JPH0980366A

JPH0980366A - 音響光学デバイス

Info

Publication number: JPH0980366A
Application number: JP23693595A
Authority: JP
Inventors: Masato Ishioka; 昌人石岡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、光学系を集積化することにより、小
型化および低コスト化を実現することができる音響光学
デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る音響光学デバイスは、音響光
学材料４を母材とする基板１４と、基板１４の表面に周
期的な光学的位相差を発生させる構造を有する回折型レ
ンズ３と、回折型レンズ３へのレーザ光を発生させるレ
ーザ光源１と、基板１４中に音響波を励起させるための
トランスジューサ５および高調波電源６と、音響波の反
射を防ぐための吸音材９を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光偏向と光周波数
シフトの効果を利用した光センシングおよび計測システ
ムに関する音響光学デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術を図９に示す。

【０００３】従来の音響光学効果を利用した光装置は、
その構成部品である音響光学変調器（ＡＯＭ；Ａcoustu
c Ｏptical Ｍodulator）とレンズとがそれぞれが分
離されて構成されている。また、ファイバへの結合を含
めたシステムになると、その他に光結合レンズ系を必要
とした。

【０００４】図９を用いて、この従来の光装置の動作原
理を説明する。

【０００５】図９に示すように、半導体レーザ１から照
射された発散光２は空間を伝搬し、コリメータレンズ３
１に入射される。

【０００６】コリメータレンズ３１により、平行光３４
に変換されたビームは音響光学変調器３２へ入射され
る。

【０００７】そして高調波電源６で音響光学変調器３２
内に励起される周期ｆ1 の音響波の回折格子によって、
平行光３４は回折光１２と非回折光１３とに分離され
る。

【０００８】これらのビームは、図９に示すように、結
合レンズ３３を通してそれぞれの光ファイバ２１、２２
に結合される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】

（１）従来の、音響光学効果を応用した光装置は、音響
光学変調器とレンズ等の光学系とが分離して構成せざる
を得ないため、光装置と各光学部品との光軸調整が必要
である。

【００１０】そのために大きな収納スペースを必要とす
る。

【００１１】また、光軸調整の煩雑さと別途光学系が必
要なことから、これらの光装置は高コストになるという
問題がある。

【００１２】（２）従来の回折型レンズの基板は、ほと
んどがＳｉやガラスのような単元素（または、単純な原
子構造）から成る材料であった。そのため、従来の作製
法であるＲＩＥによるエッチング（反応性ガスによる選
択的なドライエッチング）でも良好な回折型レンズが作
製できた。

【００１３】しかし、ＬｉＮｂＯ3 のような音響光学材
料は、多元化合物（多くの元素から構成されている材
料）の場合が多く、ＲＩＥエッチングで形状を作製した
場合、そのエッチングされた表面は、エッチングに用い
た反応性ガスと基板を構成する一部の元素との複雑な化
学反応によって様々なダメージを受ける。例えば、Ｌｉ
ＮｂＯ3 では白くなって光が透過しなくなるようなこと
が生じる。

【００１４】そのため、ＲＩＥエッチングを用いようと
すれば、複雑な条件の抽出が必要になる。

【００１５】本発明は、これらの問題を解決することが
できる音響光学デバイス、および回折型レンズの製作方
法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】

（第１の手段）本発明に係る音響光学デバイスは、音響
光学材料を母材とする基板を有する光学デバイスにおい
て、前記基板の表面に周期的な光学的位相差を発生させ
る構造を有する回折型レンズを設けたことを特徴とす
る。

【００１７】（第２の手段）本発明に係る音響光学デバ
イスは、（Ａ）音響光学材料を母材とする基板と、
（Ｂ）前記基板の表面に周期的な光学的位相差を発生さ
せる構造を有する回折型レンズと、（Ｃ）前記回折型レ
ンズへのレーザ光を発生させるレーザ光源と、（Ｄ）前
記基板中に音響波を励起させるためのトランスジューサ
および高調波電源と、（Ｅ）音響波の反射を防ぐための
吸音材を有することを特徴とする。

