KR20220097417A - Thermal stabilization of acousto-optical devices - Google Patents
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Abstract
광학 장치는 방사선의 입력 빔을 수신하고 편향 각도 범위에 걸쳐 타겟을 향해 입력 빔을 편향시키도록 구성된 음향 광학 매체를 포함한다. 다수의 압전 변환기 어레이가 음향 광학 매체에 부착된다. 구동 회로가 각각의 구동 신호를 압전 변환기에 인가하도록 결합되고, 구동 신호는 선택된 주파수에서의 음파가 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 하여 이에 의해 범위 내의 대응하는 편향 각도에서 입력 빔을 편향시키도록 선택된 주파수를 갖고 음파의 파면 각도를 조정함으로써 편향된 빔의 세기를 변조하도록 선택된 어레이 내의 변환기에 인가된 구동 신호 간의 위상 오프셋을 갖는다. The optical apparatus includes an acousto-optic medium configured to receive an input beam of radiation and deflect the input beam toward a target over a range of deflection angles. A plurality of arrays of piezoelectric transducers are attached to the acousto-optic medium. A drive circuit is coupled to apply a respective drive signal to the piezoelectric transducer, the drive signal causing a sound wave at the selected frequency to propagate through the acousto-optic medium, thereby deflecting the input beam at a corresponding deflection angle within range. and a phase offset between the drive signals applied to the transducers in the selected array to modulate the intensity of the deflected beam by adjusting the wavefront angle of the sound wave.
Description
본 발명은 일반적으로 광학 장치 및 시스템, 특히 음향 광학 장치 및 이러한 장치를 작동시키는 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to optical devices and systems, and more particularly to acousto-optical devices and methods of operating such devices.
음향 광학 장치는 음파를 사용하여 광을 회절시킨다. 이러한 종류의 일반적인 장치에서, 압전 변환기와 같은 변환기는 음향 광학 매체, 일반적으로 적합한 투명 결정 또는 유리에 부착된다. 변환기는 특정 주파수에서 진동하도록 전기 신호에 의해 구동되고, 음향 광학 매체에 음파를 생성한다. 음파로 인한 음향 광학 매체의 확장 및 압축은 국소 굴절률을 변조하여 구동 신호의 주파수에 의해 결정되는 주기로 매체 내에 격자 구조를 생성한다. 따라서, 이 격자에 입사하는 광선 빔은 장치를 통과할 때 회절된다. Acousto-optical devices use sound waves to diffract light. In a typical device of this kind, a transducer, such as a piezoelectric transducer, is attached to an acousto-optic medium, usually a suitable transparent crystal or glass. The transducer is driven by an electrical signal to vibrate at a specific frequency, generating sound waves in an acousto-optic medium. The expansion and compression of an acoustooptic medium due to sound waves modulates the local refractive index to create a grating structure within the medium with a period determined by the frequency of the drive signal. Thus, a light beam incident on this grating is diffracted as it passes through the device.
다양한 유형의 음향 광학 장치가 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 음향 광학 편향기는 입사 빔의 회절을 사용하여 출력 빔의 각도를 조종한다. 출력 빔의 편향 각도는 음향 광학 물질의 격자 구조의 주기에 따라 달라지므로, 구동 신호 주파수를 적절하게 변경함으로써 조정될 수 있다. Various types of acousto-optical devices are known in the art. For example, an acousto-optic deflector uses diffraction of an incident beam to steer the angle of the output beam. Since the deflection angle of the output beam depends on the period of the grating structure of the acoustooptic material, it can be adjusted by appropriately changing the driving signal frequency.
일부 음향 광학 장치는 음향 광학 매체에 음파를 생성하기 위해 위상 어레이 변환기를 사용한다. 이 변환기는 상이한 상대적 위상 지연으로 구동되어 음향 광학 매체를 통해 전파되는 음파의 각도를 제어하므로 음향 필드와 변조될 광선 빔 사이의 위상 정합을 조정한다. 예를 들어, 미국 특허 제7,538,929호는 음향 광학 벌크 매체 및 음향 광학 벌크 매체에 부착되고 선형 어레이 전극으로 형성된 변환기를 포함하는 음향 광학 변조기를 사용하여 광학 파면의 세기 변조를 수행하기 위한 무선 주파수(RF) 위상 변조 기술을 설명한다. 변환기 드라이버가 각각의 전극에 연결되고, 위상 간섭 구동되어 음향 필드의 각운동량 분포를 변경하고 광학 파면의 원하는 세기 변조를 생성하도록 광학 필드와 음향 필드 사이의 위상 정합을 교번하여 허용 및 억제한다. Some acousto-optic devices use phased array transducers to generate sound waves in an acousto-optic medium. This transducer is driven with different relative phase delays to control the angle of the sound wave propagating through the acousto-optic medium, thus adjusting the phase match between the acoustic field and the light beam to be modulated. For example, US Pat. No. 7,538,929 discloses a radio frequency (RF) (RF) modulator for performing intensity modulation of an optical wavefront using an acousto-optic bulk medium and an acousto-optic modulator comprising a transducer attached to the acousto-optic bulk medium and formed of linear array electrodes. ) to describe the phase modulation technique. A transducer driver is coupled to each electrode and is phase coherently driven to alter the angular momentum distribution of the acoustic field and alternately permit and inhibit the phase matching between the optical field and the acoustic field to produce a desired intensity modulation of the optical wavefront.
음향 광학 편향기는 입사 빔을 상이한 각각의 각도에서 다수의 출력 빔으로 회절시키기 위해 다중 주파수 구동 신호로 구동될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,890,789호는 상이한 주파수의 복수의 전기 신호로 구동되는 광도파로형 음향 광학 소자 등을 이용하여 광원에서 방출된 광선 빔을 복수의 빔으로 분할하는 다중 빔 발광 장치를 설명한다. 다른 예로서, 미국 특허 출원 공개 제2009/0073544호는 단색 간섭성 전자기 복사의 광학 분할 및 변조를 위한 장치를 설명하고, 여기서 음향 광학 소자가 빔 소스에 의해 생성된 빔을 다수의 부분 빔으로 분할한다. 음향 광학 소자의 하류에 배치된 음향 광학 변조기에는 분할된 부분 빔이 공급되고 추가의 고주파 전기 신호로 구동된다.The acousto-optic deflector may be driven with a multi-frequency drive signal to diffract the incident beam into multiple output beams at different respective angles. For example, U.S. Patent No. 5,890,789 describes a multi-beam light emitting device that splits a light beam emitted from a light source into a plurality of beams using an optical waveguide-type acousto-optic element driven by a plurality of electrical signals of different frequencies. . As another example, US Patent Application Publication No. 2009/0073544 describes an apparatus for optical splitting and modulation of monochromatic coherent electromagnetic radiation, wherein an acousto-optical element splits a beam generated by a beam source into a plurality of partial beams. do. An acousto-optic modulator disposed downstream of the acousto-optical element is supplied with a split partial beam and is driven by a further high-frequency electrical signal.
PCT 국제 공개 WO 2016/075681(그 개시 내용이 참조로 본 명세서에 포함됨)은 음향 광학 편향기를 구동하는 데 위상 어레이를 사용하는 추가 예를 설명한다. 이 공개물에서, 광학 장치는 음향 광학 매체, 및 음향 광학 매체에 부착된 다수의 압전 변환기 어레이를 포함한다. 구동 회로가 상이한 각각의 제1 및 제2 주파수에서 적어도 제1 및 제2 주파수 성분을 포함하고 다수의 압전 변환기 각각에서 제1 및 제2 주파수 성분에 대해 상이한 각각의 위상 오프셋을 갖는 각각의 구동 신호를 압전 변환기에 인가하도록 결합된다. PCT International Publication WO 2016/075681 (the disclosure of which is incorporated herein by reference) describes a further example of using a phased array to drive an acousto-optical deflector. In this disclosure, an optical device includes an acousto-optic medium and a plurality of piezoelectric transducer arrays attached to the acousto-optic medium. each drive signal comprising at least first and second frequency components at different respective first and second frequencies and each having a different respective phase offset with respect to the first and second frequency components in each of the plurality of piezoelectric transducers coupled to apply to the piezoelectric transducer.
