聲光偏轉器——用于偏轉和掃描激光束的聲光裝置

時間：2021-07-05 來源：新特光電訪問量：3072

聲光偏轉器是一種設備，可用于將激光束偏轉一個方向，角度可變，由電信號的頻率控制。

非諧振聲光調制器的示意圖設置

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

本質上，這種設備是一種聲光調制器，它以恒定功率但頻率可變的電驅動信號運行。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，偏轉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是驅動頻率（等于聲頻），v是聲光材料中聲波的速度。（在材料內部，角度需要用材料內部的光波長來計算，但對于與應用相關的外角，需要使用真空波長。）結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（例如在雙折射介質中），尤其對于光束偏轉器具有優勢，計算更加復雜。

聲光偏轉器

圖 2：聲光偏轉器。

產生的偏轉角通常非常小，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動器（見下文）不同。但是，該設備可以優化為寬范圍光束偏轉器：

它可以制作成在很寬的聲頻范圍內工作。這種推理不包括共振聲學設計；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，實現了遠低于 1 km/s = 1 mm/μs 的相當低的聲速。

衍射光束的光學頻率的輕微修改通常與光束偏轉器的應用無關。

通過組合兩個正交安裝的聲光偏轉器，可以在二維方向上控制激光束。

光束導向偏轉器

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器，其中控制聲波的方向，從而可以實現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動。

光束偏轉器的射頻驅動器

與聲光調制器相比，光束偏轉器需要具有恒定驅動功率但可變頻率的射頻驅動器。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動信號進行調整。如果頻率與驅動電壓呈線性關系，則同樣適用于光束方向的良好精度。

為了在大頻率范圍內實現幾乎恒定的衍射效率，可能必須增加極端頻率的驅動功率。

對于恒定輸入信號，高頻穩定性對于獲得穩定的輸出光束方向很重要。

為了驅動光束控制偏轉器，需要多個具有不同相位的 RF 輸出。

基本設備和性能數據

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）的數量。最小光束發散通過最大化實現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）光束質量。因此，AO 偏轉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。