TW202346962A - 具有平行和垂直方向的鍺聲光偏轉器系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭示可操作以使雷射光傳播所沿光束路徑沿著多個軸偏轉之多軸光束定位器的諸多實例。該光束定位器包括彼此以光學方式串聯排列的第一AOD及第二AOD。該第一AOD及該第二AOD經排列且配置以使該光束路徑沿著該多軸光束定位器的不同軸偏轉。在一個實例中，該第一AOD之該AO單元係由與該第二AOD之該AO單元相同的材料形成但該第一AOD與該第二AOD係不同地配置。在另一實例中，該第一AOD及該第二AOD係縱向模式AOD且該第一AOD與該第二AOD之間不存在延遲器。在另一實例中，提供熱交換器以相對於該第一AOD之該AO單元冷卻該第二AOD之該AO單元。

Description

具有平行和垂直方向的鍺聲光偏轉器系統

本發明之具體實例總體上係關於聲光偏轉器、併入聲光偏轉器之光束定位系統及操作聲光偏轉器之技術。

有時被稱作布拉格單元之聲光（acousto-optic；AO）裝置使用處於射頻之聲波使光繞射並移位。此等裝置常用於Q切換、電信系統中之信號調變、顯微術系統中之雷射掃描及光束強度控制、頻率移位、光譜系統中的波長濾波。許多其他應用適合於使用聲光裝置。舉例而言，AO偏轉器（AOD）可用於基於雷射之材料處理系統中。

在典型AO裝置中，轉換器附接至AO介質（亦被稱作「AO單元」），典型地為對待繞射光的波長適當透明的晶體或玻璃。將RF信號（亦被稱作「驅動信號」）施加至轉換器（例如，來自RF驅動器），藉此驅動轉換器在某一頻率下振動；將聲波傳播至AO介質中，顯現為AO介質中之擴展及壓縮的週期性區域，藉此在AO介質內產生週期性改變之折射率。週期性改變之折射率類似於可使傳播通過AO介質之雷射光束繞射的光柵起作用。

參考圖1，AOD 100大致上包括AO介質102、附接至AO介質102（亦即，在AO介質102之轉換器端處）之轉換器104，且亦可包括附接至AO介質102（亦即，在與轉換器端相對的AO介質102之吸收器端處）之聲學吸收器106。儘管圖1繪示僅單個轉換器104附接至AO介質102之配置，應瞭解，多個轉換器104（例如，以線性陣列排列）可在其轉換器端處附接至AO介質102。RF驅動器108係電耦接至各轉換器104之輸入以驅動AOD 100。形成AO介質102之材料係視待偏轉之雷射光之光束中光的波長進行選擇。轉換器104係通常由壓電材料形成，且係可操作以回應於由RF驅動器108輸出之輸入RF信號而振動。RF驅動器108係可操作以生成最終輸入至轉換器104之驅動信號。

通常，各轉換器104係附接至AO介質102，使得藉由轉換器104產生之振動能夠產生對應聲波（例如，縱向模式聲波，如藉由線112所指示），該聲波在AO介質102內沿著AOD 100之繞射軸自轉換器端朝向聲學吸收器106（藉由箭頭110所指示）傳播。如圖1中例示性繪示，當將RF驅動信號（例如藉由頻率、振幅、相位等表徵）施加至轉換器104時，轉換器104振動以產生在AO介質102內傳播之聲波，藉此在AO介質102內生成週期性改變之折射率。如此項技術中已知，週期性改變之折射率用以使雷射光之光束繞射（例如，沿光束路徑114傳播），該雷射光之光束入射於AO介質102之第一表面102a上且以相對於聲波量測之布拉格角θB經由AO介質102傳播。

使入射的雷射光光束繞射形成繞射圖案，其典型地包括零階及一階繞射峰，且亦可包括高階繞射峰（例如二階、三階等）。如此項技術中已知，雷射光之繞射光束在零階繞射峰中之部分被稱為「零階」光束，雷射光之繞射光束在一階繞射峰中之部分被稱為「一階」光束，等等。通常，零階光束及其他繞射階光束（例如一階光束等）在離開AO介質102（例如，經由與第一表面102a相對之AO介質102的第二表面102b）後沿著不同光束路徑傳播。舉例而言，零階光束沿零階光束路徑傳播，一階光束沿一階光束路徑傳播，等等。零階光束路徑與其他繞射階光束路徑之間的角度（例如零階光束路徑與一階光束路徑之間的角度θD）對應於經施加以使入射於AO介質102上的雷射光之光束繞射之驅動信號中的頻率（或多個頻率）。

所施加驅動信號之振幅(亦即，所施加驅動信號中之功率的量)可對繞射成各種繞射階光束之入射的雷射光光束的比例具有非線性效應，且AOD可經驅動以將大部分入射的雷射光光束繞射成一階光束，從而使相對小部分的入射的雷射光光束保持於其他繞射階光束（例如，零階光束等）中。此外，所施加驅動信號之頻率可快速變化以掃描一階光束（例如，以便於對工件之不同區域進行處理）。因此，AOD有利地併入至雷射處理系統中以供在基於雷射之材料處理領域中使用，以便在工件之處理（例如熔融、汽化、燒蝕、標記、開裂等）期間以可變方式使一階光束偏轉至工件上。