본 발명의 실시예는 음향 광학 편향을 위한 개선된 장치 및 방법을 제공한다. Embodiments of the present invention provide improved apparatus and methods for acousto-optical deflection.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 장치가 제공되고, 광학 장치는 방사선의 입력 빔을 수신하고 입력 빔을 각각의 제1 및 제2 빔 각도에서 각각의 제1 및 제2 세기를 갖는 적어도 제1 및 제2 출력 빔으로 편향시키도록 구성된 음향 광학 매체를 포함하며, 여기서 음향 광학 매체는 상이한 각각의 제1 및 제2 회절 효율을 특징으로 한다. 다수의 압전 변환기의 어레이가 음향 광학 매체에 부착된다. 구동 회로가 각각의 구동 신호를 압전 변환기에 인가하도록 결합되고, 각각의 구동 신호는 제1 및 제2 출력 빔을 각각의 제1 및 제2 빔 각도로 지향시키기 위한 상이한 대응하는 제1 및 제2 주파수, 및 다수의 압전 변환기 각각에서 제1 및 제2 주파수 성분에 대해 상이한 각각의 제1 및 제2 위상 오프셋 - 제1 및 제2 주파수에서의 음파가 상이한 각각의 제1 및 제2 파면 각도로 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 함 - 을 갖는 적어도 제1 및 제2 구동 신호를 포함한다. 제어기가 상이한 제1 및 제2 회절 효율을 보상하기 위해 제1 및 제2 위상 오프셋을 선택하여 제1 및 제2 세기를 균등화하도록 구성된다. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, there is provided an optical device, the optical device receiving an input beam of radiation and having the input beam having respective first and second intensities at respective first and second beam angles, respectively. an acousto-optic medium configured to deflect into at least first and second output beams, wherein the acousto-optic medium is characterized by different respective first and second diffraction efficiencies. An array of multiple piezoelectric transducers is attached to the acousto-optic medium. A drive circuit is coupled to apply a respective drive signal to the piezoelectric transducer, each drive signal having different corresponding first and second for directing the first and second output beams at respective first and second beam angles. frequency, and respective first and second phase offsets that are different for the first and second frequency components in each of the plurality of piezoelectric transducers - at respective first and second wavefront angles at which the sound waves at the first and second frequencies are different. to propagate through the acousto-optic medium; and at least first and second drive signals with A controller is configured to equalize the first and second intensities by selecting the first and second phase offsets to compensate for different first and second diffraction efficiencies.
일반적으로, 구동 회로는 각각의 제1 및 제2 위상 오프셋을 갖는 적어도 제1 및 제2 구동 신호를 압전 변환기에 동시에 인가하도록 구성되어 음향 광학 매체는 입력 빔을 적어도 제1 및 제2 출력 빔으로 동시에 편향시킨다. Generally, the drive circuitry is configured to simultaneously apply at least first and second drive signals having respective first and second phase offsets to the piezoelectric transducer such that the acousto-optic medium directs the input beam to at least the first and second output beams. deflect at the same time.
일부 실시예에서, 제어기는 음향 광학 매체가 각각의 제1 및 제2 각도 범위에 걸쳐 적어도 제1 및 제2 빔을 스캔하도록 제1 및 제2 구동 신호의 적어도 제1 및 제2 주파수를 변경하고 주파수 변경에 응답하여 각각의 위상 오프셋을 변경하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기는 음향 광학 매체가 일련의 펄스 간격 동안 주어진 빔 세기로 타겟을 향해 적어도 제1 빔을 편향시키도록 구동 회로에 의해 인가되는 구동 신호를 제어하도록 구성되고, 펄스 간격은 차단 간격 사이에 산재되어 있으며, 차단 간격에서는 타겟 상의 제1 빔의 세기가 주어진 빔 세기의 50% 미만으로 감쇠되며, 여기서 제1 구동 신호는 주어진 진폭을 갖고 각각의 펄스 간격 동안 빔의 편향 각도에 대응하는 주파수를 가지며 각각의 차단 간격 동안 처프된 주파수 스펙트럼을 갖는다. In some embodiments, the controller changes at least first and second frequencies of the first and second drive signals such that the acousto-optic medium scans at least the first and second beams over respective first and second angular ranges, and and change each phase offset in response to a change in frequency. In one embodiment, the controller is configured to control a drive signal applied by the drive circuit such that the acousto-optic medium deflects at least a first beam towards a target at a given beam intensity during a series of pulse intervals, wherein the pulse interval is the blocking interval. interspersed between, wherein at a blocking interval the intensity of a first beam on the target is attenuated to less than 50% of a given beam intensity, wherein the first drive signal has a given amplitude and corresponds to the deflection angle of the beam during each pulse interval. frequency and has a frequency spectrum chirped during each cutoff interval.
추가적으로 또는 대안적으로, 제1 회절 효율이 제2 회절 효율보다 크면, 제어기는 제2 주파수에서의 음파가 입력 빔에 대해 브래그 조건을 충족하지만 제1 주파수에서의 음파가 입력 빔에 대해 브래그 조건을 벗어나도록 제2 위상 오프셋을 설정함으로써 상이한 제1 및 제2 회절 효율을 보상하도록 구성된다. 개시된 실시예에서, 제어기는 또한, 각각의 위상 오프셋에 관계없이 각각의 구동 신호의 일정한 전력 레벨을 유지하면서 각각의 위상 오프셋을 수정함으로써 출력 빔 각각을 턴온 및 턴오프하도록 구성된다. Additionally or alternatively, if the first diffraction efficiency is greater than the second diffraction efficiency, the controller is configured such that the sound wave at the second frequency meets the Bragg condition for the input beam but the sound wave at the first frequency meets the Bragg condition for the input beam. and compensating for different first and second diffraction efficiencies by setting the second phase offset to deviate. In the disclosed embodiment, the controller is also configured to turn on and off each of the output beams by correcting each phase offset while maintaining a constant power level of each drive signal irrespective of the respective phase offset.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 장치가 또한 제공되고, 광학 장치는 방사선의 입력 빔을 수신하고 일련의 펄스 간격 동안 각도 범위에 걸쳐 주어진 빔 세기로 타겟을 향해 입력 빔을 편향시키도록 구성된 음향 광학 매체를 포함하며, 펄스 간격은 차단 간격 사이에 산재되어 있으며, 차단 간격에서는 타겟 상의 빔의 세기가 주어진 빔 세기의 50% 미만으로 감쇠된다. 적어도 하나의 압전 변환기가 음향 광학 매체에 부착된다. 구동 회로가 주어진 진폭을 갖고 각각의 펄스 간격 동안 빔의 편향 각도에 대응하는 주파수와 각각의 차단 간격 동안 처프된 주파수 스펙트럼을 갖는 구동 신호를 적어도 하나의 압전 변환기에 인가하도록 결합된다. According to an embodiment of the present invention, there is also provided an optics device, wherein the optical device is acoustically configured to receive an input beam of radiation and deflect the input beam towards a target with a given beam intensity over an angular range for a series of pulse intervals. an optical medium, wherein pulse intervals are interspersed between block intervals, wherein the intensity of the beam on the target is attenuated by less than 50% of the given beam intensity. At least one piezoelectric transducer is attached to the acousto-optic medium. A drive circuit is coupled to apply to the at least one piezoelectric transducer a drive signal having a given amplitude and a frequency corresponding to the angle of deflection of the beam during each pulse interval and a frequency spectrum chirped during each blocking interval.
일부 실시예에서, 처프된 주파수 스펙트럼은 타겟 상의 빔의 세기가 차단 간격 동안 주어진 빔 세기의 10% 미만으로 감쇠되도록 선택된다. In some embodiments, the chirped frequency spectrum is selected such that the intensity of the beam on the target is attenuated by less than 10% of the given beam intensity during the block interval.
추가적으로 또는 대안적으로, 처프된 주파수 스펙트럼은 각각의 차단 간격 동안 인가되는 일련의 개별 주파수 스텝을 포함한다. 개시된 실시예에서, 적어도 하나의 압전 변환기는 다수의 압전 변환기의 어레이를 포함하고, 구동 회로는 음파가 펄스 간격 동안 입력 빔에 대해 브래그 조건을 충족하는 파면 각도로 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 하지만 차단 간격 동안 개별 주파수 스텝 각각에서 입력 빔에 대해 브래그 조건에서 벗어나도록 선택된 위상을 갖는 각각의 구동 신호를 압전 변환기에 인가하도록 구성된다. Additionally or alternatively, the chirped frequency spectrum includes a series of individual frequency steps applied during each cutoff interval. In the disclosed embodiment, the at least one piezoelectric transducer comprises an array of multiple piezoelectric transducers, and the drive circuitry causes but blocks the sound wave to propagate through the acoustooptic medium at a wavefront angle that meets the Bragg condition for the input beam during the pulse interval. and apply to the piezoelectric transducer a respective drive signal having a phase selected to deviate from the Bragg condition for the input beam at each respective frequency step during the interval.