【００１８】（第３の手段）本発明に係る音響光学デバ
イスは、（Ａ）音響光学材料を母材とする基板と、
（Ｂ）前記基板の表面に周期的な光学的位相差を発生さ
せる構造を有する第１回折型レンズおよび第２回折型レ
ンズと、（Ｃ）前記第１回折型レンズへのレーザ光を発
生させるレーザ光源と、（Ｄ）前記基板中に音響波を励
起させるためのトランスジューサおよび高調波電源と、
（Ｅ）音響波の反射を防ぐための吸音材と、（Ｆ）第１
光ファイバと第２光ファイバを有し、（Ｇ）前記第２回
折型レンズは、基板の中で形成された音響波回折格子に
よる回折光と非回折光を、該第２回折型レンズの焦点面
上の第１光ファイバと第２光ファイバに結合することを
特徴とする。

【００１９】（第４の手段）本発明に係る回折型レンズ
の製作方法は、（Ａ）音響光学効果を有する基板上に、
レジストをコーティングしてレジスト膜を形成する工程
と、（Ｂ）前記基板上にレンズパターンを転写するフォ
トリソグラフィの工程と、（Ｃ）前記レンズパターンに
従ったエッチングにより、所望の断面形状を作製する工
程と、（Ｄ）不要になった前記基板上のレジスト膜を除
去して回折レンズを作製する工程から成ることを特徴と
する。

【００２０】音響光学効果とは、音波によって媒質中の
屈折率を時間的に変化させ、その周期的な屈折率変動の
層に言わば回折格子の役割をさせ、これに光を斜入射し
て回折を生じさせる効果をいう。

【００２１】この音響光学効果に優れた材料としては、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）をはじめ、水晶、二
酸化テルル（ＴｃＯ2 ）、モリブデン酸鉛（ＰｂＭｏＯ
4 ）、ルチル（ＴｉＯ2 ）等がある。

【００２２】これらの音響光学効果に優れた材料の基板
表面に、回折現象を利用して通常のレンズと同様な集光
やビーム整形を行うことが可能な回折型レンズを構成す
る。

【００２３】具体的には、その断面形状が周期的な凹
凸、階段状、またはブレーズ状をなし、平面パターンは
端に行くほど同心円状に縞周期が狭くなっている円形マ
イクロフレネルレンズや、平行な直線パターンが端に行
くほど狭くなっている方形型マイクロフレネルレンズ等
を集積することにより、従来の光学系と音響光学変調器
とのモノリシック型構造の光デバイスを構成する。

【００２４】これにより、装置全体の小型化と光軸調整
の問題を解決することができる。

【００２５】また、回折型レンズは、半導体のプレーナ
技術を用いて大量に作製できるため、低コスト化を実現
することができる。

【００２６】そのため、次のような作用をする。

【００２７】半導体レーザからの発散光は直接、本発明
の音響光学デバイスの入力側表面に形成されている第１
回折型レンズ３によって平行光に変換され、基板中を伝
搬し、音響波による音響波回折格子１０によって回折光
と、非回折光に分離される。これらのビームは、出力側
表面の第２回折型レンズ１１によって、光ファイバ２
１、２２や光導波路への結合等の様々な出力形態に応じ
ることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係わる音響光学
デバイスの好適な実施の形態を説明するが、本発明はこ
れに限定されるものではない。

【００２９】［第１の実施の形態］本発明の第１の実施
の形態を図１〜図６に示す。

【００３０】図１は音響光学デバイスの第１の実施の形
態の全体構成の斜視図を示し、その動作を図２の断面図
で説明する。

【００３１】それに含まれている回折型レンズのパター
ン設計については図３と図４により説明する。

【００３２】そして、その回折型レンズの作製法につい
ては図５と図６を用いて説明する。

【００３３】本発明の第１の実施の形態は、図１に示す
ように、半導体レーザ光源１と、音響光学材料４を基板
１４の母材とする回折型レンズ３と、音響波を基板中に
励起させるためのトランスジューサ５と、高調波電源６
と、音響波の反射を防ぐための吸音材９により構成され
ている。

