回路１３０を備えて、広く光変調器として用いられる。なお、高周波回路１３０を含まず、音響光学媒体１００及び圧電変換素子１１０を備えているものを音響光学素子と呼んでもよい。

音響光学媒体１００は、超音波と光を伝搬する媒体であり、単結晶またはガラスからなり例えば二酸化テルルやモリブデン酸鉛などからなる。
圧電変換素子１１０は、音響光学媒体１００に接着して取り付けられ、高周波回路１３０に金属線（例えば銅線１２０）によって接続する。

次に音響光学素子の動作原理を説明する。
まず高周波回路１３０が高周波信号を圧電変換素子（ピエゾトランスデューザー）１１０に出力し、圧電変換素子１１０で高周波信号を超音波に変換する。生成された超音波は音響光学媒体１００の中に進行波として入射され粗密パターンを形成する。この粗密パターンは入射光にとっての回折格子として働き、回折光は超音波の周波数や強度に対応して変調される。この回折現象は音響光学効果と呼ばれる。

ところで従来の音響光学素子では、圧電変換素子により出射される超音波が、音響光学媒体の複数の面によって複数回の反射を経て、圧電変換素子が設置される面へ垂直に入射し、圧電変換素子から新たに出射される超音波と干渉するモードが存在する。このモードでは、この音響光学媒体が超音波にとってＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共振器となっていることと等価である。従来の音響光学素子では、圧電変換素子が設置される面の対向面での超音波の反射回数に応じて複数の反射モードが生じる。これらの反射モードに対応して、ある周波数ごとに繰り返しノイズが生じる強度ノイズパターンが発生する。このような強度ノイズパターンは光の精密な周波数変調を行う際には重大な問題となり、改善が望まれている。

そこで実施形態の音響光学素子では、上記のようなモードが存在しないような形状に音響光学素子を形成する。音響光学素子が６面体の場合には圧電変換素子１１０が接着される面へ光が垂直に入射しないように形状を設定する。６面体ではなく７面体以上の形状の音響光学素子を形成することでも、圧電変換素子１１０が接着される面へ光が垂直に入射しにくくなり有効である。

実施形態の音響光学素子について具体的に図２、図３を参照して説明する。実施形態の音響光学素子は、周波数変調時の強度ノイズパターンを抑制する機構を備えた形状となっている。
本実施形態の音響光学素子は、音響光学媒体１００、圧電変換素子１１０、吸音材２１０を備えている。なお吸音材２１０は必須ではない。
ここで、圧電変換素子１１０を設置する面を面Ｃ、面Ｃに対向する面を面Ｄ、光が入射または出射する２つの面のうちの面積が小さい面を面Ｅ、光が入射または出射する２つの面のうちの面積が大きい面を面Ｆ、これら以外の吸音材２１０を塗布する面を面Ｇ、面Ｇに対向する面を面Ｈとする。このように面を定義すると、本実施形態では、面Ｃに対向する面Ｄの４辺のそれぞれを共有する面Ｅ、面Ｆ、面Ｇ、及び面Ｈと面Ｄとの成す４つの角度のそれぞれが非直交であり、面Ｃ、面Ｅ、面Ｆ、面Ｇ、及び面Ｈのうちの共有する辺を介して２つの面が成す８つの角度のうちの少なくとも１つが非直交であるようにする。

本実施形態の音響光学素子では、図２のように面Ｆと面Ｃの成す角を非直交にする。面Ｆと面Ｃとの成す角度をθ’＋π／２とし、面Ｃと面Ｄとの成す角度をθとする。図３は面Ｈに垂直な方向で面Ｈの上方側から見た図であり、面Ｆと面Ｃとが直交せずここではこれらのなす角が９０度よりも大きい角度である。また、θ’＝ｎθ／２（ｎは１以上の整数）を満たさない限り、面Ｃへ垂直に入射するモードは存在しない。面Ｃへ垂直に入射するモードは存在しないという条件は、換言すれば面Ｃへの何回目の入射も垂直ではないということを意味する。ところで、この条件は共振器モード（同じ軌跡の反射が繰り返し続くモード）が存在しないための条件である。超音波は面Ｃから面Ｃに対し垂直に出射されるので再び面Ｃへ垂直に入射しない限り、このような同じ軌跡を繰り返したどるようなモードは存在しない。