추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 장치가 제공되고, 광학 장치는 방사선의 입력 빔을 수신하고 편향 각도의 범위에 걸쳐 타겟을 향해 입력 빔을 편향시키도록 구성된 음향 광학 매체를 포함한다. 다수의 압전 변환기의 어레이가 음향 광학 매체에 부착된다. 구동 회로가 선택된 주파수에서의 음파가 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 하여 이에 의해 범위 내의 대응하는 편향 각도에서 입력 빔을 편향시키도록 선택된 주파수를 갖고 음파의 파면 각도를 조정함으로써 편향된 빔의 세기를 변조하도록 선택된 어레이 내의 변환기에 인가된 구동 신호 간의 위상 오프셋을 갖는 각각의 구동 신호를 압전 변환기에 인가하도록 결합된다. Additionally, according to an embodiment of the present invention, there is provided an optical apparatus comprising an acousto-optic medium configured to receive an input beam of radiation and deflect the input beam toward a target over a range of deflection angles. An array of multiple piezoelectric transducers is attached to the acousto-optic medium. the drive circuitry modulates the intensity of the deflected beam by adjusting the wavefront angle of the sound wave with the selected frequency to cause a sound wave at the selected frequency to propagate through the acousto-optic medium and thereby deflect the input beam at a corresponding deflection angle within the range coupled to apply to the piezoelectric transducers each drive signal having a phase offset between the drive signals applied to the transducers in the selected array.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 광학 스캐닝을 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 다수의 압전 변환기의 어레이가 부착된 음향 광학 매체에 입사되는 방사선의 입력 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 상이한 각각의 제1 및 제2 주파수에서 적어도 제1 및 제2 주파수 성분을 포함하고 다수의 압전 변환기 각각에서 제1 및 제2 주파수 성분에 대해 상이한 각각의 제1 및 제2 위상 오프셋을 갖는 각각의 구동 신호가 압전 변환기에 인가되어, 음향 광학 매체가 각각의 제1 및 제2 빔 각도에서 각각의 제1 및 제2 세기를 갖는 적어도 제1 및 제2 출력 빔으로 입력 빔을 편향시키도록 하고, 여기서 음향 광학 매체는 상이한 각각의 제1 및 제2 회절 효율을 특징으로 한다. 제1 및 제2 주파수에서의 음파가 상이한 각각의 제1 및 제2 파면 각도로 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 하는 제1 및 제2 위상 오프셋을 선택하여, 상이한 제1 및 제2 회절 효율을 보상하고 제1 및 제2 세기를 균등화한다. Also according to an embodiment of the present invention, there is provided a method for optical scanning, the method comprising directing an input beam of radiation incident on an acousto-optical medium to which an array of a plurality of piezoelectric transducers is attached. each comprising at least a first and a second frequency component at different respective first and second frequencies and each having different respective first and second phase offsets with respect to the first and second frequency components in each of the plurality of piezoelectric transducers a drive signal is applied to the piezoelectric transducer to cause the acoustooptic medium to deflect the input beam into at least first and second output beams having respective first and second intensities at respective first and second beam angles; wherein the acousto-optic medium is characterized by different respective first and second diffraction efficiencies. Compensating for different first and second diffraction efficiencies by selecting first and second phase offsets such that sound waves at the first and second frequencies propagate through the acousto-optic medium at different respective first and second wavefront angles and equalize the first and second intensities.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 스캐닝을 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 적어도 하나의 압전 변환기가 부착된 음향 광학 매체에 입사되는 방사선의 입력 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 주어진 진폭을 갖고 일련의 펄스 간격 각각 동안 빔의 편향 각도에 대응하는 주파수를 가지며 펄스 간격 사이에 산재된 일련의 차단 간격 각각 동안 처프된 주파수 스펙트럼을 갖는 구동 신호가 적어도 하나의 압전 변환기에 인가되어, 음향 광학 매체가 일련의 펄스 간격 각각 동안 각도 범위에 걸쳐 주어진 빔 세기로 타겟을 향해 입력 빔을 편향시키도록 하고 차단 간격 각각 동안 타겟 상의 빔의 세기를 주어진 빔 세기의 50% 미만으로 감쇠되도록 한다. Further, according to an embodiment of the present invention, there is provided a method for optical scanning, the method comprising directing an input beam of radiation incident on an acousto-optic medium to which at least one piezoelectric transducer is attached. a drive signal having a given amplitude and a frequency corresponding to the deflection angle of the beam during each of the series of pulse intervals and having a frequency spectrum chirped during each of a series of cutoff intervals interspersed between the pulse intervals is applied to the at least one piezoelectric transducer, Causes the acoustooptic medium to deflect an input beam towards a target with a given beam intensity over an angular range during each of a series of pulse intervals and attenuate the intensity of the beam on the target to less than 50% of the given beam intensity during each block interval.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 광학 스캐닝을 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 다수의 압전 변환기의 어레이가 부착된 음향 광학 매체에 입사되는 방사선의 입력 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 선택된 주파수에서의 음파가 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 하여 음향 광학 매체가 대응하는 편향 각도에서 입력 빔을 편향시키도록 선택된 주파수를 갖는 각각의 구동 신호가 압전 변환기에 인가된다. 음파의 파면 각도를 조정함으로써 편향된 빔의 세기를 변조하도록 어레이 내의 변환기 간의 위상 오프셋을 설정한다.Also according to an embodiment of the present invention, there is provided a method for optical scanning, the method comprising directing an input beam of radiation incident on an acousto-optical medium to which an array of a plurality of piezoelectric transducers is attached. A respective drive signal having a selected frequency is applied to the piezoelectric transducer to cause a sound wave at the selected frequency to propagate through the acousto-optic medium so that the acousto-optic medium deflects the input beam at a corresponding deflection angle. By adjusting the wavefront angle of the sound wave, we set the phase offset between the transducers in the array to modulate the intensity of the deflected beam.
본 발명은 도면과 함께 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔 편향 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 광학 편향기에 인가된 주파수 처프 신호의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 출력 빔을 생성하는 데 사용되는 음향 광학 편향기의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 어레이 변환기에 의해 구동되는 음향 광학 편향기의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 광학 편향기를 위한 다중 주파수 구동 회로를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 광학 편향기를 구동하는 변환기 간의 위상 오프셋의 함수로서의 회절 효율의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 광학 편향기에 인가된 주파수 처프 신호의 개략적인 플롯이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be more fully understood from the following detailed description of embodiments in conjunction with the drawings:
1 is a schematic diagram of a multi-beam deflection system according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a frequency chirped signal applied to an acousto-optical deflector according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of an acousto-optical deflector used to generate multiple output beams in accordance with an embodiment of the present invention;
4 is a schematic cross-sectional view of an acousto-optical deflector driven by a phased array transducer according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram schematically illustrating a multi-frequency driving circuit for an acousto-optical deflector according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram of diffraction efficiency as a function of phase offset between transducers driving an acousto-optical deflector according to an embodiment of the present invention;
7 is a schematic plot of a frequency chirped signal applied to an acousto-optical deflector according to another embodiment of the present invention.
개관survey
음향 광학 장치는 높은 속도(일반적으로 50kHz - 1MHz 범위)와 고해상도로 레이저 빔 세기와 방향을 제어하기 위해 많은 레이저 응용 분야에서 사용된다. 레이저 빔의 정밀한 제어를 위해, 결정 자체의 음향 흡수에 의해 영향을 받을 수 있는 음향 광학 결정의 온도를 주의 깊게 제어하는 것이 중요하다. 예를 들어, 결정에서 균일한 온도 변화가 발생하면, 이것은 결정의 음속(및 굴절률)을 변화시켜 레이저 빔의 편향 각도의 드리프트를 초래한다. 불균일한 온도 변화는 레이저 빔을 왜곡시켜 렌즈 효과 및 기타 굴절 효과를 일으킬 수 있다. Acousto-optical devices are used in many laser applications to control laser beam intensity and direction at high speeds (typically in the 50 kHz - 1 MHz range) and high resolution. For precise control of the laser beam, it is important to carefully control the temperature of the acousto-optic crystal, which can be affected by the acoustic absorption of the crystal itself. For example, when a uniform temperature change occurs in a crystal, this changes the speed of sound (and refractive index) of the crystal, resulting in a drift in the deflection angle of the laser beam. Non-uniform temperature changes can distort the laser beam, causing lens effects and other refractive effects.
그러나, 음향 광학 결정을 안정된 온도로 유지하는 것은 어려운데, 왜냐하면, 음향 광학 변조 및 편향은 본질적으로 음향 광학 결정을 구동하는 데 사용되는 RF 신호의 변화를 수반하기 때문이다. 예를 들어, 타겟을 향해 전송된 레이저 펄스는 결정에 대한 RF 신호를 차단함으로써 간헐적으로 차단될 수 있다("펄스 피킹"이라고 하는 작업). 그러나 RF 입력 전력의 결과적인 변화는 결정에서 온도 변화와 불안정한 열 행동을 유발할 것이다. 또한, 음향 광학 결정에 인가되는 구동 주파수를 변경하여 레이저 빔 방향을 조종하는 것도 온도 변화로 이어질 수 있는데, 상이한 구동 주파수가 일반적으로 동일한 레이저 펄스 에너지를 달성하기 위해 상이한 RF 전력 레벨을 필요로 하기 때문이고, 결정의 음향 흡수가 주파수에 크게 의존하기 때문이다. However, maintaining an acousto-optic crystal at a stable temperature is difficult because acousto-optic modulation and deflection inherently involve changes in the RF signal used to drive the acousto-optic crystal. For example, a laser pulse sent towards a target can be intermittently blocked by blocking the RF signal to the crystal (an operation called "pulse peaking"). However, the resulting change in RF input power will cause temperature changes and unstable thermal behavior in the crystal. Additionally, steering the laser beam direction by changing the driving frequency applied to the acousto-optic crystal can also lead to temperature changes, as different driving frequencies typically require different RF power levels to achieve the same laser pulse energy. This is because the acoustic absorption of the crystal is highly dependent on the frequency.