雷射處理系統典型地包括一或多個光束捕集器以防止沿著零階光束路徑（及任何高階光束路徑）傳播之雷射光到達工件。因此，在雷射處理系統內，射出AOD 100之一級光束路徑能夠典型地被視為已在AOD 100內旋轉或偏轉（例如，角度θD，在本文中亦被稱作「一級偏轉角度」）的光束路徑114。當AOD 100經驅動以繞射入射的雷射光光束時，光束路徑114圍繞旋轉的軸（在本文中亦被稱作「旋轉軸」）與AOD 100之繞射軸及AOD 100內入射的雷射光光束沿著傳播的軸（在本文中亦被稱作「光軸」）正交。因此，AOD 100使入射光束路徑114在含有（或在其他情況下大致上平行於）AOD 100之繞射軸及AOD 100內之光軸的平面（在本文中亦被稱作「偏轉平面」）內偏轉。AOD 100可使光束路徑114在偏轉平面內偏轉所橫跨的空間範圍在本文中被稱作AOD 100之「掃描場」。

雷射處理系統可併入串聯排列之多個AOD以使光束路徑114沿著兩個軸偏轉。例如，且參考圖2，第一AOD 200及第二AOD 202可經定向以使得其對應繞射軸（亦即，分別為第一繞射軸200a及第二繞射軸202a）垂直於彼此定向。在此實例中，第一AOD 200可操作以使光束路徑114圍繞第一旋轉軸200b（例如，其與第一繞射軸200a正交）旋轉，因此使入射光束路徑114在第一偏轉平面（亦即，含有或在其他情況下大致上平行於第一繞射軸200a及第一AOD 200內之光軸的平面）偏轉，其中第一偏轉平面與第一旋轉軸200b正交。同樣地，第二AOD 202係可操作以使光束路徑114圍繞第二旋轉軸202b（例如，其與第二繞射軸202a正交）旋轉，由此使入射光束路徑114在第二偏轉平面（亦即，含有或在其他情況下大致上平行於第二繞射軸202a及第二AOD 202內之光軸的平面）偏轉，其中第二偏轉平面與第二旋轉軸202b正交。鑒於上文，第一AOD 200及第二AOD 202可集體地特徵化為多軸「光束定位器」，且各自可選擇性地操作以使光束路徑114在二維掃描場204內偏轉。如應瞭解，二維範圍掃描場204可視為兩個一維掃描場之疊加：與第一AOD 200關聯之第一一維掃描場及與第二AOD 202關聯之第二一維掃描場。

視多軸光束定位器中所包括之AOD的類型而定，可能需要使光之偏振面（亦即，電場在其中振盪之平面）在由第一AOD 200傳輸之一階光束路徑中旋轉。若使大部分入射的雷射光光束繞射成一階光束所需的RF驅動功率之量高度取決於經偏轉之雷射光之光束的偏振狀態，則旋轉偏振面將為所要的。此外，若多軸光束定位器中各AOD包括由相同材料形成的AO介質102，且若各AOD使用相同類型的聲波（例如，縱向模式聲波）來偏轉入射的雷射光光束，且若需要由第一AOD 200傳輸之一階光束中之光的偏振狀態係線性的且相對於第二繞射軸202a定向在特定方向上，則類似地需要使第二AOD 202傳輸之一階光束中之光的偏振狀態相對於第一AOD 200傳輸之一階光束中之光的偏振狀態旋轉，就像第二AOD 202方向相對於第一AOD 200之方向旋轉一樣。因此，當滿足上述之條件時，一些偏振旋轉機制（圖中未示出）將排列於第一AOD 200與第二AOD 202之間的光束路徑114中以旋轉由第一AOD 200輸出之雷射光光束的偏振面。

一般技術者將認識到，形成AOD之AO單元的材料可視待在其中繞射之雷射光之光束的波長而變化。對於具有電磁波譜之長波紅外線（LWIR）範圍內之波長的雷射光之光束（在本文中亦被稱作「雷射光之LWIR光束」），AOD之AO單元係由結晶鍺形成。因此，若第一AOD 200之AO單元係由結晶鍺形成，則入射於第一AOD 200上之雷射光的偏振面應平行於（或至少實質上平行於）第一繞射軸200a且亦將平行於（或至少實質上平行於）自第一AOD 200輸出（例如，沿著光束路徑114）之雷射光的偏振面。同樣地，若第二AOD 202之AO單元係由與第一AOD 200之AO單元相同的材料（亦即，結晶鍺）形成，則入射於第二AOD 202上之雷射光的偏振面應平行於（或至少實質上平行於）第二繞射軸202a且亦將平行於（或至少實質上平行於）自第二AOD 202輸出（例如，沿著光束路徑114）之雷射光的偏振面。因此，需要使自第一AOD 200輸出（例如，沿光束路徑114）的平行於（或至少實質上平行於）第一繞射軸200a的雷射光的偏振面旋轉，以使其在入射於第二AOD 202之前平行於（或至少實質上平行於）第二繞射軸200b。