【００３４】次に、前記光デバイスの音響光学材料４と
して、ＬｉＮｂＯ3 を基板母材とした場合の、断面形状
が凹凸もしくは階段状の回折型レンズ３の平面パターン
の設計について、図３および図４を用いて説明する。

【００３５】中心から最初（ｍ＝１）の輪帯１０１（マ
スク乾版では抜きパターンに相当する）の内半径ｒ1
は、下記の式（１）で与えられ、その輪帯の幅Ｗ1 は式
（２）で与えられる。

【００３６】そして、ｍ番目の輪帯の内半径ｒm は、下
記の式（３）で与えられ、その輪帯の幅Ｗm は、式
（４）で与えられる。

【００３７】

【数１】

【００３８】この関係に基づいて、輪帯を同心円状に配
置した円形型マイクロフレネルレンズのパターンを図３
に示し、直線の縞で配置した方形型マイクロフレネルレ
ンズを図４に示す。

【００３９】このような平面パターンにすると、レンズ
と等価な作用が、回折型レンズによって実現できる。

【００４０】次にこの平面パターンに従った回折型レン
ズ作製法を、図５および図６を用いて説明する。

【００４１】図６で示した断面形状が凹凸３０１、階段
３０２、ブレーズ３０３の場合によって、使用するマス
クの種類や、図５で説明する基本工程の繰り返し回数等
異なる点はあるが、基本的な作製工程は、図５に示す手
順により回折型レンズを作製することができる。

【００４２】ここでは、図５を用いて断面形状が凹凸の
場合を例にとりその作製方法を説明する。

【００４３】工程１において、基板上にレジスト（ＴＳ
ＭＲ８８００・Ｓｃｐ；東京応化製）を、３０００ｒｐ
ｍ，３０ｓの条件下でスピンコーティングして、５００
０〜７０００Ａ°の厚みのレジスト膜を形成する。

【００４４】工程２は、図３と図４で設計したレンズパ
ターンを基板上に転写するフォトリソグラフィの工程で
ある。

【００４５】まず、レンズパターンが描かれたマスク乾
版を、水銀燈等の紫外光源によって、基板上のレジスト
を露光（露光時間２〜３ｓ）する。

【００４６】その基板を現像液（ＮＳＤ−ＴＤ２．３８
％）に浸して現像（現像時間６５ｓ）することで、レン
ズパターンが転写される。

【００４７】そして工程３では、レジストが抜けている
部分が、選択的にイオンミリング装置によるＡｒガスプ
ラズマ雰囲気中の物理的なドライエッチングにより、精
度良く掘られる。

【００４８】その深さは、材質の屈折率、使用波長によ
って異なるが、前記光デバイスの音響光学材料４とし
て、ＬｉＮｂＯ3 を基板母材とした場合、使用波長０．
６３３μｍでは２６００〜２７００Ａ°である。

【００４９】このようにして、所望する断面形状を作製
することができる。

【００５０】最後に、工程４において、不要になった基
板上のレジスト膜を、アセトン溶液と超音波洗浄で取り
除き、回折型レンズを完成する。

【００５１】次に図２を用いて第１の実施の形態の動作
を説明する。

【００５２】半導体レーザ光源１からの周波数ｆ0 の直
接発散光２は、回折型レンズ３によって平行光に変換さ
れ、基板中を伝搬する。

【００５３】そして、トランスジューサ５と周波数ｆ1
の高調波電源６で励起される音響波は、基板中において
周期的な屈折率分布（音響波回折格子１０）を構成す
る。

【００５４】この音響波回折格子１０に対して斜入射す
る平行光は、音響波回折格子面の周波数ｆ1 のドップラ
ーシフトを受け、ｆ1 で決定されるブラッグ反射角で回
折される回折光７（ｆ0 ＋ｆ1 ）と、回折されない非回
折光（ｆ0 ）８とに分離される。