본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 펄스 피킹 및 빔 조종에 내재하는 문제에도 불구하고 음향 광학 결정의 온도를 안정되고 균일하게 유지하기 위해 사용될 수 있는 새로운 기술을 제공한다. 이러한 실시예는 결정에 대한 일정한 RF 입력 레벨을 유지하면서, 결정이 하나 이상의 방사선 빔을 조종할 수 있게 하고 빔을 교번하여 통과 및 차단할 수 있게 한다. 이 문맥에서, "일정한"이라는 용어는 결정을 구동하는 압전 변환기 또는 변환기들에 입력되는 구동 신호의 순간 RF 전력이 빔 또는 빔들의 조종 및 간헐적 차단에도 불구하고 미리 정의된 한계 내에서 유지되고, 일반적으로 음향 광학 장치의 작동 중에 10% 이내로 변하며, 가능하게는 5% 이내로 변하는 것을 의미한다(적용 요구 사항에 따라 더 크거나 작은 제한이 가능함). The embodiments of the invention described herein provide a novel technique that can be used to keep the temperature of an acousto-optic crystal stable and uniform despite the problems inherent in pulse peaking and beam steering. Such an embodiment allows the crystal to steer one or more radiation beams and alternately pass and block beams while maintaining a constant RF input level to the crystal. In this context, the term “constant” means that the instantaneous RF power of a driving signal input to a piezoelectric transducer or transducers driving a crystal is maintained within a predefined limit despite steering and intermittent blocking of the beam or beams, and is generally This means that during operation of the acousto-optic device it varies within 10%, possibly within 5% (larger or smaller restrictions are possible depending on application requirements).
일부 실시예에서, 음향 광학 매체(전형적으로 적절한 결정)는 일련의 펄스 간격 동안 이에 부착된 적어도 하나의 압전 변환기에 의해 구동되어 각도 범위에 걸쳐 주어진 빔 세기로 타겟을 향해 입력 빔을 편향시킨다. 펄스 간격은 차단 간격 사이에 산재되어 있으며, 차단 간격에서, 타겟 상의 빔의 세기는 주어진 빔 세기의 50% 미만으로 감쇠되거나, 가능하게는 10% 미만, 5% 미만으로 감쇠되거나, 고감도 응용 분야의 경우 심지어 1% 미만으로 감쇠된다. ("세기"라는 용어는 상세한 설명 및 청구범위의 문맥에서 통상적인 의미로 빔이 입사하는 단위 면적당 광출력을 의미하도록 사용된다.) In some embodiments, the acousto-optic medium (typically a suitable crystal) is driven by at least one piezoelectric transducer attached thereto during a series of pulse intervals to deflect the input beam towards the target with a given beam intensity over an angular range. Pulse intervals are interspersed between block intervals, in which the intensity of the beam on the target is attenuated to less than 50%, possibly less than 10%, less than 5% of a given beam intensity, or for high-sensitivity applications. cases are even attenuated by less than 1%. (The term "intensity" is used in its ordinary sense in the context of the specification and claims to mean light output per unit area upon which a beam is incident.)
구동 회로는 각각의 펄스 간격 동안에는 빔의 편향 각도에 대응하는 주파수 및 각각의 차단 간격 동안에는 처프된 주파수 스펙트럼을 갖는 구동 신호를 압전 변환기 또는 변환기들에 인가한다. 주파수 처프는 입력 빔이 타겟의 넓은 영역에 걸쳐 확산되도록 하기 위해 선택된 주파수 범위와 지속 시간을 가지므로, 차단 간격 동안의 타겟 상의 빔의 세기는 펄스 간격 동안의 편향된 빔의 세기보다 훨씬 낮다. 상이한 주파수 스펙트럼에도 불구하고, 구동 회로는 펄스 간격과 차단 간격 모두에서 구동 신호의 주어진 진폭을 실질적으로 동일하게 유지한다. The drive circuit applies to the piezoelectric transducer or transducers a drive signal having a frequency corresponding to the deflection angle of the beam during each pulse interval and a chirped frequency spectrum during each blocking interval. Since the frequency chirp has a frequency range and duration chosen to cause the input beam to spread over a large area of the target, the intensity of the beam on the target during the cutoff interval is much lower than that of the deflected beam during the pulse interval. Despite the different frequency spectra, the drive circuitry keeps a given amplitude of the drive signal substantially the same in both the pulse interval and the cutoff interval.
이 접근 방식은 다중 주파수 작동에서 온도를 안정화하도록 확장될 수 있으며, 다중 주파수 작동에서는, 단일 주파수 구동 신호의 중첩으로 형성된 복합 구동 신호가 압전 변환기의 어레이에 의해 음향 광학 매체에 인가된다. 복합 구동 신호는 레이저 빔을 여러 출력 빔으로 분할한다. 차단될 하나 이상의 출력 빔을 선택하기 위해 주파수 처프를 구동 신호의 일부로 적용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 각각의 단일 주파수 성분에 대한 변환기 간에 특정 위상 오프셋(위상 지연이라고도 함)을 선택함으로써, 선택한 성분에 대한 회절 효율을 감소시킬 수 있으므로, 특정 출력 빔의 세기를 상당히 감소시킬 수 있다. 이러한 접근 방식을 사용하여, 장치로의 일정한 RF 전력 흐름을 유지하면서(결과적으로 온도 변동 감소), 출력 빔의 수와 방향을 변경할 수 있다. This approach can be extended to stabilize temperature in multi-frequency operation, in which a composite drive signal formed by the superposition of a single frequency drive signal is applied to the acousto-optic medium by an array of piezoelectric transducers. The composite drive signal splits the laser beam into several output beams. A frequency chirp may be applied as part of the drive signal to select one or more output beams to be blocked. Additionally or alternatively, by selecting a specific phase offset (also called phase delay) between the transducers for each single frequency component, the diffraction efficiency for the selected component can be reduced, thereby significantly reducing the intensity of a specific output beam. have. Using this approach, the number and direction of output beams can be changed while maintaining a constant RF power flow to the device (and consequently reducing temperature fluctuations).
변환기 간의 상이한 위상 오프셋은 상이한 주파수에서의 음파가 상이한 각각의 파면 각도로 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 한다. 각각의 주파수에서의 파면 각도는 브래그(Bragg) 조건을 충족하거나(따라서, 이 주파수에서 주어진 RF 전력에 대해 최대 회절 효율을 달성함) 브래그 조건에서 벗어나도록(따라서, 회절 효율을 감소시킴) 특별히 선택될 수 있다. 이 속성을 사용하여, 위상 오프셋은 주파수 및 빔 각도의 함수로서 음향 광학 매체의 회절 효율의 내재하는 변화를 보상하도록 설정될 수 있으므로, 음향 광학 변조기에 대한 일정한 입력 RF 전력을 유지하면서 출력 빔의 세기를 균등화할 수 있다. (이 문맥에서, "일정한"이라는 용어와 마찬가지로 "동일한"은 출력 빔의 세기가 10% 이내, 가능하게는 5% 이내로 변하는 것을 의미한다.) Different phase offsets between the transducers cause sound waves at different frequencies to propagate through the acousto-optic medium at different respective wavefront angles. The wavefront angle at each frequency is specially chosen to either meet the Bragg condition (thus achieve maximum diffraction efficiency for a given RF power at this frequency) or deviate from the Bragg condition (thus reduce the diffraction efficiency) can be Using this property, the phase offset can be set to compensate for inherent variations in the diffraction efficiency of the acousto-optic medium as a function of frequency and beam angle, thus maintaining a constant input RF power to the acousto-optic modulator while maintaining the intensity of the output beam. can be equalized. (In this context, "same" as with the term "constant" means that the intensity of the output beam varies within 10%, possibly within 5%.)
일 실시예에서, 위상 오프셋은 브래그 조건으로부터 크게 벗어나도록 충분한 양으로 간헐적으로 수정되어 일정한 입력 RF 전력을 여전히 유지하면서 특정 차단 간격 동안 각각의 출력 빔을 턴오프한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이 기능은 차단 간격 동안 위에서 설명된 주파수 처프와 결합될 수 있다. In one embodiment, the phase offset is intermittently modified by a sufficient amount to deviate significantly from the Bragg condition to turn off each output beam during a specified blocking interval while still maintaining a constant input RF power. Additionally or alternatively, this function may be combined with the frequency chirp described above during the cutoff interval.
