JPS6210411B2 - - Google Patents
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- JPS6210411B2 JPS6210411B2 JP53085500A JP8550078A JPS6210411B2 JP S6210411 B2 JPS6210411 B2 JP S6210411B2 JP 53085500 A JP53085500 A JP 53085500A JP 8550078 A JP8550078 A JP 8550078A JP S6210411 B2 JPS6210411 B2 JP S6210411B2
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- Japan
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- light
- acousto
- optic medium
- electroacoustic transducer
- electrode
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は電気信号に応じて光ビームの強度を変
調する光変調器、とくに音波による光の回折効果
を利用した、超音波光変調器に関するものであ
る。
調する光変調器、とくに音波による光の回折効果
を利用した、超音波光変調器に関するものであ
る。
超音波光変調器は、同じように高速に動作する
他の光変調器に較べて動作電圧が低く、周囲温度
の変化にたいして安定であり、高い消光比が得ら
れるなどの利点をもつている。このためレーザ光
を使つた各種の記録装置や表示装置などに広く用
いられている。
他の光変調器に較べて動作電圧が低く、周囲温度
の変化にたいして安定であり、高い消光比が得ら
れるなどの利点をもつている。このためレーザ光
を使つた各種の記録装置や表示装置などに広く用
いられている。
超音波光変調器の能率よく使用できる変調信号
の帯域幅はそれほど広くなく、変調光の立上り立
下り時間にして最小20〜30ns程度である。変調
速度を制約する理由は以下に述べるように理解さ
れている。すなわち変調を施こすレーザ光がビー
ム径2W0のガウスビーム（W0は光のパワー密度
が中心の１／l2となる半径）としたとき、変調さ
れた光の立上り時間ｔは最小ｔ＝1.3W0／Ｖで与
えられる。ここでＶは媒体の音波の速度である。
変調速度を高めるには光のビーム径W0を小さく
すればよいが、これを小さくするとガウスビーム
のもつ拡がり角が増大する。拡がり角はλ／
（ｎ・π・W0）である。ここでλは光の真空中で
の波長、ｎは媒体の屈折率である。超音波光変調
器に入射する入射光のもつ角度成分全域にわたつ
てブラツグ条件が満たされないと、この条件に合
致する角度の光波成分のみが回折される。このた
め変調速度を高めようとするために入射光ビーム
を絞り込むと、変調光の出射パタンはガウス形状
から偏移し、また回折効率も低下する。
の帯域幅はそれほど広くなく、変調光の立上り立
下り時間にして最小20〜30ns程度である。変調
速度を制約する理由は以下に述べるように理解さ
れている。すなわち変調を施こすレーザ光がビー
ム径2W0のガウスビーム（W0は光のパワー密度
が中心の１／l2となる半径）としたとき、変調さ
れた光の立上り時間ｔは最小ｔ＝1.3W0／Ｖで与
えられる。ここでＶは媒体の音波の速度である。
変調速度を高めるには光のビーム径W0を小さく
すればよいが、これを小さくするとガウスビーム
のもつ拡がり角が増大する。拡がり角はλ／
（ｎ・π・W0）である。ここでλは光の真空中で
の波長、ｎは媒体の屈折率である。超音波光変調
器に入射する入射光のもつ角度成分全域にわたつ
てブラツグ条件が満たされないと、この条件に合
致する角度の光波成分のみが回折される。このた
め変調速度を高めようとするために入射光ビーム
を絞り込むと、変調光の出射パタンはガウス形状
から偏移し、また回折効率も低下する。
これを防ぐためには、光ビームに作用する音波
の拡がり角を増大させ光の拡がり角に同程度乃至
それ以上とすればよい。このためには、媒体中に
音波を励起するトランスデユーサの光の進行方向
への長さを短くしなければならない。例えば著名
な音響光学結晶であるモリブデン酸鉛結晶を変調
媒体に用い、音波の周波数を200MHzとしたとき
に、変調光に立上り時間10ns以下の変調速度を
確保するには、前述のトランデユーサの長さは２
〜３mm以下と短くしなければならない。ところが
回折効率は周知如く上記の長さに比例する。この
ため高い変調光の強度を得るためには、より高い
音波駆動パワーを必要とする。またこの音波の光
にたいする作用長を減少させることは、回折格子
として厚さが薄くすることと等価であり、このた
め回折現象はブラツグ反射からラマンナース回折
