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激光組件與材料

聲光偏轉(zhuǎn)器——用于偏轉(zhuǎn)和掃描激光束的聲光裝置

來源:新特光電2021-07-07 我要評論(0 )   

聲光偏轉(zhuǎn)器是一種設(shè)備,可用于將激光束偏轉(zhuǎn)一個方向,角度可變,由電信號的頻率控制?!   D 1: 非諧振聲光調(diào)制器的示意圖設(shè)置。的換能器產(chǎn)生聲波,在其中光束被部...

聲光偏轉(zhuǎn)器是一種設(shè)備,可用于將激光束偏轉(zhuǎn)一個方向,角度可變,由電信號的頻率控制。

  

  圖 1: 非諧振聲光調(diào)制器的示意圖設(shè)置。的換能器產(chǎn)生聲波,在其中光束被部分地衍射。衍射角被夸大了;它通常只有 1° 的數(shù)量級。

  本質(zhì)上,這種設(shè)備是一種聲光調(diào)制器,它以恒定功率但頻率可變的電驅(qū)動信號運行。衍射光束的方向由布拉格條件決定,該條件包含聲波波長,因此取決于聲頻。對于各向同性介質(zhì),偏轉(zhuǎn)角是布拉格角的兩倍,可以從布拉格條件計算為大約θ=λf/ν,其中λ是光學真空波長,f是驅(qū)動頻率(等于聲頻),v是聲光材料中聲波的速度。(在材料內(nèi)部,角度需要用材料內(nèi)部的光波長來計算,但對于與應用相關(guān)的外角,需要使用真空波長。)結(jié)果也可以被認為是光波長與聲波長之比;后者是v ?/? f,通常在 10 μm 和 100 μm 之間。

  對于各向異性衍射(例如在雙折射介質(zhì)中),尤其對于光束偏轉(zhuǎn)器具有優(yōu)勢,計算更加復雜。

  

  圖 2: 聲光偏轉(zhuǎn)器。

  產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角通常非常小,因為聲波波長比光波波長長得多。例如,對于熔融石英中的 1064 nm 激光束,縱波聲速為 5.9 km/s,調(diào)制頻率為 100 MHz(其中聲波波長為 59 μm),獲得的角度為 18 mrad ≈ 1°。這很小,但仍然大約是光束發(fā)散角的10 倍,對于焦點中具有 200 μm光束半徑的高斯光束。

  零級(非衍射)光束通常被光束轉(zhuǎn)儲器阻擋,因為它不能被使用。

  所使用的聲光器件原則上可以與普通的AOM相同,只是所使用的電子驅(qū)動器(見下文)不同。但是,該設(shè)備可以優(yōu)化為寬范圍光束偏轉(zhuǎn)器:

  它可以制作成在很寬的聲頻范圍內(nèi)工作。這種推理不包括共振聲學設(shè)計;需要使用一端帶有壓電換能器,另一端帶有吸聲器的聲光晶體器件,如圖1所示。衍射過程的相位匹配(對于變量不能完美保持)聲頻)也需要考慮。在某些情況下,使用各向異性衍射,例如使用 TeO 2晶體中的剪切波,可以獲得特別寬的頻率范圍。

  可以選擇一種具有低聲速的材料,因為這可以最大化給定范圍的聲頻的角度范圍,正如從上面的等式中可以看出的。對于剪切波(與縱波相反),例如在 TeO 2中,實現(xiàn)了遠低于 1 km/s = 1 mm/μs 的相當?shù)偷穆曀佟?/p>

  衍射光束的光學頻率的輕微修改通常與光束偏轉(zhuǎn)器的應用無關(guān)。

  通過組合兩個正交安裝的聲光偏轉(zhuǎn)器,可以在二維方向上控制激光束。

  光束導向偏轉(zhuǎn)器

  通常,聲波的方向是恒定的,即不依賴于聲音頻率。然而,存在基于聲波束控制的偏轉(zhuǎn)器,其中控制聲波的方向,從而可以實現(xiàn)更廣泛的掃描角度和幾乎恒定的衍射效率。這是通過使用帶有電極陣列的聲換能器來完成的,這些電極由不同的電相位驅(qū)動。

  光束偏轉(zhuǎn)器的射頻驅(qū)動器

  與聲光調(diào)制器相比,光束偏轉(zhuǎn)器需要具有恒定驅(qū)動功率但可變頻率的射頻驅(qū)動器。通常,它包含一個壓控振蕩器 (VCO),其頻率可以通過模擬輸入驅(qū)動信號進行調(diào)整。如果頻率與驅(qū)動電壓呈線性關(guān)系,則同樣適用于光束方向的良好精度。