더 일반적으로, 브래그 조건으로부터 파면 각도의 의도적인 편차는 음향 광학 매체에 의해 편향되는 입력 빔의 세기를 변조하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 회로는 음향 광학 매체가 범위 내의 대응하는 편향 각도에서 입력 빔(또는 빔들)을 편향시키도록 선택된 주파수 및 편향된 빔의 세기를 변조하도록 선택된 어레이 내의 변환기 간의 위상 오프셋을 갖는 각각의 구동 신호를 압전 변환기에 인가한다. 따라서, 음향 광학 매체에 대한 일정한 RF 전력 입력을 유지하면서 편향된 빔 세기를 변조(빔 턴온 및 턴오프)하는 것이 가능하다. More generally, the intentional deviation of the wavefront angle from the Bragg condition can be used to modulate the intensity of the input beam that is deflected by the acousto-optic medium. In some embodiments, the drive circuitry is configured such that the acoustooptic medium has a phase offset between the transducers in the array selected to modulate the intensity of the deflected beam and a frequency selected to deflect the input beam (or beams) at a corresponding deflection angle within range. A drive signal is applied to the piezoelectric transducer. Thus, it is possible to modulate (beam on and off) the deflected beam intensity while maintaining a constant RF power input to the acousto-optic medium.
시스템 설명System Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔 편향 시스템(20)의 개략적인 도면이다. 레이저(22)와 같은 방사선 소스가 가시광선, 자외선 또는 적외선을 포함할 수 있는, 펄스형 또는 연속적인, 광학 방사선의 단일 입력 빔(23)을 방출한다. 입력 빔(23)은 음향 광학 편향기(24)에 입사하고, 음향 광학 편향기(24)는 입력 빔을 다수의 출력 빔(30)으로 분할한다. 구동 회로(28)(간단히 "드라이버"라고도 함)가 편향기(24)를 구동하는 하나 이상의 압전 변환기(26)에 다중 주파수 구동 신호를 인가하여 입력 빔을 다수의 출력 빔(30)으로 분할하는 음파를 음향 광학 매체에 생성한다. 1 is a schematic diagram of a
편향기(24)는 석영, 이산화 텔루르(TeO2), 게르마늄과 같은 결정질 물질, 또는 용융 실리카 또는 칼코겐화물 유리와 같은 유리 물질을 포함하는 당업계에 공지된 임의의 적절한 음향 광학 매체를 포함할 수 있다. 결정질 매체는 예를 들어 음속 및 복굴절과 관련하여 원하는 음향 광학 특성을 얻기 위해 특정한 바람직한 결정 방향을 따라 절단될 수 있다. 변환기(26)는 유사하게 금속 결합 층을 통해 음향 광학 매체에 일반적으로 부착되는 니오브산 리튬과 같은 임의의 적절한 압전 물질의 하나 이상의 조각을 포함할 수 있다. 구동 회로(28)의 동작 및 그것이 생성하는 구동 신호의 세부 사항은 다음 도면 및 아래의 설명에 제시되어 있다. The
도시된 실시예에서, 스캐닝 미러(32)가 각도 범위(38)에 걸쳐 출력 빔(30)을 스캐닝한다. 빔은 스캔 렌즈(34)를 통해 타겟 표면(36) 상에 포커싱된다. 이러한 종류의 배열은 다중 빔 레이저 드릴링 및 프린팅과 같은 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 드라이버(28)에 의해 변환기에 인가된 구동 신호는 각각의 빔(30)이 일련의 펄스 간격 동안 주어진 빔 세기로 타겟에 충돌하지만, 각각의 빔이 펄스 간격 사이에 산재된 각각의 특정 차단 간격 동안 차단될 수 있도록 선택된다. (앞서 언급한 바와 같이, "차단된"은 타겟 상의 빔의 세기가 주어진 빔 세기의 50% 미만, 일반적으로 10% 미만으로, 또는 일부 경우에는 5% 미만 또는 심지어 1% 미만으로 감쇠됨을 의미한다.) 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 빔 차단은 구동 신호에서 일정한 RF 전력 레벨을 유지하면서 구동 신호의 주파수 및/또는 위상을 변경함으로써 달성될 수 있다. 이 목적으로 사용될 수 있는 여러 유형의 구동 신호가 아래에 설명되어 있다. In the illustrated embodiment, a
이 도면에는 단일 미러(32)만이 도시되어 있지만, 대안적인 실시예(도면에 도시되지 않음)는 함께 또는 독립적으로 스캔될 수 있는 이중 축 미러 및/또는 당업계에 공지된 임의의 다른 적절한 유형의 빔 스캐너를 사용할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 2개의 음향 광학 편향기가 직렬로 배치될 수 있고, 그 중 하나는 입력 빔(23)을 제1 방향을 따라 분리되는 다수의 출력 빔으로 분할하고 다른 하나는 직교 방향으로 빔을 스캔한다. 이러한 모든 실시예는 본 명세서에 설명된 다양한 구동 방식을 사용할 수 있으며 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.Although only a
처프된chirped 주파수 스펙트럼을 사용한 펄스 Pulse using the frequency spectrum 피킹picking
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드라이버(28)에 의해 음향 광학 편향기(24)에 인가된 주파수 처프 신호의 개략도이다. 펄스 차단을 위해 RF 신호를 차단하는 대신, 펄스 차단 동안 이러한 종류의 처프 신호를 인가할 수 있다. 구동 신호의 처프는 시간 tSTART에서 tSTOP까지 연장되는 펄스 기간 동안 초기 값 fSTART에서 최종 값 fSTOP까지 증가하는 주파수를 특징으로 한다. 예를 들어, fSTART에서 fSTOP까지의 주파수 범위는 음향 광학 편향기의 스펙트럼 대역폭의 전체 또는 대부분을 커버할 수 있으며, 이는 일반적으로 수십에서 수백 메가헤르츠 정도이다. tSTART에서 tSTOP까지의 시간 범위는 입력 빔의 직경에 걸친 음파의 주행 시간과 대략 동일할 수 있으며, 이는 일반적으로 수 마이크로초 정도이다. 이러한 처프는 편향기(24)로부터의 단일 출력 빔 또는 다수의 출력 빔(30) 세트 중 하나 이상에 적용될 수 있다. 2 is a schematic diagram of a frequency chirped signal applied to an acousto-
처프 신호는 빔(23)의 강한 디포커싱을 유발하여 결과적인 출력 빔이 타겟 표면(36)의 넓은 영역에 걸쳐 확산된다. 레이저 빔은 초점이 맞춰진 출력 빔에서와 거의 동일한 총 광출력으로 여전히 타겟 표면을 향해 지향되지만, 세기는 광학 구성에 따라 90% 이상, 가능하게는 최대 50dB까지 감쇠될 것이다. 결과적으로, 레이저 펄스는 본질적으로 타겟에 영향을 미치지 않을 것이다. 대안적으로, 감소된 주파수 범위를 갖는 더 약한 처프를 사용하여, 예를 들어, 초점이 맞춰진 스팟에 의해 나중에 더 높은 세기로 조사될 타겟 표면의 영역을 예열하기 위해, 타겟 표면에 충분한 세기로 큰 스팟을 형성하도록 레이저 빔을 디포커싱할 수 있다. The chirped signal causes strong defocusing of the
다수의 출력 빔의 세기 제어Intensity control of multiple output beams
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 광학 편향기(24)의 개략적인 단면도이다. 이 도면은 구동 회로(28) 및 압전 변환기(26)에 의해 제공되는 다중 주파수 구동의 효과 및 동작을 도시한다. 구동 회로(28)로부터의 다중 주파수 구동 신호는 압전 변환기(26)가 다수의 구동 주파수에서 음파를 생성하게 하고, 이는 편향기(24)의 음향 광학 매체를 통해 전파된다. 상이한 구동 주파수 각각은 대응하는 공간 주파수에서 결정에 음향 광학 회절 격자를 설정하며, 즉, 결정은 상이한 공간 주파수의 다수의 중첩된 격자를 포함한다. 도 3에 도시된 단순화된 예에서, 모든 격자의 파면 각도는 평행한 것처럼 보이지만, 아래에 설명되는 실시예에서, 각각의 격자는 구동 회로(28)에 의해 인가되는 구동 신호의 위상에 의해 결정되는 상이한 파면 각도를 갖는다. 3 is a schematic cross-sectional view of an acousto-