に近づく。このため音波パワーを増大させても理
論的に到達しうる最高の回折効率も、前記の作用
長の長い場合に比し低下する。
の拡がり角を増大させ光の拡がり角に同程度乃至
それ以上とすればよい。このためには、媒体中に
音波を励起するトランスデユーサの光の進行方向
への長さを短くしなければならない。例えば著名
な音響光学結晶であるモリブデン酸鉛結晶を変調
媒体に用い、音波の周波数を200MHzとしたとき
に、変調光に立上り時間10ns以下の変調速度を
確保するには、前述のトランデユーサの長さは２
〜３mm以下と短くしなければならない。ところが
回折効率は周知如く上記の長さに比例する。この
ため高い変調光の強度を得るためには、より高い
音波駆動パワーを必要とする。またこの音波の光
にたいする作用長を減少させることは、回折格子
として厚さが薄くすることと等価であり、このた
め回折現象はブラツグ反射からラマンナース回折
に近づく。このため音波パワーを増大させても理
論的に到達しうる最高の回折効率も、前記の作用
長の長い場合に比し低下する。
音波表面に広い角度成分をもたせしかも作用長
を減少させない方法として、媒体中に円筒波を励
起する方法がある。この方法によれば比較的高速
度の超音波光変調器は実現できる。しかしながら
この目的のためには、変調媒体のトランスデユー
サーを設ける表面を円筒面に仕上げなければなら
ない。このような面に設けることのできる高周波
のトランスデユーサは、蒸着やスパツタリング法
などによつて作成する圧電薄膜トランスデユーサ
に限られる。通常の圧電結晶板を曲面上に接着す
ることは非常に困難である。このためLiNbO3結
晶等のように圧電高結合の材料を用いることがで
きず、駆動電力の増大が避け難い。また製作の難
度が増す。このように従来の超音波光変調器では
高速で高能率に動作する素子を得ることが困難で
ある。
を減少させない方法として、媒体中に円筒波を励
起する方法がある。この方法によれば比較的高速
度の超音波光変調器は実現できる。しかしながら
この目的のためには、変調媒体のトランスデユー
サーを設ける表面を円筒面に仕上げなければなら
ない。このような面に設けることのできる高周波
のトランスデユーサは、蒸着やスパツタリング法
などによつて作成する圧電薄膜トランスデユーサ
に限られる。通常の圧電結晶板を曲面上に接着す
ることは非常に困難である。このためLiNbO3結
晶等のように圧電高結合の材料を用いることがで
きず、駆動電力の増大が避け難い。また製作の難
度が増す。このように従来の超音波光変調器では
高速で高能率に動作する素子を得ることが困難で
ある。
本発明の目的は上記の難点を除去した高速で高
能率の超音波光変調器を提供することにある。
能率の超音波光変調器を提供することにある。
本発明の基本的な原理は以下の如くである。す
なわち、音波によつて回折される回折光の強度の
音波波面にたいする入射角度特性は、音波と励起
する電気音響変換子から発する音波パワーのフア
ー・フイールド・パタンを示しているという理論
的実験的知見と、開口の形が線対称の場合、回折
像の対称軸上の波動の振幅は、開口の形を表わす
函数のフーリエ変換であるという光学的知見とに
基づいている。
なわち、音波によつて回折される回折光の強度の
音波波面にたいする入射角度特性は、音波と励起
する電気音響変換子から発する音波パワーのフア
ー・フイールド・パタンを示しているという理論
的実験的知見と、開口の形が線対称の場合、回折
像の対称軸上の波動の振幅は、開口の形を表わす
函数のフーリエ変換であるという光学的知見とに
基づいている。
本発明の詳細を図面によつて説明する。
第１図は一般的な光変調器の構成の概念図であ
り、第２図はその動作特性を示す図である。第１
図において、１は光学ガラスや誘電体結晶のよう
に、媒体内部に励起された音波によつて光を回折
する音響光学媒体である。２は該音響光学媒体１
の一面に、有機接着剤や低融点金属などで接着さ
れ、該音響光学媒体１に音波を励起する、圧電体
板のような電気音響変換子である。該変換子２
は、前記音響光学媒体１と接着される面とその対
向する面とに電極を有し、この電極間に高周波電
界を印加されることによつて、板の上下面で変位
方向の異なる、謂ゆる厚み振動を生じて、前記音
響光学媒体中に高周波音波を励起する。該音響光
学媒体１に入射される光束３は、該媒体中に音波
が励起されていないときには、媒体を透過し非回
折光５として出射する。媒体中に音波が励起され
ていると入射光束３の一部は回折を受け、回折光
４となつて出射する。回折光の強度は前記媒体
１中に励起される音波の強度によつて変化する。
超音波光変調器の一般的な原理はこのように電気
音響変換子に印加される電圧に応じて、回折光の
強度又は、非回折光の強度を変化させるものであ
る。
り、第２図はその動作特性を示す図である。第１
図において、１は光学ガラスや誘電体結晶のよう