通常，如此項技術中已知，當雷射光之光束的波長在電磁波譜之紫外線、可見光或近紅外線（NIR）範圍內時，使用透射半波片容易實現偏振旋轉。半波片之後相對於入射的雷射光光束之偏振的方向隨相對於入射的雷射光光束之偏振方向的半波片之方向變化。然而，當雷射光之光束的波長在雷射光之LWIR光束中時，無法使用簡單透射半波片實現偏振旋轉。實際上，一或多個反射相位延遲（RPR）鏡及中繼透鏡可用於各種排列以實現自第一AOD 200傳播至第二AOD 202之雷射光之LWIR光束的偏振旋轉。雖然此等排列表現充分，但添加RPR鏡及中繼透鏡增加了能夠使雷射光之LWIR光束偏轉之多軸光束定位器的複雜度及成本。

一個具體實例可廣泛地表徵為多軸光束定位器，其可操作以使雷射光傳播所沿光束路徑沿著多個軸偏轉，其中光束定位器包含：彼此以光學方式串聯排列的第一聲光（AO）偏轉器（AOD）及第二AOD，其中第一AOD經排列及配置以使光束路徑沿多軸光束定位器之第一軸偏轉，其中第二AOD經排列且配置以使光束路徑沿多軸光束定位器之第二軸偏轉，其中第一AOD及第二AOD中之各者具有AO單元及附接至該AO單元之轉換器，其中第一AOD之AO單元由與第二AOD之AO單元相同的材料形成，且其中第一AOD與第二AOD係不同地配置。

另一具體實例可廣泛地表徵為多軸光束定位器，其可操作以使雷射光傳播所沿光束路徑沿著多個軸偏轉，其中光束定位器包含：彼此以光學方式串聯排列之第一聲光（AO）偏轉器（AOD）及第二AOD，其中第一AOD經排列及配置以使光束路徑沿多軸光束定位器之第一軸偏轉，其中第二AOD經排列且經配置以使光束路徑沿多軸光束定位器之第二軸偏轉，其中第一AOD及第二AOD中之各者具有AO單元及附接至AO單元之一轉換器，其中第一AOD及第二AOD係縱向模式AOD，且其中第一AOD與第二AOD之間不存在延遲器。

又一具體實例可廣泛地表徵為多軸光束定位器，其包括：彼此以光學方式串聯排列的第一聲光（AO)偏轉器（AOD)及第二AOD；及耦合到第二AOD之熱交換器，其中第一AOD經排列及配置以使光束路徑沿多軸光束定位器之第一軸偏轉，其中第二AOD經排列且配置以使光束路徑沿多軸光束定位器之第二軸偏轉，其中第一AOD及第二AOD中之各者具有一AO單元及附接至AO單元之轉換器，其中第二AOD之AO單元係由結晶鍺形成，且其中至少一個熱交換器經配置以將第二AOD之AO單元維持於比第一AOD之AO單元之溫度低的溫度下。

本文中參考隨附圖式描述實例性具體實例。除非另外明確地陳述，否則在圖式中，組件、特徵、元件等之大小、位置等以及其間的任何距離未必按比例，而是出於清楚之目的而放大。

本文中所使用之術語僅出於描述特定實例性具體實例之目的，且並不意欲為限制性的。如本文所用，除非上下文另外清晰地指出，否則單數形式「一（a/an)」及「該（the）」意欲亦包括複數形式。應認識到，術語「包含（comprises及/或comprising）」在用於本說明書中時指定所陳述之特徵、整體、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除一或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。除非另外說明，否則在敍述值範圍時，值範圍包括該範圍之上限與下限以及在其間之任何子範圍。除非另外指示，否則諸如「第一」、「第二」等術語僅用於區別一個元件與另一元件。舉例而言，一個節點可稱為「第一節點」，且類似地，另一節點可稱為「第二節點」，或反之亦然。本文使用之章節標題僅出於組織目的而不應被視為限制所描述之標的物。

除非另外指示，否則術語「約」、「大約」、「實質上」等意謂量、大小、配方、參數及其他量及特徵並非且不必為精確的，而視需要可為大致的及/或更大或更小，從而反映容限、轉換因素、捨入、量測誤差及其類似者，以及熟習此項技術者已知之其他因素。

空間相對術語，諸如「下方」、「底下」、「下部」「上方」及「上部」及類似者，可在本文中用於簡化描述以描述與另一元件或特徵之一個元件或特徵的關係，如圖中所繪示。應認識到，除圖式中所描繪之方向外，空間相對術語意欲涵蓋不同方向。例如，若圖式中之物件經翻轉，則描述為其他元件或特徵「下方」或「底下」之元件將隨後定向於其他元件或特徵「上方」。因此，例示性術語「下方」可涵蓋「上方」及「下方」之方向兩者。物件可以其他方式定向（例如，旋轉90度或處於其他方向），且本文中所使用的空間相對描述詞相應地進行解釋。

相同編號始終指相同元件。因此，可能在參看其他圖式時描述相同或類似編號，即使這些編號在對應圖式中未提及亦未描述。同樣，即使未經參考數字指示之元件亦可參考其他圖式加以描述。