입력 빔(23)이 편향기(24)에 들어갈 때, 편향기의 격자 각각은 격자 주파수에 따라 입력 빔을 상이한 각도로 회절시킨다. 따라서, 편향기(24)는 입력 빔(23)을 상이한 주파수(f1, f2, …)에 대응하는 상이한 각도(θ1, θ2, …)에서 다수의 출력 빔(30a, 30b, 30c, 30d, …)으로 분할한다. 광학계(34)는 타겟 표면(36) 상에 대응하는 스팟의 어레이(1, 2, …)를 형성하기 위해 출력 빔의 초점을 맞춘다. 입력 빔(23)의 펄스와 적절하게 동기화되는 대응하는 주파수에서 신호의 주파수 스펙트럼 및/또는 위상을 변조함으로써, 구동 회로(28)는 입력 빔의 각각의 펄스에 의해 생성된 대응하는 출력 빔(30)의 세기를 제어할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 구동 회로(28)는 대응하는 각도(θ1, θ2, …)를 변조하기 위해 성분 주파수(f1, f2, …)를 변조할 수 있고, 따라서 표면(36) 상의 스팟의 위치를 변경할 수 있다.As the
보다 구체적으로, 구동 회로(28)는 대응하는 주파수 성분의 위상 및/또는 주파수 스펙트럼을 제어함으로써 빔(30a, 30b, 30c, 30d, …)을 개별적으로 턴온 및 턴오프할 수 있고, 따라서 각각의 펄스에서 생성할 출력 빔(30)의 조합을 선택할 수 있다. (도 1 및 도 3에 도시된 예에서, 빔(30c)은 턴오프된다.) 추가적으로 또는 대안적으로, 구동 회로(28)는 각도의 함수로서 편향기(24)의 회절 효율의 변화를 보상하기 위해 주파수 성분의 위상을 제어할 수 있다. 따라서, 구동 회로(28)는 회절 효율의 변화에도 불구하고, 예를 들어 편향기(24)에 대한 일정한 RF 전력 입력을 유지하면서 빔(30a, 30b, 30d)의 세기를 균등화할 수 있다. More specifically, the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 편향기의 음향 광학 매체에 부착된 위상 어레이 변환기(40)를 갖는 음향 광학 편향기(24)의 개략적인 단면도이다. 변환기(26)가 단일 블록으로서 앞의 도면에 도시되어 있지만, 실제로 본 발명의 모든 실시예는 변환기(40)의 어레이를 사용하여 이러한 방식으로 구현될 수 있다. 4 is a schematic cross-sectional view of an acousto-
구동 회로(28)는 주파수 발생기(42)를 포함하는 것으로 개념적으로 도시되어 있으며, 이는 각각의 위상 시프터(44)를 통해 변환기(40)를 구동하므로, 상이한 각각의 위상 오프셋을 갖는 구동 신호가 변환기에 공급된다. 위상 조정 회로(48)는 구동 주파수 및 이 주파수에서의 원하는 회절 효율에 따라 위상 시프터(44)의 위상 오프셋을 설정한다. 그 결과, 편향기(24)의 음향 광학 매체를 통해 전파되는 음파(46)의 파면은 변환기(40)가 부착된 매체의 면과 평행하지 않다. The
최대 회절 효율을 위해, 파면 각도가 위상 시프터(44)의 적절한 설정에 의해 선택될 수 있으므로, 입력 빔(23)과 파면 사이의 각도 θ는 주어진 구동 주파수에 대한 브래그 조건, 즉 sinθ=nλ/2d를 충족하며, 여기서 λ는 입력 빔의 파장이고, n은 회절 차수(일반적으로 n=1)이며, d는 주어진 주파수에서의 음파의 파장이다. 파면 각도의 이러한 선택은 특히 f0(인접한 변환기(40) 간의 위상차를 0으로 설정함으로써 브래그 조건이 충족될 수 있는 주파수)에서 멀리 떨어진 주파수에서 편향기(24)에 의한 회절 효율을 향상시킨다. For maximum diffraction efficiency, since the wavefront angle can be selected by an appropriate setting of the
대안적으로, 위상 조정 회로(48)는 파면 각도를 제어된 양만큼 브래그 조건으로부터 벗어나는 값으로 조정함으로써 회절 효율(따라서 편향기(24)로부터 생성된 출력 빔의 세기)을 변조할 수 있다. 이러한 접근 방식은 예를 들어 주파수 및 편향 각도의 함수로서 편향기의 회절 효율의 내재하는 변화를 보상하기 위해 사용될 수 있으므로, 일정한 RF 전력 레벨로 편향기를 구동하면서 편향된 빔 또는 빔들의 일정한 세기를 유지할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 위상 조정 회로(48)는 회절 효율을 손상시키기 위해 위상 오프셋에 더 큰 변조를 적용할 수 있으므로, 편향기(24)에 입력되는 RF 전력 레벨을 변경하지 않고 원할 때 출력 빔을 턴오프할 수 있다. Alternatively, the
일부 실시예에서, 구동 회로(28)는 다수의 상이한 주파수의 주파수 성분을 갖는 각각의 다중 주파수 구동 신호를 압전 변환기(40)에 인가한다. 이러한 주파수 각각에 대해, 브래그 조건은 상이한 회절 각도를 생성한다. 따라서, 모든 주파수에서 편향기(24)의 최적의 성능을 위해, 위상 조정 회로(48)는 위상 시프터(44)를 구동하여 각각의 변환기(40)에 각각의 주파수에 대해 상이한 위상 오프셋을 적용한다. 결과적으로, 주파수에서의 음파(46)는 음향 광학 매체를 통해 상이한 각각의 파면 각도로 전파되며, 이는 대응하는 주파수(f1, f2, …)에 대한 각각의 브래그 조건 및 출력 빔(30)의 편향 각도(θ1, θ2, …)에 대해 선택된다.In some embodiments, the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 광학 편향기(24)를 위한 구동 회로(28)의 기능적 구성 요소를 개략적으로 도시하는 블록도이다. 구동 회로(28)의 디지털 구성 요소는 일반적으로 프로그램 가능한 게이트 어레이에서와 같이 하드와이어드 또는 프로그램 가능한 로직으로 구현될 수 있다. 도 5의 블록은 개념적 명확성을 위해 별도의 구성 요소로 도시되어 있지만, 실제로 이러한 구성 요소의 기능은 단일 로직 장치에 결합될 수 있다. 대안적으로, 회로(28)의 디지털 구성 요소 중 적어도 일부는 컴퓨터 또는 전용 마이크로프로세서에서 실행되는 소프트웨어로 구현될 수 있다.5 is a block diagram schematically showing the functional components of a
주파수 선택 블록(50)이 편향기(24)를 구동할 때 인가될 다수의 기본 주파수(f1, f2, …)를 선택하여 대응하는 편향 각도(θ1, θ2, …)를 갖는 출력 빔(30)을 생성한다. 출력 빔 각도가 가로로 스캔되어야 하는 경우(도 1에 도시된 시스템(20)에서와 같이), 블록(50)은 최대 ±Δf의 양만큼 시간이 지남에 따라 이러한 주파수 각각을 변조하도록 프로그래밍될 수 있으며, 결과적으로 최대 ±Δθ만큼 각각의 빔의 각도 스캐닝을 초래할 수 있다. 따라서, 일반적으로, 블록(50)은 주파수 벡터의 시퀀스를 생성하고, 각각의 벡터는 특정 시간에 편향기(24)에 인가될 m개의 기본 주파수 값{fi + δfi}을 포함하여 대응하는 각도{θi + δθi}에서 m개의 출력 빔(30)을 생성하며, 여기서 δfi 및 δθi는 각각 ±Δf 및 ±Δθ 범위 내의 주파수 및 각도 변화이다. When the
위상 조정 블록(54)은 블록(50)에 의해 제공되는 주파수 성분에 대응하는 시간 영역 샘플의 다수의 스트림을 생성한다. 각각의 스트림은 각각의 변환기(40)로 지향되고 동일한 주파수 성분을 포함하지만 상이한 각각의 위상 오프셋을 갖는다. 이러한 위상 오프셋은 각각의 주파수에서 편향기(24) 내의 음파(46)의 원하는 파면 각도에 따라 선택된다. 일반적으로, 샘플 스트림 간의 상대 위상 오프셋은 전체 주파수 범위에 걸쳐 균일하지 않고 오히려 주파수에 따라 증가하므로, 위에서 설명한 바와 같이 각각의 주파수에서 브래그 조건에 따라 파면 각도는 주파수에 따라 증가한다.
구체적으로, 브래그 조건(복굴절 브래그 회절이 없는 경우)을 충족하기 위해, 블록(54)은 다음 공식에 따라 상이한 주파수에서 위상 오프셋을 설정할 수 있다.Specifically, to satisfy the Bragg condition (in the absence of birefringent Bragg diffraction), block 54 may set the phase offset at different frequencies according to the following formula.
이 수학식에서: In this formula:
· 는 주파수 f에서 블록(54)의 2개의 인접한 출력 채널 간의 위상차이고; · is the phase difference between two adjacent output channels of
· S는 인접한 변환기(40)의 중심 사이의 거리이고;S is the distance between the centers of
· λ는 광선 빔 파장이고; λ is the light beam wavelength;
· VS는 음향 광학 매체의 음속이며; · V S is the speed of sound in the acousto-optic medium;
· f0은 인접한 채널 간의 위상차를 0으로 하고 광출력 빔에 대한 브래그 조건을 충족시키는 인가된 주파수이다.· f 0 is the applied frequency that makes the phase difference between adjacent channels zero and satisfies the Bragg condition for the optical output beam.