この条件は図４に示すように面Ｃへの入射角度が９０度にならないことに基づいて導くことができる。またたとえθ’＝ｎθ／２の条件を満たした場合であっても、少なくとも、θ’＝０の場合よりは、音響光学媒体中での超音波の反射回数が多くなるため、音響光学媒体に取り付けられた吸音材における超音波吸収や、結晶中での超音波の減衰などによって、干渉は弱くなり、ノイズレベルを抑制することができる。

このような加工は図２の例に限らず、例えば図５に示すように面Ｈを面Ｃに対して非直交に加工すること（第２実施例参照）でも同様の効果が得られる他、図７に示すように圧電変換素子を設置する面Ｃ自体を他の面と非直交にするような加工（第３実施例参照）でも同様の効果が得られる。あるいは図９に示すように、面Ｄを単なる非平行な面とするだけでなく、２面以上に加工すること（第４実施例参照）によっても、干渉モードを変更できるため、超音波干渉モードを除去する効果がある。また、特定の干渉モードのみを重点的に抑制するために吸音材を特定の部位に取り付けることで、少ない吸音材で効率的に干渉モードを抑制することが可能である。

以上に説明した実施形態の音響光学素子によれば、音響光学媒体の面を非平行に加工し超音波干渉モードを抑制することにより、高価な吸音材を使用せずとも音響光学素子による周波数変調時に生成された光の強度安定性を飛躍的に向上させることができる。

以下に４つの実施例について説明する。
（第１実施例）
図１のように、二酸化テルル結晶を材料とする音響光学媒体１００に圧電変換素子１１０を取り付け、高周波回路１３０を銅線１２０で圧電変換素子１１０に取り付ける。この際に音響光学媒体１００は図２のような形状でθ＝８°、φ＝２０°、θ’＝２３°に加工する。また図２のように音響光学媒体１００の面Ｇに銀ペーストを材料とする吸音材２１０を塗布する。

高周波回路１３０が周波数変調用の高周波信号を圧電変換素子１１０に銅線１２０を通して印加する。この音響光学素子に対しブラッグ角で入射光１５０を入射すると回折光１５１および透過光１５２が出射され、このうち回折光１５１として入射光１５０の周波数変調光を生成できる。この際に変調された回折光１５１の強度安定性はθ’＝０°の場合に比べ飛躍的に安定になる。

（第２実施例）
図１のように、二酸化テルル結晶を材料とする音響光学媒体１００に圧電変換素子１１０を取り付け、高周波回路１３０を銅線１２０で圧電変換素子１１０に取り付ける。この際に音響光学媒体１００は図５のような形状でφ＝２０°、φ’＝１５°に加工する。また図５のように音響光学媒体１００の面Ｇに銀ペーストを材料とする吸音材２１０を塗布する。周波数変調用の高周波信号を高周波回路１３０から銅線１２０を通して圧電変換素子１１０に印加する。この音響光学素子に対しブラッグ角で入射光１５０を入射すると回折光１５１および透過光１５２が出射され、このうち回折光１５１として入射光１５０の周波数変調光を生成できる。

図６に示すように、面Ｇに対向する面Ｈと面Ｃとがなす角がπ／２＋φ’であり、面Ｇと面Ｄとがなす角がπ／２−φである場合に、面Ｃへ垂直に入射する光のモードが存在しないという条件では、ｎφ’≠π／２−２φとなる。逆にｎφ’≠π／２−２φの場合には上述したモードは抑制され、この際に変調された回折光１５１の強度安定性はφ’＝０°の場合に比べ飛躍的に安定になる。

（第３実施例）
図１のように、二酸化テルル結晶を材料とする音響光学媒体１００に圧電変換素子１１０を取り付け、高周波回路１３０を銅線１２０で圧電変換素子１１０に取り付ける。この際に音響光学媒体１００は図７のような形状でφ＝２０°、φ’’＝３５°に加工する。また図７のように音響光学媒体１００の面Ｇに銀ペーストを材料とする吸音材２１０を塗布する。周波数変調用の高周波信号を高周波回路１３０から銅線１２０を通して圧電変換素子１１０に印加する。この音響光学素子に対しブラッグ角で入射光１５０を入射すると回折光１５１および透過光１５２が出射され、このうち回折光１５１として入射光１５０の周波数変調光を生成できる。