應瞭解，在不背離本揭示內容之精神及教示的情況下，許多不同形式及具體實例係可能的，且因此本揭示內容不應被認作限於本文中所闡述之實例性具體實例。確切而言，提供此等實例及具體實例，使得本揭示內容將為透徹且完整的，且將向所屬領域中具有通常知識者傳達本發明之範圍。

本發明之具體實例一起藉由以彼此不同的方式設計第一AOD及第二AOD或藉由以不同方式操作第一AOD及第二AOD而避免偏振旋轉之需求，而非藉由RPR及中繼透鏡之相對昂貴且複雜的排列以使多軸光束定位器之AOD之間的偏振面旋轉（亦即，能夠使雷射光之LWIR光束偏轉）。因此，可提供多軸光束定位器，其中無RPR或其他透射波片（在本文中通常被稱作「延遲器」）存在於第一AOD與第二AOD之間。除了簡化AOD之間的光束路徑的複雜度以外，藉由忽略偏振旋轉機制，亦可更快速地組裝及更可靠地操作多軸光束定位器。同樣地，多軸光束定位器之總體光學傳輸可藉由忽略AOD之間的偏振旋轉機制提高。

在下文論述之具體實例中，第一AOD 200及第二AOD 202中之各者可以「縱向模式」或「等向性」AOD提供，其中縱向聲波經由其AO單元傳播，從而使得雷射光之入射光束及繞射光束在AO單元內達到相同（或實質上相同）折射率，且入射的雷射光光束的偏振與雷射光之繞射光束的偏振相同（或實質上相同）。此外，在下文論述之具體實例中，第一AOD 200及第二AOD 202中之各者之AO單元係由結晶鍺形成。如本文所用，當入射於AOD上之雷射光的偏振面平行於（或至少實質上平行於）AOD之繞射軸時，則AOD可被視為處於「平行操作狀態」。同樣地，當入射於AOD上之雷射光的偏振面垂直於（或至少實質上垂直於）AOD之繞射軸時，則AOD可被視為處於「垂直操作狀態」。 I. 具體實例 1

參看圖3，根據本發明之一個具體實例的多軸光束定位器300包括如關於圖2所例示性描述之以光學方式串聯排列的第一AOD 200及第二AOD 202。如上文所指出，第一AOD 200及第二AOD 202之AO單元係由相同材料（亦即，結晶鍺）形成。然而，根據本發明具體實例，第一AOD 200及第二AOD 202中之各者的AO單元係經切割且組裝成其對應的AOD，從而使得AOD之繞射軸平行（或至少實質上平行）於AO單元之[111]晶軸。此外，第一AOD 200及第二AOD 202之AO單元的尺寸相同（或至少實質上相同）。

第一AOD 200包括在其轉換器端附接至第一AOD 200之AO單元的第一複數個轉換器302（例如，如圖所示出之兩個轉換器或更多個轉換器）。同樣地，第二AOD 202包括在其轉換器端附接至第二AOD 202之AO單元的第二複數個轉換器（例如，兩個或更多個轉換器）。通常，共同附接至任何AO單元之轉換器經排列以使得由鄰近轉換器產生之聲波在AO單元內彼此重疊。AOD之轉換器藉由一或多個對應RF電力線電連接至RF功率之源（例如，驅動器304）。例如，第一複數個轉換器（例如，轉換器302）係藉由共同第一RF電力線306a電連接至驅動器304，且第二多個轉換器係藉由共同第二RF電力線306b電連接至驅動器304。

在所繪示之具體實例中，RF驅動器304係可操作以將相同或不同RF信號（例如，就頻率、功率或其類似者或其任何組合而言）輸出至第一RF電力線306a及第二RF電力線306b。因此，有可能在多軸光束定位器300之操作期間，輸出至第一RF電力線306a及第二RF電力線306b之RF信號可彼此相同或彼此不同。然而，在另一具體實例中，第一RF電力線306a及第二RF電力線306b可電連接至不同RF功率之源（亦即，至不同驅動器）。

在所繪示之具體實例中，附接至一共同AO單元之複數個轉換器皆電連接一共同RF電力線。然而，在另一具體實例中，任何複數個轉換器中之兩個或更多個轉換器可電連接至不同RF電力線。此外，不同RF電力線中之至少兩者可電連接至相同RF功率源或不同RF功率源（亦即，至同一驅動器或不同驅動器)。

不同於上文關於圖2所論述之多軸光束定位器，多軸光束定位器300並不包括排列於第一AOD 200與第二AOD 202之間的光束路徑114中以旋轉由第一AOD 200輸出之雷射光之光束的偏振面之機制。相反地，第一AOD 200及第二AOD 202中之一者以平行操作狀態提供而第一AOD 200及第二AOD 202中之另一者以垂直操作狀態提供。鑒於上文所論述之AO單元的材料及配置，具有相對低功率之RF信號可應用於在平行操作狀態下提供之AOD的轉換器302以使AOD以相對高繞射效率繞射LWIR雷射光束。然而，具有相對高功率之RF信號必須施加至以垂直操作狀態提供之AOD的轉換器302以使AOD以類似的高繞射效率繞射LWIR雷射光束。