  為了在大頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)幾乎恒定的衍射效率,可能必須增加極端頻率的驅(qū)動功率。

  對于恒定輸入信號,高頻穩(wěn)定性對于獲得穩(wěn)定的輸出光束方向很重要。

  為了驅(qū)動光束控制偏轉(zhuǎn)器,需要多個具有不同相位的 RF 輸出。

  基本設(shè)備和性能數(shù)據(jù)

  角度范圍和分辨率

  如上所述,衍射輸出光束的角度范圍受聲頻(=驅(qū)動頻率)的適用范圍限制,并且與材料中的聲速成反比。通常,偏轉(zhuǎn)角的可用范圍相當小——幾度。這是因為可用的聲波波長遠長于光波波長。然而,角度范圍可能比光束發(fā)散角大得多。當然,可以使用附加的光學元件來放大角度范圍,例如使用同時減小光束半徑并增加光束發(fā)散度的望遠鏡。

  掃描分辨率一般理解為掃描角度范圍與光束發(fā)散角的比值;它類似于可以解決的不同方向(或點,聚焦光束后)的數(shù)量。最小光束發(fā)散通過最大化實現(xiàn)光束半徑的的準直輸入光束(由限定孔,同時保持高(理想尺寸)衍射限制的)光束質(zhì)量。因此,AO 偏轉(zhuǎn)器通常不應在輸入光束不必要的強聚焦下運行。另一方面,太大的輸入光束會導致衍射效應,這也可能對應用不利。

  可分辨光斑的數(shù)量也可以理解為孔徑時間(聲波通過激光束的傳播時間)乘以聲頻范圍寬度的乘積。該乘積有時稱為時間-帶寬乘積,不應與超快激光物理學的時間-帶寬乘積混淆。

  衍射效率

  一個重要的性能指標是衍射效率,通常約為 50%(對于更長的光波長,試探性更低)。在大多數(shù)應用中,非衍射(零級)光束不可用。希望不僅對于某些最佳驅(qū)動頻率而且在相當大的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高衍射效率。

  掃描速度

  角度掃描的速度可能受到電子驅(qū)動器或聲光設(shè)備的限制——在后一種情況下,有限的聲速是限制因素。不幸的是,為了獲得大范圍的掃描角度,該速度通常必須最小化。

  對于快速掃描,可以獲得一種透鏡效應,即激光束的不同部分在某一時刻被反射到不同的方向,因為它們在聲光材料中看到不同的聲音頻率。

  孔徑大小

  設(shè)備在開孔的大小方面也有所不同。通常,光圈大小在水平和垂直方向上大不相同。因此,人們經(jīng)常在偏轉(zhuǎn)器之前和之后使用柱面透鏡,以便用橢圓激光束對其進行操作。

  在不需要大光束半徑光束的情況下,通常最好使用小輸入孔徑的偏轉(zhuǎn)器,因為這會暫時降低驅(qū)動功率并提高最大掃描速度。然而,對于最高分辨率(見下文),需要大輸入光束。

  指向穩(wěn)定性

  所獲得的波束方向的穩(wěn)定性受到所用射頻驅(qū)動器的穩(wěn)定性的限制。這種驅(qū)動器通常獲得轉(zhuǎn)換為驅(qū)動頻率的模擬控制電壓,并且該頻率可能會受到熱漂移的影響。對于具有低聲速的調(diào)制器,這種漂移對波束方向的影響更大。

  聲光偏轉(zhuǎn)器的應用

  典型應用是那些需要非常精細且可能快速偏轉(zhuǎn)激光束的應用;一些例子是:

  · 光刻

  · 激光顯示器

  · 光鑷

  · 光束尋址光存儲器

  · 光學檢查

  · 信號處理(通常利用與頻率相關(guān)的衍射角,例如結(jié)合光電二極管陣列來分析光譜)

  新特光電一站式供應多種標準聲光偏轉(zhuǎn)器和RF驅(qū)動器,適用于266-1500 nm的波長,我們的聲光偏轉(zhuǎn)器可在整個掃描角度上提供高度均勻的衍射效率,具有緊湊可靠,寬光譜波長范圍,低功耗,快速切換速度,高分辨率和帶寬,高通量等特點,可提供定制方案。


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