に、媒体内部に励起された音波によつて光を回折
する音響光学媒体である。２は該音響光学媒体１
の一面に、有機接着剤や低融点金属などで接着さ
れ、該音響光学媒体１に音波を励起する、圧電体
板のような電気音響変換子である。該変換子２
は、前記音響光学媒体１と接着される面とその対
向する面とに電極を有し、この電極間に高周波電
界を印加されることによつて、板の上下面で変位
方向の異なる、謂ゆる厚み振動を生じて、前記音
響光学媒体中に高周波音波を励起する。該音響光
学媒体１に入射される光束３は、該媒体中に音波
が励起されていないときには、媒体を透過し非回
折光５として出射する。媒体中に音波が励起され
ていると入射光束３の一部は回折を受け、回折光
４となつて出射する。回折光の強度は前記媒体
１中に励起される音波の強度によつて変化する。
超音波光変調器の一般的な原理はこのように電気
音響変換子に印加される電圧に応じて、回折光の
強度又は、非回折光の強度を変化させるものであ
る。
前述の如く、変調速度を高めるには、超音波光
変調器に入射させる光ビーム径を小さくする必要
がある。径を小さくすると光の拡がり角は増大す
る。このようにしても回折効率が低下しないため
には、超音波光変調器の受光角が大きくなければ
ならない。すなわち、超音波光変調器への光入射
角度にたいする回折光の強度の分布の広いことが
必要である。この分布は、音波勢力のフラウンホ
ーフアー回折パタンである。すなわち音波によつ
て回折される光の強度の、音波への入射角にたい
する分布は、電気音響変換子によつて発生される
歪分布のフーリエ変換の自乗の分布である。より
具体的には、第２図ａに示すように従来の超音波
光変調器のように電気音響変換子の長さｌに渡つ
て電極を設けたものでは、回折光強度の入射角度
特性は第２図a′のようにsin2θ／θ２の函数形を
示す。この分布形はブラツグ角θpから入射光の
角度がずれると急激に低下する。このため入射光
をあまり絞り込めず、変調速度が上らない。これ
に反し、第２図ｂのように、本発明者によつて発
明されたように、電気音響変換子による音波の励
振の分布をsinx／ｘの函数形にすれば、第２図
b′に示されるように、回折光強度の入射光の角度
に対する分布は矩形状となる。このためブラツグ
角からずれても回折光の強度は低下しないので、
入射光を絞り込むことが出来、変調速度が上る。
また回折光ビームの角度成分全体にわたつて効率
が一様であるため、ビームの変形を生ずることが
ない。これを実現するためには、各種の方法によ
つて電気音響変換子に印加する電圧に分布をもた
せることによつてできるが、本発明によれば簡単
に実現できる。
変調器に入射させる光ビーム径を小さくする必要
がある。径を小さくすると光の拡がり角は増大す
る。このようにしても回折効率が低下しないため
には、超音波光変調器の受光角が大きくなければ
ならない。すなわち、超音波光変調器への光入射
角度にたいする回折光の強度の分布の広いことが
必要である。この分布は、音波勢力のフラウンホ
ーフアー回折パタンである。すなわち音波によつ
て回折される光の強度の、音波への入射角にたい
する分布は、電気音響変換子によつて発生される
歪分布のフーリエ変換の自乗の分布である。より
具体的には、第２図ａに示すように従来の超音波
光変調器のように電気音響変換子の長さｌに渡つ
て電極を設けたものでは、回折光強度の入射角度
特性は第２図a′のようにsin2θ／θ２の函数形を
示す。この分布形はブラツグ角θpから入射光の
角度がずれると急激に低下する。このため入射光
をあまり絞り込めず、変調速度が上らない。これ
に反し、第２図ｂのように、本発明者によつて発
明されたように、電気音響変換子による音波の励
振の分布をsinx／ｘの函数形にすれば、第２図
b′に示されるように、回折光強度の入射光の角度
に対する分布は矩形状となる。このためブラツグ
角からずれても回折光の強度は低下しないので、
入射光を絞り込むことが出来、変調速度が上る。
また回折光ビームの角度成分全体にわたつて効率
が一様であるため、ビームの変形を生ずることが
ない。これを実現するためには、各種の方法によ
つて電気音響変換子に印加する電圧に分布をもた
せることによつてできるが、本発明によれば簡単
に実現できる。
第３図は本発明の一実施例を示す図である。第
３図は、音響光学媒体中に音波を励起して光を変
調する超音波光変調器の構成を示す。１は音響光
学媒体、２は電気音響変換子として音響光学媒体
１に接着されたニオブ酸リチウム結晶のような圧
電結晶板、３は入射光、４は回折光、５は非回折
光である。６ａ〜６ｃは圧電結晶板２の上面電極
である。前述の如く回折光強度の入射角度依存性
は音波パワーのフラウンホーフアー回折パタンと
同形である。変調する光ビームの径は数十μｍと
細い、したがつて光の透過する線上の音波パワー
の回折パタンが回折光の角度特性に反映する。光
学の分野で明らかなように、光を回折する開口の