出於促進論述的目的，將使AOD以合乎需要的高繞射效率繞射雷射光束之所施加RF信號之功率的量在本文中亦稱作「有效功率」，該功率可等於（或幾乎等於）AOD飽和功率（亦即，達成最大繞射效率所需之功率的量）。因此，為達成合乎需要之繞射效率（例如，高於95%或上下），施加至以平行操作狀態提供之AOD之轉換器的RF信號之有效功率將通常低於施加至以垂直操作狀態提供之AOD之轉換器的RF信號之有效功率。

因此，在圖3中所示出之實例性具體實例的情形中，第一AOD 200以平行操作狀態提供且第二AOD 202以垂直操作狀態提供。在此情況下，光束路徑114中之雙箭頭308表示沿著光束路徑114傳播之雷射光束的偏振面。如例示性繪示，入射於各AOD上之雷射光之光束的偏振面平行於（或實質上平行於）沿著光束路徑114自AOD輸出之雷射光之光束的偏振面。此外，偏振面308平行於（或實質上平行於）第一AOD 200之第一繞射軸200a且垂直於（或實質上垂直於）第二AOD 202之第二繞射軸202a。在此實例中，具有相對低有效功率（例如，第一有效功率）之RF信號可應用於第一AOD 200之轉換器302中之各者以使得第一AOD 200以相對高繞射效率（例如，以第一繞射效率）繞射LWIR雷射光束。然而，具有相對高有效功率（例如，第二有效功率）之RF信號必須應用於第二AOD 202之轉換器中之各者以使得第二AOD 202以等於（或約等於）第一繞射效率之第二繞射效率繞射LWIR雷射光束。例如，可以將具有約65 W之第一有效功率的RF信號施加到第一AOD 200的各轉換器（導致向第一AOD 200施加約130 W之RF功率）以獲得來自第一AOD 200之所要繞射效率（例如，95%或更高），且可以將具有在第一有效功率之4至20倍之第二有效功率的RF信號施加到第二AOD 202的各轉換器（導致向第二AOD 202施加約260 W至約1300 W的RF功率）以從第二AOD 202獲得類似的高繞射效率。 II. 具體實例 2

當將具有與上文所描述之第二有效功率（亦即，在具體實例1中）相稱之功率位準的RF信號施加於AOD之轉換器時，有可能可產生足以損傷AOD之不合需要的大量熱量。為了避免或最小化此加熱問題之不利影響，可以使用冷卻套或任何其他適合或已知之熱交換機制自在垂直操作狀態（例如第二AOD 202，如圖3中所示出）下提供之多軸光束定位器300中的AOD提取熱量。

例如，且參看圖4，根據本發明之另一具體實例的多軸光束定位器400可如上文關於多軸光束定位器300所論述的相同方式提供，但進一步包括與第二AOD 202熱接觸之冷卻套402（無冷卻套與第一AOD 200熱接觸）。通常，且在多軸光束定位器400定位於具有處於「室溫」之環境溫度（例如，在處於或約293 K下）的環境中的假設下進行，冷卻套經配置以將第二AOD 202之AO晶體冷卻至低於273.15 K之溫度。

一般技術者應認識到，光學級結晶鍺之熱導率隨其冷卻至低於273.15 K之溫度而增加，從而在進一步冷卻至低於10 K時以顯著速率下降之前，在介於10 K（或上下）與50 K（或上下）之間的溫度範圍內達成最大熱導率。參見例如圖5，其繪示出在低溫下鍺之所量測的熱導率。一般技術者亦應認識到結晶鍺在低於293 K之溫度下亦對具有超音波頻率之縱向聲波具有較低吸收性，從而在低於100 K（或上下）之溫度下達成相對較低聲衰減。參見例如圖6，其繪示出在低溫下縱向及剪切聲波在鍺中之聲衰減。圖5及6中所示出之圖形係獲自D. R. Suhre「多階段聲光調變器（Multi-Stage Acousto-Optic Modulator）」 Proc. SPIE 0999, Laser Radar III（1989年2月18日）。鑒於上文，冷卻套402可以任何已知或適合方式配置以將第二AOD 202冷卻至顯著低於293 K之溫度，諸如冷卻至處於或低於250 K、處於或低於200 K、處於或低於150 K、處於或低於100 K、處於或低於50 K、處於10 K（或上下）等或介於此等值中之任意者之間（例如77 K（或上下）與273.15 k（或上下）之間的溫度）的溫度下。鑒於上文，冷卻套402可通常表徵為包括其中界定有一或多個流體通道的金屬鞘或殼體，各流體通道與一或多個入口及出口埠連通，從而允許冷卻劑流體（例如，液氮、液氦或任何其他已知或合適的致冷劑）被泵送通過，如此項技術中已知。視情況，可提供除濕器（圖中未示出）以防止環繞第二AOD 202之氛圍中之濕氣在第二AOD 202之任何光學表面上冷凝（例如對應於上文關於圖1論述之第一表面102a及/或第二表面102b）。

