聲光偏轉(zhuǎn)器——用于偏轉(zhuǎn)和掃描激光束的聲光裝置

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(yùn)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(jì)算為大約θ=λf/ν,其中λ是光學(xué)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(jì)算，但對于與應(yīng)用相關(guān)的外角，需要使用真空波長。）結(jié)果也可以被認(rèn)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(jì)算更加復(fù)雜。

圖 2： 聲光偏轉(zhuǎn)器。

產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角通常非常小，因?yàn)槁暡úㄩL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(diǎn)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?yàn)樗荒鼙皇褂谩?/p>

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(xué)設(shè)計(jì)；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?yàn)檫@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(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)低于 1 km/s = 1 mm/μs 的相當(dāng)?shù)偷穆曀佟?/p>

衍射光束的光學(xué)頻率的輕微修改通常與光束偏轉(zhuǎn)器的應(yīng)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(dǎo)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(shí)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(jìn)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(shí)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(dāng)小——幾度。這是因?yàn)榭捎玫穆暡úㄩL遠(yuǎn)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(dāng)然，可以使用附加的光學(xué)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(yuǎn)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(diǎn)，聚焦光束后）的數(shù)量。最小光束發(fā)散通過最大化實(shí)現(xiàn)光束半徑的的準(zhǔn)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(yīng)在輸入光束不必要的強(qiáng)聚焦下運(yùn)行。另一方面，太大的輸入光束會導(dǎo)致衍射效應(yīng)，這也可能對應(yīng)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(yīng)與超快激光物理學(xué)的時間-帶寬乘積混淆。

衍射效率

一個重要的性能指標(biāo)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(yīng)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(dāng)大的頻率范圍內(nèi)實(shí)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(yīng)，即激光束的不同部分在某一時刻被反射到不同的方向，因?yàn)樗鼈冊诼暪獠牧现锌吹讲煌穆曇纛l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(jìn)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?yàn)檫@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(yīng)用

典型應(yīng)用是那些需要非常精細(xì)且可能快速偏轉(zhuǎn)激光束的應(yīng)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(xué)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）

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