形が線対称の場合対称軸上の回折光の中心線上の
強度は、開口の函数形のフーリエ変換であること
が知られている。たとえば開口をその座標（η、
ξ）上で η＝±ｆ（ξ） とすれば、回折像ｕ（ｘ、０）は ｕ（ｘ、０）＝∫∞ −∞ｆ（ξ）ｅ×ｐ（−ｉ×ξ）d
〓 である。ここでＸ＝２πｘ／λｂで、ｂは開口か
ら回折像面までの距離である。したがつてｆ
（ξ）＝sinξ／ξになるように、電気音響変換子
の電極を設ければ電極パタンの対称軸下を透過す
る光の音波による回折パタンの角度特性はｆ
（ξ）のフーリエ変換の自乗となる。すなわち第
２図b′のようになる。第３図において電気音響変
換子の上面電極６ａ〜６ｃの輪郭はジンク函数の
形としてある。ジンク函数の第２副極大に対応す
る上面電極電極６ｂに与える印加電圧の位相は、
隣り合う電極６ａ，６ｃとは反転するように下面
電極は７は分割し、リード線の接続をしてある。
このようにトランスデユーサを構成すれば、電極
パタンの中心軸下を透過し、音波によつて回折さ
れる回折光４の角度特性は第２図b′のように矩形
状が与えられ、前述のようにより高速化が実現さ
れる。
３図は、音響光学媒体中に音波を励起して光を変
調する超音波光変調器の構成を示す。１は音響光
学媒体、２は電気音響変換子として音響光学媒体
１に接着されたニオブ酸リチウム結晶のような圧
電結晶板、３は入射光、４は回折光、５は非回折
光である。６ａ〜６ｃは圧電結晶板２の上面電極
である。前述の如く回折光強度の入射角度依存性
は音波パワーのフラウンホーフアー回折パタンと
同形である。変調する光ビームの径は数十μｍと
細い、したがつて光の透過する線上の音波パワー
の回折パタンが回折光の角度特性に反映する。光
学の分野で明らかなように、光を回折する開口の
形が線対称の場合対称軸上の回折光の中心線上の
強度は、開口の函数形のフーリエ変換であること
が知られている。たとえば開口をその座標（η、
ξ）上で η＝±ｆ（ξ） とすれば、回折像ｕ（ｘ、０）は ｕ（ｘ、０）＝∫∞ −∞ｆ（ξ）ｅ×ｐ（−ｉ×ξ）d
〓 である。ここでＸ＝２πｘ／λｂで、ｂは開口か
ら回折像面までの距離である。したがつてｆ
（ξ）＝sinξ／ξになるように、電気音響変換子
の電極を設ければ電極パタンの対称軸下を透過す
る光の音波による回折パタンの角度特性はｆ
（ξ）のフーリエ変換の自乗となる。すなわち第
２図b′のようになる。第３図において電気音響変
換子の上面電極６ａ〜６ｃの輪郭はジンク函数の
形としてある。ジンク函数の第２副極大に対応す
る上面電極電極６ｂに与える印加電圧の位相は、
隣り合う電極６ａ，６ｃとは反転するように下面
電極は７は分割し、リード線の接続をしてある。
このようにトランスデユーサを構成すれば、電極
パタンの中心軸下を透過し、音波によつて回折さ
れる回折光４の角度特性は第２図b′のように矩形
状が与えられ、前述のようにより高速化が実現さ
れる。
トランスデユーサの構成は、また第４図のよう
にも行うことができる。即ち、第３図では、電極
パタンのみでの工夫であるが、第４図では印加電
圧の重み付けを加えてある。すなわち、ジンク函
数の副極大のピーク値に応じて印加電圧が異なる
ように、外付容量８，９を用いている。そしてト
ランスデユーサ上面の各電極片６ａ〜６ｃの、光
透過方向と直角方向の幅はほぼ同一となるように
設けてある。このような方法によつても、前述と
同様の効果を得ることができる。
にも行うことができる。即ち、第３図では、電極
パタンのみでの工夫であるが、第４図では印加電
圧の重み付けを加えてある。すなわち、ジンク函
数の副極大のピーク値に応じて印加電圧が異なる
ように、外付容量８，９を用いている。そしてト
ランスデユーサ上面の各電極片６ａ〜６ｃの、光
透過方向と直角方向の幅はほぼ同一となるように
設けてある。このような方法によつても、前述と
同様の効果を得ることができる。
以上の説明では回折光の角度分布を矩形状とな
るように設計する場合について述べたが、他の函
数形たとえばガウス函数型など他の形状について
も同様に設計することができる。
るように設計する場合について述べたが、他の函
数形たとえばガウス函数型など他の形状について
も同様に設計することができる。
本発明によれば従来の円筒面上の形成を行う必
要がなく、また高結合の圧電結晶板を電気音響変
換子に用いることができるため、安価でしかも高
性能の超音波光変調器が得られる。
要がなく、また高結合の圧電結晶板を電気音響変
換子に用いることができるため、安価でしかも高
性能の超音波光変調器が得られる。
第１図は超音波光変調器の一般的な構造図で、
１は音響光学媒体、２は電気音響変換子、３は入
射光ビーム、４，５は出射光ビームである。第２
図ａ，a′，ｂ，b′は従来の光変調器と本発明の実
施例における特性を示す図である。第３図、第４
図は本発明の実施例の構造概念図で１は音響光学
媒体、２は電気音響変換子、６，７は電極、８，