儘管上文已將多軸光束定位器400論述為包括配置以冷卻如上文所論述之第二AOD 202之AO單元的冷卻套402，但應瞭解，可類似地提供冷卻套以冷卻第一AOD 200之AO單元，即使第一AOD 200係以平行操作狀態提供。 III. 具體實例 3

參看圖7，根據本發明之另一具體實例的多軸光束定位器700可以與上文關於多軸光束定位器300所論述的相同方式提供，但以垂直方向狀態提供之AOD（亦即，圖3中示出之第二AOD 202）的相互作用長度增加至大於以平行方向狀態（亦即，圖3中所示出之第一AOD 200）提供之AOD的相互作用長度。如本文所用，AOD之「相互作用長度」係指可穿過AOD之AO單元傳播的聲波（沿著垂直於（或以其他方式穿過）第一表面102a及第二表面102b延伸通過AO單元的軸量測；沿著由標註「相互作用方向」之雙箭頭指示的方向）之寬度。

因此，圖7中所示出之第二AOD 702之AO單元係由與第一AOD 200之AO單元相同的材料形成，且亦經切割及經組裝成第二AOD 702，使得第二AOD 702之繞射軸平行（或至少實質上平行）於AO單元之[111]晶軸。然而，第二AOD 702之AO單元的長度（如沿著「相互作用方向」標註之雙箭頭指示的方向量測）大於第一AOD 200之AO單元的長度。此外，相比於第一AOD 200，第二AOD 702可包括附接至其AO單元（例如以沿著相互作用方向延伸之圖案線性地排列）的更多轉換器。

根據本發明之具體實例，以垂直方向狀態提供之AOD的相互作用長度（在本文中亦稱為「Lperp」）係比以平行方向狀態提供之AOD的相互作用長度（在本文中亦稱為「Lpara」）大至少1.5倍。亦即，Lperp=n*Lpara，其中n等於或大於1.5（例如，n可為1.5、2、2.5、3、4、5、10、15、20、30等或介於此等值中之任意者之間）。在一個具體實例中，Lpara在17 mm至19 mm範圍內。

藉由增加以垂直方向狀態提供之AOD的相互作用長度，待施加至AOD之各轉換器的RF信號中之有效功率可減少，同時仍自AOD獲得合乎需要的高繞射效率。因此，假定具有第二有效功率之RF信號可施加於多軸光束定位器300中之第二AOD 202的各轉換器以自第二AOD 202獲得所要繞射效率（例如，95%或更高），可藉由將具有第三有效功率之RF信號施加至第二AOD 702之各轉換器而自第二AOD 702獲得類似高繞射效率。在此情況下，第三有效功率通常顯著小於第二有效功率。

在修改第二AOD 202以獲得具有增加之相互作用長度的第二AOD 702之後，由AO單元吸收之LWIR光束中的能量之量（在本文中亦被稱作「光學能量」）亦將增加。光學能量之增加之吸收會導致在AO單元內產生熱量或其他熱梯度，此可能損害AOD或防止藉由AOD進行之準確/可重複光束定位。為了避免或最小化此加熱問題之不利影響，可以使用冷卻套或任何其他適合或已知的熱交換機制（例如，以如上文關於圖4所論述之類似方式）自在垂直操作狀態下提供之AOD提取熱量。

例如，多軸光束定位器700可視情況包括與第二AOD 702熱接觸之冷卻套。通常，且在多軸光束定位器400定位於具有處於「室溫」之環境溫度（例如，在處於或約293 K下）的環境中的假設下進行，冷卻套配置以按至少部分地對應於第二AOD 702之相互作用長度（例如，相對於第二AOD 202之相互作用長度）的量冷卻第二AOD 702之AO晶體。例如，若第二AOD 702之AO單元吸收的光能量為第二AOD 202之AO單元的兩倍（例如，由於第二AOD 702的相互作用長度相對於第二AOD 202的相互作用長度增加），則冷卻套可配置以將第二AOD 702之AO單元冷卻20K（或左右)，亦即，冷卻至從273K（或左右）到278K（或左右）範圍內之溫度，假設第二AOD 702排列在具有在「室溫」之環境溫度的環境中。

儘管多軸光束定位器700已在上文論述為包括具有增加之相互作用長度的第二AOD 702（相對於圖3中所示出之第二AOD 202），應瞭解多軸光束定位器700之第一AOD 200可同樣經修改以具有增加之相互作用長度（例如相對於圖3中所示出之第一AOD 200）。同樣地，可類似地提供冷卻套以冷卻第一AOD 200之AO單元且補償由於增加之相互作用長度而產生的任何熱效應。 IV. 具體實例 4

如本文所用，結晶鍺AO單元經切割且組裝使得AO單元之[111]晶軸平行或垂直於（或至少實質上平行或垂直於）AOD之繞射軸的AOD在本文中稱作「[111]定向AOD」。同樣地，結晶鍺AO單元經切割且組裝從而使得AO單元之[100]晶軸平行或垂直於（或至少實質上平行或垂直於）AOD之繞射軸的AOD在本文中稱作「[100]定向AOD」。根據本發明之又一具體實例的多軸光束定位器可以如上文具體實例中之任一者中所描述的任何方式提供，但以垂直操作狀態提供之AOD的AO單元為[100]定向AOD。