그러나, 본 실시예에서, 블록(54)은 위에서 설명된 바와 같이 선택된 위상 편차로 브래그 조건으로부터 의도적으로 벗어나도록 특정 주파수에서 위상 오프셋을 설정할 수 있다.However, in this embodiment, block 54 may set the phase offset at a particular frequency to intentionally deviate from the Bragg condition with a selected phase deviation as described above.
앞서 언급한 바와 같이, 블록(50 및 54)은 일반적으로 디지털 로직 및/또는 소프트웨어로 구현된다. 블록(54)에 의해 출력된 디지털 샘플 스트림은 다채널 디지털/아날로그 변환기(56)의 각각의 채널에 입력되며, 이는 변환기(40)를 구동하기 위해 대응하는 출력 신호를 생성한다. (D/A 변환기 채널과 변환기 사이의 RF 증폭기와 같은 다른 아날로그 구성 요소는 단순화를 위해 도면에서 생략되었다.) 주파수 성분 및 위상 오프셋의 적절한 선택을 가정하면, 변환기는 편향기(24)에서 상이한 기본 주파수 및 상이한 파면 각도를 갖는 음파의 중첩을 생성할 것이다.As noted above, blocks 50 and 54 are typically implemented in digital logic and/or software. The digital sample stream output by
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 광학 편향기(24)를 구동하는 인접한 변환기(40) 간의 위상 오프셋 Δφ의 함수로서의 회절 효율의 개략도이다. 곡선(60, 62 및 64)은 일반적으로 약 50MHz에서 150MHz 범위에 있는 3개의 상이한 구동 주파수에서의 회절 효율을 나타낸다. 각각의 곡선의 최대 회절 효율 DEmax은 주어진 주파수에서의 파면 각도가 브래그 조건을 충족하는 위상 오프셋 Δφmax에 대응한다. 그럼에도 불구하고, 최대 회절 효율은 100%에 도달하지 않고, 곡선(60, 62 및 64) 간에 상이하다. 이 최대값에서 멀어지면, 위상 오프셋 Δφ의 함수로서 회절 효율 DE은 대략 사인파형으로 변한다.6 is a schematic diagram of diffraction efficiency as a function of the phase offset Δφ between
위상 조정 블록(54)은 예를 들어 곡선(60, 62 및 64)의 주파수에 대응하는 편향기(24)로부터의 각각의 출력 빔의 세기를 변조함에 있어서 위의 관계를 적용할 수 있다. 변환기(40)에 인가된 RF 전력이 일정하게 유지된다고 가정하면, 주어진 출력 빔 세기 I를 달성하는 데 필요한 위상 오프셋 Δφ은 I/I0의 역 코사인으로 주어지며, 여기서 I0는 주어진 구동 주파수 f에 대한 최대 회절 효율에서의 세기 출력이다. 앞서 설명한 바와 같이, 상이한 구동 주파수에서의 Δφ 값은 상이한 주파수에서 최대 회절 효율의 차이를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 출력 빔 중 하나를 효과적으로 차단하기 위해, Δφ는 Δφmax+π로 설정될 수 있으므로, 회절 효율은 0에 가까울 것이다. 추가로, 대안적으로 또는 추가적으로, RF 입력 전력을 일정하게 유지하면서 위상 오프셋을 변조함으로써 출력 빔의 세기를 변조할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 광학 편향기에 인가된 다중 주파수 신호의 개략적인 플롯이다. 이 신호는 도 2에 도시된 신호와 유사한 처프된 주파수 스펙트럼을 갖지만 이 경우에는 일련의 개별 주파수 스텝(70)을 포함한다. 이러한 종류의 신호는 주어진 출력 빔이 차단되는 간격 동안 도 5에 도시된 구동 회로와 같은 디지털 구동 회로에 의해 편리하게 인가될 수 있다.7 is a schematic plot of a multi-frequency signal applied to an acousto-optic deflector according to another embodiment of the present invention. This signal has a chirped frequency spectrum similar to the signal shown in FIG. 2 , but in this case includes a series of discrete frequency steps 70 . A signal of this kind can be conveniently applied by a digital drive circuit such as the drive circuit shown in FIG. 5 for an interval during which a given output beam is blocked.
이러한 주파수 처프 접근 방식은 위에서 설명된 변환기 간의 위상 오프셋 조정을 기반으로 하는 접근 방식과 유리하게 결합될 수 있다. 위상은 각각의 주파수 스텝(70)에서 선택되어 주어진 주파수에서 브래그 조건에서 벗어나는 파면 각도로 음향 광학 매체를 통해 음파가 전파되게 한다. 출력 빔 세기의 최대 감쇠를 위해, 각각의 주파수에서의 위상 오프셋은 대략 Δφmax+π로 설정될 수 있으며, 여기서 Δφmax는 대응하는 주파수에서 브래그 조건을 충족하는 위상 오프셋이다. This frequency chirping approach can be advantageously combined with the approach based on adjusting the phase offset between the transducers described above. The phase is selected at each
위에서 설명된 실시예는 예로서 인용되고, 본 발명은 앞에서 특별히 도시되고 설명된 것에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 앞에서 설명된 다양한 피처의 조합 및 하위 조합뿐만 아니라, 앞서 말한 설명을 읽을 때 당업자에게 발생할 수 있고 종래 기술에 개시되지 않은 변형 및 수정을 포함한다. It is to be understood that the embodiments described above are taken by way of example, and that the invention is not limited to what has been particularly shown and described above. Rather, the scope of the present invention includes combinations and subcombinations of the various features described above, as well as variations and modifications not disclosed in the prior art that would occur to those skilled in the art upon reading the foregoing description.
Claims (22)
방사선의 입력 빔을 수신하고 상기 입력 빔을 각각의 제1 및 제2 빔 각도에서 각각의 제1 및 제2 세기를 갖는 적어도 제1 및 제2 출력 빔으로 편향시키도록 구성된 음향 광학 매체 - 상기 음향 광학 매체는 상이한 각각의 제1 및 제2 회절 효율을 특징으로 함 - ;
상기 음향 광학 매체에 부착된 다수의 압전 변환기의 어레이; 및
각각의 구동 신호를 상기 압전 변환기에 인가하도록 결합된 구동 회로로서, 상기 각각의 구동 신호는 상기 제1 및 제2 출력 빔을 상기 각각의 제1 및 제2 빔 각도로 지향시키기 위한 상이한 대응하는 제1 및 제2 주파수, 및 상기 다수의 압전 변환기 각각에서 상기 제1 및 제2 주파수 성분에 대해 상이한 각각의 제1 및 제2 위상 오프셋 - 이는 상기 제1 및 제2 주파수에서의 음파가 상이한 각각의 제1 및 제2 파면 각도로 상기 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 함 - 을 갖는 적어도 제1 및 제2 구동 신호를 포함하고, 상기 상이한 제1 및 제2 회절 효율을 보상하기 위해 상기 제1 및 제2 위상 오프셋을 선택하여 상기 제1 및 제2 세기를 균등화하도록 구성된 제어기를 포함하는 것인, 상기 구동 회로
를 포함하는, 광학 장치.An optical device comprising:
an acousto-optic medium configured to receive an input beam of radiation and deflect the input beam into at least first and second output beams having respective first and second intensities at respective first and second beam angles, the acoustic the optical medium is characterized by different respective first and second diffraction efficiencies;
an array of a plurality of piezoelectric transducers attached to the acousto-optic medium; and
a drive circuit coupled to apply a respective drive signal to the piezoelectric transducer, each drive signal comprising a different corresponding second for directing the first and second output beams to the respective first and second beam angles. first and second frequencies, and respective first and second phase offsets that are different with respect to the first and second frequency components in each of the plurality of piezoelectric transducers, each of which the sound waves at the first and second frequencies are different at least first and second drive signals to propagate through the acousto-optic medium at first and second wavefront angles, the first and second drive signals to compensate for the different first and second diffraction efficiencies and a controller configured to select two phase offsets to equalize the first and second intensities.
comprising, an optical device.
상기 제1 구동 신호는 주어진 진폭을 갖고 각각의 펄스 간격 동안 빔의 편향 각도에 대응하는 주파수를 가지며 각각의 차단 간격 동안 처프된 주파수 스펙트럼을 갖는 것인, 광학 장치.4. The system of claim 3, wherein the controller is configured to control the drive signal applied by the drive circuit such that the acousto-optic medium deflects the at least first beam towards a target at a given beam intensity during a series of pulse intervals and , wherein the pulse intervals are interspersed between block intervals, wherein the intensity of the first beam on the target is attenuated to less than 50% of the given beam intensity,
wherein the first drive signal has a given amplitude and a frequency corresponding to the deflection angle of the beam during each pulse interval and has a chirped frequency spectrum during each block interval.
