聲光偏轉器——用于偏轉和掃描激光束的聲光裝置

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。

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。

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。

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）。在大多數應用中，非衍射（零級）光束不可用。希望不僅對于某些最佳驅動頻率而且在相當大的頻率范圍內實現高衍射效率。

掃描速度

角度掃描的速度可能受到電子驅動器或聲光設備的限制——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，人們經常在偏轉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器，因為這會暫時降低驅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。

指向穩定性

所獲得的波束方向的穩定性受到所用射頻驅動器的穩定性的限制。這種驅動器通常獲得轉換為驅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制器，這種漂移對波束方向的影響更大。

聲光偏轉器的應用

典型應用是那些需要非常精細且可能快速偏轉激光束的應用；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的衍射角，例如結合光電二極管陣列來分析光譜）

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