當以相同RF功率驅動時，以垂直操作狀態提供之[100]定向AOD可以比垂直操作狀態提供之其他等效[111]定向AOD高的繞射效率操作。因此，若圖3中所示出之第二AOD 202經修改以作為[100]定向AOD提供，則經修改之第二AOD 202可在低於第二有效功率之有效功率下操作以達成等於（或約等於）第一繞射效率之第二繞射效率。若圖4中所示出的第二AOD 202經修改以作為[100]定向AOD提供，則經修改之第二AOD 202的AO單元應冷卻達到的溫度可提高。視情況，若圖7中所示出之第二AOD 702經修改以提供為[100]定向AOD，則經修改之第二AOD 702的相互作用長度不必增加至如上文圖7中所論述之程度。 V. 額外具體實例

儘管上文已論述前述具體實例中之任一者的第二AOD可提供為[100]定向AOD，但前述具體實例中之任一者的第一AOD可同樣提供為[100]定向AOD。因此，在前述具體實例中之任一者中的第一AOD及第二AOD中之一者或兩者可提供為[100]定向AOD。

通常，前述具體實例之第一AOD及第二AOD係以顯著大於其可操作用以繞射之雷射光之光束中光之波長的某一距離彼此間隔開。然而，在其他具體實例中，前述具體實例中之任一者的第一AOD及第二AOD可以小於或等於雷射光之光束中光之波長的距離彼此間隔開。在此意義上，第一AOD及第二AOD例如可視為彼此「光學接觸」。第一AOD及第二AOD可藉由任何已知或其他合適之技術彼此光學接觸。例如，第一AOD及第二AOD可根據擴散接合製程或其類似製程藉由根據熔合接合製程將第一AOD與第二AOD接合而彼此光學接觸。在另一實例中，第一AOD及第二AOD可藉由拋光、清潔及物理接觸第一AOD及第二AOD之表面而彼此光學接觸。作為對前述技術之替代或除這些前述技術外，亦可使用其他光學接觸技術，諸如：溶液輔助之直接接合、化學活化之直接接合或其類似方法或其任何組合。在另一實例中，第一AOD與第二AOD可藉由將這些AOD夾持於彼此而光學接觸。

此外，儘管上文所論述之具體實例將第一AOD 200及第二AOD 202中之各者的AO單元描述為由結晶鍺形成，但應瞭解，第一AOD 200及第二AOD 202中之各者的AO單元可由在縱向模式AOD中採用的任何其他材料（例如，石英、熔融矽石、LiNbO ₃、GaAs等）形成。 VI. 結論

前述內容說明本發明之具體實例及實例，且不應解釋為對其之限制。雖然已參看圖式描述幾個特定具體實例及實例，但所屬領域中具通常知識者將易於瞭解，對所揭示具體實例及實例以及其他具體實例的諸多修改在不顯著背離本發明之新穎教示及優點的情況下為可能的。相應地，所有此類修改意欲包括於如申請專利範圍中所界定的本發明之範圍內。舉例而言，所屬領域中具通常知識者將瞭解，任何句子、段落、實例或具體實例之主題可與其他句子、段落、實例或具體實例中之一些或全部的主題組合，除非此等組合彼此互斥。本發明之範圍因此應由以下申請專利範圍判定，且這些申請專利範圍之等效物包括於本發明之範圍中。

100:聲光偏轉器 102:聲光介質 102a:第一表面 102b:第二表面 104:轉換器 106:聲學吸收器 108:RF驅動器 110:箭頭 112:線 114:光束路徑 200:第一聲光偏轉器 200a:第一繞射軸 200b:第一旋轉軸 202a:第二繞射軸 202:第二聲光偏轉器 202b:第二旋轉軸 204:二維掃描場 300:多軸光束定位器 302:轉換器 304:驅動器 306a:第一RF電力線 306b:第二RF電力線 308:雙箭頭 400:多軸光束定位器 402:冷卻套 700:多軸光束定位器 702:第二聲光偏轉器

[圖1]示意地繪示一聲光偏光器（AOD）及其操作。

[圖2]示意地繪示併入以光學方式串聯排列之一對AOD的一多軸光束定位器。

[圖3、4及7]示意性地繪示根據本發明之一些具體實例的多軸光束定位器。

[圖5]繪示在低溫下鍺之所量測之熱導率的圖形。

[圖6]繪示在低溫下縱向及剪切聲波在鍺中之聲衰減的圖形。

114:光束路徑

200:第一聲光偏轉器

200a:第一繞射軸

200b:第一旋轉軸

202:第二聲光偏轉器

202a:第二繞射軸

202b:第二旋轉軸

300:多軸光束定位器

302:轉換器

304:驅動器

306a:第一RF電力線

306b:第二RF電力線

308:雙箭頭

Claims (17)