방사선의 입력 빔을 수신하고 일련의 펄스 간격 동안 각도 범위에 걸쳐 주어진 빔 세기로 타겟을 향해 상기 입력 빔을 편향시키도록 구성된 음향 광학 매체 - 상기 펄스 간격은 차단 간격 사이에 산재되어 있으며, 상기 차단 간격에서는 상기 타겟 상의 빔의 세기가 상기 주어진 빔 세기의 50% 미만으로 감쇠됨 - ;
상기 음향 광학 매체에 부착된 적어도 하나의 압전 변환기; 및
주어진 진폭을 갖고 각각의 펄스 간격 동안 빔의 편향 각도에 대응하는 주파수와 각각의 차단 간격 동안 처프된 주파수 스펙트럼을 갖는 구동 신호를 상기 적어도 하나의 압전 변환기에 인가하도록 결합된 구동 회로
를 포함하는, 광학 장치.An optical device comprising:
an acousto-optic medium configured to receive an input beam of radiation and deflect the input beam toward a target at a given beam intensity over an angular range over a series of pulse intervals, the pulse spacing interspersed between the blocking intervals where the beam intensity on the target is attenuated to less than 50% of the given beam intensity;
at least one piezoelectric transducer attached to the acousto-optic medium; and
a drive circuit coupled to apply to the at least one piezoelectric transducer a drive signal having a given amplitude and having a frequency corresponding to the angle of deflection of the beam during each pulse interval and a frequency spectrum chirped during each blocking interval
comprising, an optical device.
방사선의 입력 빔을 수신하고 편향 각도의 범위에 걸쳐 타겟을 향해 상기 입력 빔을 편향시키도록 구성된 음향 광학 매체;
상기 음향 광학 매체에 부착된 다수의 압전 변환기의 어레이; 및
선택된 주파수에서의 음파가 상기 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 하여 이에 의해 범위 내의 대응하는 편향 각도에서 상기 입력 빔을 편향시키도록 선택된 주파수를 갖고 상기 음파의 파면 각도를 조정함으로써 상기 편향된 빔의 세기를 변조하도록 선택된 어레이 내의 변환기에 인가된 구동 신호 간의 위상 오프셋을 갖는 각각의 구동 신호를 상기 압전 변환기에 인가하도록 결합된 구동 회로
를 포함하는, 광학 장치.An optical device comprising:
an acousto-optic medium configured to receive an input beam of radiation and deflect the input beam toward a target over a range of deflection angles;
an array of a plurality of piezoelectric transducers attached to the acousto-optic medium; and
modulates the intensity of the deflected beam by adjusting the wavefront angle of the sound wave with a selected frequency to cause a sound wave at a selected frequency to propagate through the acousto-optic medium and thereby deflect the input beam at a corresponding deflection angle within range a drive circuit coupled to apply to the piezoelectric transducers each drive signal having a phase offset between the drive signals applied to the transducers in the array selected to
comprising, an optical device.
다수의 압전 변환기의 어레이가 부착된 음향 광학 매체에 입사되는 방사선의 입력 빔을 지향시키는 단계;
상이한 각각의 제1 및 제2 주파수에서 적어도 제1 및 제2 주파수 성분을 포함하고 상기 다수의 압전 변환기 각각에서 상기 제1 및 제2 주파수 성분에 대해 상이한 각각의 제1 및 제2 위상 오프셋을 갖는 각각의 구동 신호를 상기 압전 변환기에 인가하는 단계 - 상기 음향 광학 매체가 각각의 제1 및 제2 빔 각도에서 각각의 제1 및 제2 세기를 갖는 적어도 제1 및 제2 출력 빔으로 상기 입력 빔을 편향시키도록 하고, 상기 음향 광학 매체는 상이한 각각의 제1 및 제2 회절 효율을 특징으로 함 - ; 및
제1 및 제2 주파수에서의 음파가 상이한 각각의 제1 및 제2 파면 각도로 상기 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 하는 상기 제1 및 제2 위상 오프셋을 선택하는 단계 - 상기 상이한 제1 및 제2 회절 효율을 보상하고 상기 제1 및 제2 세기를 균등화함 -
를 포함하는, 광학 스캐닝을 위한 방법.A method for optical scanning, comprising:
directing an input beam of radiation incident on an acousto-optic medium to which an array of multiple piezoelectric transducers is attached;
at least first and second frequency components at different respective first and second frequencies and having different respective first and second phase offsets with respect to the first and second frequency components in each of the plurality of piezoelectric transducers; applying a respective drive signal to the piezoelectric transducer, wherein the acoustooptic medium has at least first and second output beams having respective first and second intensities at respective first and second beam angles, respectively, the input beam ; wherein the acousto-optic medium is characterized by different respective first and second diffraction efficiencies; and
selecting the first and second phase offsets such that sound waves at first and second frequencies propagate through the acousto-optic medium at different respective first and second wavefront angles, the first and second different Compensating for diffraction efficiency and equalizing said first and second intensities -
A method for optical scanning comprising:
상기 제1 및 제2 위상 오프셋을 선택하는 단계는 상기 주파수 변경에 응답하여 각각의 위상 오프셋을 변경하는 단계를 포함하는 것인, 광학 스캐닝을 위한 방법.13. The method of claim 12, wherein applying each of the drive signals comprises changing at least first and second frequencies of the first and second drive signals, such that the acousto-optic medium comprises each of the first and second drive signals. scan at least the first and second beams over two angular ranges;
wherein selecting the first and second phase offsets includes changing each phase offset in response to the frequency change.
상기 제1 구동 신호는 주어진 진폭을 갖고 각각의 펄스 간격 동안 상기 빔의 편향 각도에 대응하는 주파수를 가지며 각각의 차단 간격 동안 처프된 주파수 스펙트럼을 갖는 것인, 광학 스캐닝을 위한 방법.15. The method of claim 14, wherein applying each drive signal comprises controlling the drive signal such that the acousto-optic medium directs the at least first beam toward a target at a given beam intensity during a series of pulse intervals. wherein the pulse spacing is interspersed between blocking intervals, wherein the intensity of the first beam on the target is attenuated by less than 50% of the given beam intensity,
wherein the first drive signal has a given amplitude and a frequency corresponding to the deflection angle of the beam during each pulse interval and has a chirped frequency spectrum during each block interval.
적어도 하나의 압전 변환기가 부착된 음향 광학 매체에 입사되는 방사선의 입력 빔을 지향시키는 단계; 및
주어진 진폭을 갖고 일련의 펄스 간격 각각 동안 상기 빔의 편향 각도에 대응하는 주파수를 가지며 상기 펄스 간격 사이에 산재된 일련의 차단 간격 각각 동안 처프된 주파수 스펙트럼을 갖는 구동 신호를 상기 적어도 하나의 압전 변환기에 인가하는 단계 - 상기 음향 광학 매체가 상기 일련의 펄스 간격 각각 동안 각도 범위에 걸쳐 주어진 빔 세기로 타겟을 향해 상기 입력 빔을 편향시키도록 하고 상기 차단 간격 각각 동안 상기 타겟 상의 빔의 세기를 상기 주어진 빔 세기의 50% 미만으로 감쇠되도록 함 -
를 포함하는 광학 스캐닝을 위한 방법.A method for optical scanning, comprising:
directing an input beam of radiation incident on an acousto-optic medium to which at least one piezoelectric transducer is attached; and
to the at least one piezoelectric transducer a drive signal having a given amplitude and a frequency corresponding to the angle of deflection of the beam during each of a series of pulse intervals and having a frequency spectrum chirped during each of a series of cutoff intervals interspersed between the pulse intervals. applying - cause the acousto-optic medium to deflect the input beam towards a target at a given beam intensity over an angular range during each of the series of pulse intervals and measure the intensity of the beam on the target during each of the blocking intervals to the given beam to be attenuated to less than 50% of the intensity -
A method for optical scanning comprising a.
다수의 압전 변환기의 어레이가 부착된 음향 광학 매체에 입사되는 방사선의 입력 빔을 지향시키는 단계;
선택된 주파수에서의 음파가 상기 음향 광학 매체를 통해 전파되도록 하여 상기 음향 광학 매체가 대응하는 편향 각도에서 상기 입력 빔을 편향시키도록 선택된 주파수를 갖는 각각의 구동 신호를 상기 압전 변환기에 인가하는 단계; 및
상기 음파의 파면 각도를 조정함으로써 상기 편향된 빔의 세기를 변조하도록 선택된 상기 어레이 내의 상기 변환기 간의 위상 오프셋을 설정하는 단계
를 포함하는 광학 스캐닝을 위한 방법.A method for optical scanning, comprising:
directing an input beam of radiation incident on an acousto-optic medium to which an array of multiple piezoelectric transducers is attached;
applying a respective drive signal having a selected frequency to the piezoelectric transducer to cause a sound wave at the selected frequency to propagate through the acousto-optic medium so that the acousto-optic medium deflects the input beam at a corresponding deflection angle; and
establishing a phase offset between the transducers in the array selected to modulate the intensity of the deflected beam by adjusting the wavefront angle of the sound wave;
A method for optical scanning comprising a.
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