図８に示すように、面Ｇと面Ｃとがなす角がπ／２−φ’’であり、面Ｇと面Ｄとがなす角がπ／２−φである場合に、面Ｃへ垂直に入射する光のモードが存在しないという条件では、ｎφ’’≠｜π／２−２φ｜かつφ’’≠−φとなる。逆にφ’’≠｜π／２−２φ｜かつφ’’≠−φの場合には上述した干渉モードは抑制され、変調された回折光１５１の強度安定性はφ’’＝０°の場合に比べ飛躍的に安定になる。

（第４実施例）
図１のように、二酸化テルル結晶を材料とする音響光学媒体１００に圧電変換素子１１０を取り付け、高周波回路１３０を銅線１２０で圧電変換素子１１０に取り付ける。この際に音響光学媒体１００は図９のように圧電変換素子１１０と対向する２つの面が面Ｄ’_１と面Ｄ’_２となるように加工する。吸音材を塗布する面Ｇ’に対向する面Ｈ’と面Ｄ’_１とが接する辺の長さをＬ_１とし、面Ｈ’と面Ｄ’_２とが接する辺の長さをＬ_２とする。そしてＬ_１とＬ_２とが異なる長さとなり、θ_１＝２０°、θ_２＝３５°になるよう加工する。高周波回路１３０は周波数変調用の高周波信号を高周波回路１３０から銅線１２０を通して圧電変換素子１１０に印加する。この音響光学素子に対しブラッグ角で入射光１５０を入射すると回折光１５１および透過光１５２が出射され、このうち回折光１５１として入射光１５０の周波数変調光を生成できる。この際に変調された回折光１５１の強度安定性は図２のように圧電変換素子１１０と対向する面が１面の場合に比べ飛躍的に安定になる。ここでは例として圧電変換素子１１０と対向する面が２面の場合について説明をしたが、３面以上でも同様の効果が得られる。

以上の実施例での配置及び形状は一例に過ぎず、同様の効果が得られる異なる配置及び形状を用いることができる。また、実施例での音響光学媒体１００の材質は一例であり、モリブデン酸鉛など音響光学効果を持つ異なる材料を用いることができる。さらに、実施例における吸音材２１０の材質は一例であり、音響インピーダンスが音響光学媒体と一致し、超音波減衰率の高い材料であれば異なる材料を用いることができ、例えば鉄粉混合銀ペーストがある。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００・・・音響光学媒体、１１０・・・圧電変換素子、１２０・・・銅線、１３０・・・高周波回路、１５０・・・入射光、１５１・・・回折光、１５２・・・透過光、２１０・・・吸音材。

Claims (5)

1. ６面体の形状を有する音響光学媒体と、
   前記音響光学媒体の面Ｃに設置される圧電変換素子と、を具備し、
   前記面Ｃに対向する面Ｄの４辺のそれぞれを共有する面Ｅ、面Ｆ、面Ｇ、及び面Ｈと面Ｄとの成す４つの角度のそれぞれが非直交であり、面Ｅおよび面Ｆは光を入射または出射する面であり、面Ｃと、光を入射または出射しない面Ｈと、面Ｈに対向する、光を入射または出射しない面Ｇとのうちの共有する辺を介して３つの面が成す２つの角度のうちの少なくとも１つが非直交であることを特徴とする音響光学素子。
2. 前記面Ｇには超音波吸音材を塗布し、該面Ｇと前記面Ｃは直交していて、該面Ｇに対向する面Ｈが該面Ｃと成す角度をπ／２＋φ’（ここで−π／２＜φ’＜π／２であり）とすると、φ’≠０であることを特徴とする請求項１に記載の音響光学素子。
3. 前記面Ｇと前記面Ｄとの成す角度をπ／２−φとすると、前記角度φ’はｎφ’≠π／２−２φ（ｎは１以上の整数）の条件を全て満たすことを特徴とする請求項２に記載の音響光学素子。
4. 前記面Ｇには超音波吸音材を塗布し、該面Ｇと該面Ｇに対向する面Ｈが互いに平行であり、前記面Ｃと前記面Ｈとの成す角度をπ／２＋φ’’（ここで−π／２＜φ’’＜π／２であり）とすると、φ’’≠０であることを特徴とする請求項１に記載の音響光学素子。
5. 前記面Ｇと前記面Ｄとの成す角度をπ／２−φとすると、前記角度φ’’はφ’’≠｜π／２−２φ｜かつφ’’≠−φを満たすことを特徴とする請求項４に記載の音響光学素子。

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