【００５５】そして、それぞれのビームは平行光として
外部へ出力される。

【００５６】これら二つのビームは、光計測の分野では
光源として用いる。

【００５７】例えば、一方のビーム（非回折光）を測定
したい対象物に照射し、その反射光と、もう一方のビー
ム（回折光）とを干渉させると、ヘテロダイン検波が可
能になる。

【００５８】そしてその干渉光のｆ1 の変動によって、
その対象物の速度、振動等が計測できる。

【００５９】本発明によれば、音響光学材料であるＬｉ
ＮｂＯ3 基板に、プレーナ技術によって作製できる回折
型レンズを集積し、音響光学変調器を形成することによ
り、ワンチップ上にすべての光学系部品を集積した音響
光学デバイスを作製することができる。

【００６０】これにより、装置全体の小型化と光軸無調
整化と、低コスト化を実現できることができる。

【００６１】［第２の実施の形態］本発明の第２の実施
の形態を図７〜図８に示す。

【００６２】図７は音響光学デバイスの第２の実施の形
態の全体構成の斜視図を示し、その動作を図８の断面図
を用いて説明する。

【００６３】本発明の第２の実施の形態は、第１の実施
の形態の音響光学デバイスから外部へ出る回折光１２と
非回折光１３を、光ファイバ２１と、２２により取り出
せるようにするために、音響光学デバイスの出力側表面
に、もう一つ回折型レンズを集積したものである。

【００６４】次に図８を用いて、第２の実施の形態の動
作を説明する。

【００６５】回折光１２と非回折光１３とが音響波によ
る音響波回折格子１０により分離される動作は第１の実
施の形態と同じである。

【００６６】しかし、第２の実施の形態では、その後、
基板中を伝搬するそれぞれの平行光は、基板出力面に形
成されている二つ目の第２回折型レンズ１１により、外
部に集光作用するビーム１２、１３に変換される。

【００６７】これらのビームは、第２回折型レンズ１１
の焦点面上の光ファイバ２１、２２に結合し、それぞれ
の光ファイバを伝搬して、出力光２３、２４となる。

【００６８】これらのことから、第１の実施の形態の場
合と同様に、装置全体の小型化と、光軸の無調整化、お
よび低コスト化を実現することができる。

【００６９】さらに光ファイバへの出力を可能にするこ
とから、様々な場面で実用化に適した光音響効果を応用
した光装置に利用することができる。

【００７０】

【発明の効果】本発明は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。

【００７１】（１）プレーナ技術を用いることにより、
音響光学材料への回折型レンズを作製することができる
結果、光学系を集積化した音響光学デバイスの小型化に
寄与することができる。

【００７２】そのため光装置全体の省スペース化と、低
コスト化を実現することができる。

【００７３】（２）音響光学材料であるＬｉＮｂＯ3 基
板表面に、イオンビームミリング装置によるドライエッ
チングを用いることにより、基板表面のダメージが少な
い良質な回折型レンズを作製することができる。

【００７４】（３）音響光学材料の基板上に、回折型レ
ンズや、トランスジューサ等の全てを集積した音響光学
デバイスを光装置に利用しているので、光軸の無調整
化、省スペース化、および低コストを実現することがで
きる。

【００７５】（４）本発明の回折型レンズと通常のレン
ズとは根本的に集光原理が異なる。

【００７６】従来のレンズは研磨加工により、レンズ形
状を曲面にしてその形状に従った屈折作用で集光する。
従来の研磨加工に従うと音響光学材料表面のある一部分
だけを曲面加工することになり、ほとんど集積不可能で
ある。

【００７７】しかし、本発明の回折型レンズは、根本的
には、平面パターンのみに従った回折作用によって集光
する。（断面形状は集光効率に関係する。）そのため、表面を機械加工する必要はなく、エッチング
ができる材料ならば集積可能である。