９は外付容量である。
１は音響光学媒体、２は電気音響変換子、３は入
射光ビーム、４，５は出射光ビームである。第２
図ａ，a′，ｂ，b′は従来の光変調器と本発明の実
施例における特性を示す図である。第３図、第４
図は本発明の実施例の構造概念図で１は音響光学
媒体、２は電気音響変換子、６，７は電極、８，
９は外付容量である。
Claims (1)
- １ 音響光学媒体と、該音響光学媒体に第１の電
極を介して接着した電気音響変換子と、該電気音
響変換子の第１の電極を設けた面に相対する面に
設けた第２の電極とから成る超音光変調器におい
て、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方を
前記音響光学媒体を進行する光波の進行方向に分
割し、分割された電極の各々において、前記光の
進行方向に直交する方向の幅を光進行方向に沿つ
て変化させ、かつ分割された電極の隣り合う電極
毎に位相の反転した高周波駆動信号を印加するこ
とを特徴とする超音波光変調器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8550078A JPS5511270A (en) | 1978-07-12 | 1978-07-12 | Ultrasonic light modulator |
| US06/057,150 US4299449A (en) | 1978-07-12 | 1979-07-12 | Acoustooptic modulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8550078A JPS5511270A (en) | 1978-07-12 | 1978-07-12 | Ultrasonic light modulator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5511270A JPS5511270A (en) | 1980-01-26 |
| JPS6210411B2 true JPS6210411B2 (ja) | 1987-03-06 |
Family
ID=13860646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8550078A Granted JPS5511270A (en) | 1978-07-12 | 1978-07-12 | Ultrasonic light modulator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5511270A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61274497A (ja) * | 1985-05-29 | 1986-12-04 | Furuno Electric Co Ltd | 送受波器 |
| JPS61222399A (ja) * | 1985-03-27 | 1986-10-02 | Furuno Electric Co Ltd | 送受波器 |
| JPS61243383A (ja) * | 1985-04-19 | 1986-10-29 | Furuno Electric Co Ltd | 送受波器 |
| JPS61184092A (ja) * | 1985-05-29 | 1986-08-16 | Furuno Electric Co Ltd | 送受波器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5047642A (ja) * | 1973-08-22 | 1975-04-28 | ||
| JPS51136431A (en) * | 1975-05-21 | 1976-11-25 | Hagiwara Denki Kk | Diferacted electric sound transducer |
-
1978
- 1978-07-12 JP JP8550078A patent/JPS5511270A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5047642A (ja) * | 1973-08-22 | 1975-04-28 | ||
| JPS51136431A (en) * | 1975-05-21 | 1976-11-25 | Hagiwara Denki Kk | Diferacted electric sound transducer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5511270A (en) | 1980-01-26 |
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