1. 一種多軸光束定位器，其可操作以使雷射光傳播所沿光束路徑沿著多個軸偏轉，該光束定位器包含： 第一聲光偏轉器及第二聲光偏轉器，彼此以光學方式串聯排列， 其中該第一聲光偏轉器經排列及配置以使該光束路徑沿該多軸光束定位器之第一軸偏轉， 其中該第二聲光偏轉器經排列且配置以使該光束路徑沿該多軸光束定位器之第二軸偏轉， 其中該第一聲光偏轉器及該第二聲光偏轉器中之各者具有聲光單元及附接至該聲光單元之轉換器， 其中該第一聲光偏轉器之該聲光單元係由與該第二聲光偏轉器之該聲光單元相同的材料形成，且 其中該第一聲光偏轉器與該第二聲光偏轉器係不同地配置。
2. 一種多軸光束定位器，其可操作以使雷射光傳播所沿光束路徑沿著多個軸偏轉，該光束定位器包含： 第一聲光偏轉器及第二聲光偏轉器，彼此以光學方式串聯排列， 其中該第一聲光偏轉器經排列及配置以使該光束路徑沿該多軸光束定位器之第一軸偏轉， 其中該第二聲光偏轉器經排列且配置以使該光束路徑沿該多軸光束定位器之第二軸偏轉， 其中該第一聲光偏轉器及該第二聲光偏轉器係縱向模式聲光偏轉器，且 其中該第一聲光偏轉器與該第二聲光偏轉器之間不存在延遲器。
3. 如請求項1或2之光束定位器，其中 該第一聲光偏轉器之該聲光單元係由與該第二聲光偏轉器之該聲光單元相同的材料形成， 該第一聲光偏轉器之繞射軸至少實質上平行於由形成該第一聲光偏轉器之該聲光單元之材料形成的第一晶軸，且 該第二聲光偏轉器之繞射軸至少實質上垂直於由形成該第二聲光偏轉器之該聲光單元之材料形成的該第一晶軸。
4. 如請求項1或2之光束定位器，其中該第一聲光偏轉器及該第二聲光偏轉器各包括由結晶鍺形成之聲光單元。
5. 如請求項4之光束定位器，其中該第一聲光偏轉器之繞射軸至少實質上平行於該第一聲光偏轉器之該聲光單元的[111]晶軸。
6. 如請求項5之光束定位器，其中該第一聲光偏轉器之繞射軸至少實質上垂直於該第一聲光偏轉器之該聲光單元的[111]晶軸。
7. 如請求項1或2之光束定位器，其中 該第一聲光偏轉器之該聲光單元係由與該第二聲光偏轉器之該聲光單元相同的材料形成， 該第一聲光偏轉器之繞射軸至少實質上平行於由形成該第一聲光偏轉器之該聲光單元之材料形成的第一晶軸，且 該第二聲光偏轉器之繞射軸至少實質上垂直於由形成該第二聲光偏轉器之該聲光單元之材料形成的第二晶軸。
8. 如請求項1或2之光束定位器，其中該第二聲光偏轉器之繞射軸至少實質上平行於該第二聲光偏轉器之該聲光單元的[100]晶軸。
9. 如請求項1或2之光束定位器，其進一步包含熱耦接至該第二聲光偏轉器之熱交換機制，其中該熱交換機制係可操作以自該第二聲光偏轉器移除熱量。
10. 如請求項9之光束定位器，其中該熱交換機制係可操作以將該第二聲光偏轉器之該聲光單元冷卻至低於250 K之溫度。
11. 如請求項10之光束定位器，其中該溫度係低於200 K。
12. 如請求項10之光束定位器，其中該溫度係高於10 K。
13. 如請求項1或2之光束定位器，其進一步包含除濕器，該除濕器可操作以防止環境濕氣在選擇從由該第一聲光偏轉器及該第二聲光偏轉器組成之群中的至少一者的光學表面上冷凝。
14. 如請求項1或2之光束定位器，其中該第二聲光偏轉器之相互作用長度係與該第一聲光偏轉器之相互作用長度相同。
15. 如請求項1或2之光束定位器，其中該第二聲光偏轉器之相互作用長度不同於該第一聲光偏轉器之相互作用長度。
16. 如請求項1或2之光束定位器，其中該第一聲光偏轉器之該聲光單元與該第二聲光偏轉器之該聲光單元光學接觸，使得該第一聲光偏轉器及該第二聲光偏轉器之這些聲光單元的光學接觸表面按等於或小於可由該第一聲光偏轉器及該第二聲光偏轉器繞射之光之波長的距離間隔開。
17. 一種多軸光束定位器，其包含： 第一聲光偏轉器及第二聲光偏轉器，彼此以光學方式串聯排列；及 熱交換器，其耦接至該第二聲光偏轉器， 其中該第一聲光偏轉器經排列及配置以使該光束路徑沿該多軸光束定位器之第一軸偏轉； 其中該第二聲光偏轉器經排列且配置以使該光束路徑沿該多軸光束定位器之第二軸偏轉， 其中該第一聲光偏轉器及該第二聲光偏轉器中之各者具有聲光單元及附接至該聲光單元之轉換器， 其中該第二聲光偏轉器之該聲光單元係由結晶鍺形成，且 其中至少一個熱交換器配置以將該第二聲光偏轉器之該AO單元維持在比該第一聲光偏轉器之該聲光單元之溫度低的溫度下。