【００７８】（５）本発明で用いたイオンミリングによ
るプラズマを用いた物理的なエッチングを用いれば、従
来のＲＩＥによるエッチングにおいて発生するような表
面ダメージを生じる心配はない。

【００７９】しかも、エッチング工程以外の他の工程は
従来と変わらない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る「音響光学デ
バイス」の全体構成を示す斜視図。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る「音響光学デ
バイス」の動作を説明する断面図。

【図３】円形型マイクロフレネルレンズの平面パターン
図。

【図４】方形型マイクロフレネルレンズの平面パターン
図。

【図５】断面形状が凹凸の回折型レンズの作製法を説明
する図。

【図６】回折型レンズの断面形状の種類を説明する図。

【図７】本発明の第２の実施の形態に係る「光ファイバ
出力型音響光学デバイス」の全体構成を示す斜視図。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係る「光ファイバ
出力型音響光学デバイス」の動作を説明する断面図。

【図９】従来技術に係る「音響光学変調器と光学系から
なる光装置」の構成図。

【符号の説明】

１…半導体レーザ、２…発散光、３…第１回折型レンズ、４…音響光学材料、５…トランスジューサ、６…高調波電源、７…回折光、８…非回折光、９…吸音材、１０…音響波回折格子、１１…第２回折型レンズ、１２…回折光、１３…非回折光、１４…基板、２１…第１光ファイバ、２２…第２光ファイバ、２３…回折出力光、２４…非回折出力光、３１…コリメータレンズ、３２…音響光学変調器、３３…結合レンズ、３４…平行光、１０１…第１番目（ｍ＝１）の輪帯、３０１…凹凸の断面形状、３０２…階段状の断面形状、３０３…ブレーズ状の断面形状。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響光学材料（４）を母材とする基板
（１４）を有する光学デバイスにおいて、前記基板（１４）の表面に周期的な光学的位相差を発生
させる構造を有する回折型レンズ（３）を設けたことを
特徴とする音響光学デバイス。
【請求項２】（Ａ）音響光学材料（４）を母材とする基
板（１４）と、（Ｂ）前記基板（１４）の表面に周期的
な光学的位相差を発生させる構造を有する回折型レンズ
（３）と、（Ｃ）前記回折型レンズ（３）へのレーザ光
を発生させるレーザ光源（１）と、（Ｄ）前記基板（１
４）中に音響波を励起させるためのトランスジューサ
（５）および高調波電源（６）と、（Ｅ）音響波の反射
を防ぐための吸音材（９）を有することを特徴とする音
響光学デバイス。
【請求項３】（Ａ）音響光学材料（４）を母材とする基
板（１４）と、（Ｂ）前記基板（１４）の表面に周期的
な光学的位相差を発生させる構造を有する第１回折型レ
ンズ（３）および第２回折型レンズ（１１）と、（Ｃ）
前記第１回折型レンズ（３）へのレーザ光を発生させる
レーザ光源（１）と、（Ｄ）前記基板（１４）中に音響
波を励起させるためのトランスジューサ（５）および高
調波電源（６）と、（Ｅ）音響波の反射を防ぐための吸
音材（９）と、（Ｆ）第１光ファイバ（２１）と第２光
ファイバ（２２）を有し、（Ｇ）前記第２回折型レンズ
（１１）は、基板（１４）の中で形成された音響波回折
格子（１０）による回折光（１２）と非回折光（１３）
を、該第２回折型レンズ（１１）の焦点面上の第１光フ
ァイバ（２１）と第２光ファイバ（２２）に結合するこ
とを特徴とする音響光学デバイス。
【請求項４】（Ａ）音響光学効果を有する基板上に、レ
ジストをコーティングしてレジスト膜を形成する工程
と、（Ｂ）前記基板上にレンズパターンを転写するフォ
トリソグラフィの工程と、（Ｃ）前記レンズパターンに
従ったエッチングにより、所望の断面形状を作製する工
程と、（Ｄ）不要になった前記基板上のレジスト膜を除
去して回折レンズを作製する工程から成ることを特徴と
する回折型レンズの製作方法。