音響光学デフレクター-レーザービームを偏向およびスキャンするための音響光学デバイス

音響光学デフレクターは、電気信号の周波数によって制御される可変角度でレーザービームを一方向に偏向させるために使用できるデバイスです。

非共振音響光学変調器の概略設定。トランスデューサーは、ビームが部分的に回折される音波を生成します。回折角は誇張されており、通常は1°程度です。

本質的に、このデバイスは音響光学変調器であり、一定の電力で可変周波数の電気駆動信号で動作します。回折ビームの方向は、音波の波長を含むブラッグ条件によって決定されるため、音の周波数に依存します。等方性媒体の場合、偏向角はブラッグ角の2倍であり、ブラッグ条件から約θ=λf/νとして計算できます。ここで、λは光真空波長、fは駆動周波数（音響周波数に等しい）、 vは音響光学材料です。音波の速度。 （材料では、材料内の光の波長を使用して角度を計算する必要がありますが、アプリケーション関連の外角については、真空の波長が必要です。）結果は、光の波長と音の波長;後者はv / fで、通常は10μmから100μmの間です。

異方性回折（複屈折媒体など）の場合、特にビームデフレクターの場合、利点があり、計算がより複雑になります。



図2：音響光学デフレクター。

音波の波長は光波の波長よりもはるかに長いため、は通常、によって生成される偏向角は非常に小さくなります。たとえば、フューズドシリカの1064 nmレーザービームの場合、縦波音速は5.9 km / s、変調周波数は100 MHz（音の波長は59μm）、得られる角度は18mrad≈1°です。これは小さいですが、焦点のビーム半径が200μmのガウスビームの場合、ビーム発散角の約10倍です。

ゼロ次（非回折）ビームは、使用できないため、通常、ビームダンパーによってブロックされます。

使用する音響光学機器は、原則として通常のAOMと同じですが、使用する電子ドライバ（下記参照）が異なります。ただし、このデバイスは、広範囲のビームデフレクターとして最適化できます。

広い可聴周波数範囲で動作させることができます。この推論には、共振音響設計は含まれていません。図1に示すように、一端に圧電トランスデューサ、他端に吸音材を備えた音響光学水晶デバイスが必要です。回折プロセスの位相整合（可変可聴周波数に対して完全に維持することはできません）も考慮する必要があります。場合によっては、TeO 2結晶でせん断波を使用するなど、異方性回折を使用すると、特に広い周波数範囲を実現できます。

上記の式からわかるように、特定の範囲の音の周波数の角度範囲を最大化できるため、音速の低い材料を選択することができます。たとえば、縦波ではなくせん断波の場合、TeO 2では、1 km / s = 1mm /μsをはるかに下回るかなり低い音速が達成されます。

回折ビームの光周波数のわずかな変更は、通常、ビームデフレクターの適用とは無関係です。

直交して設置された2つの音響光学デフレクターを組み合わせることにより、レーザービームを2次元で制御することができます。

ビームガイドデフレクター

一般的に、音波の方向は一定です。つまり、音波の周波数に依存しません。しかしながら、音波の方向が制御される音響ビーム制御に基づくデフレクターがあり、その結果、より広い走査角度およびほぼ一定の回折効率を達成することができる。これは、異なる電気的位相によって駆動される電極のアレイを備えた音響変換器を使用することによって行われます。

ビームデフレクター用RFドライバー

音響光学変調器と比較して、ビームデフレクターには、一定の駆動力で周波数が可変の無線周波数ドライバーが必要です。通常、アナログ入力駆動信号で周波数を調整できる電圧制御発振器（VCO）が搭載されています。周波数が駆動電圧と線形関係にある場合、同じことがビーム方向の良好な精度にも当てはまります。

広い周波数範囲でほぼ一定の回折効率を実現するためには、極端な周波数の駆動力を上げる必要があるかもしれません。

一定の入力信号の場合、安定した出力ビーム方向を得るためには高周波の安定性が重要です。

ビーム制御デフレクターを駆動するには、位相の異なる複数のRF出力が必要です。

基本的な設備と性能データ

角度範囲と解像度

上記のように、回折された出力ビームの角度範囲は、音の周波数（=駆動周波数）の適用可能な範囲によって制限され、材料内の音速に反比例します。一般に、偏向角の使用可能な範囲は非常に小さく、数度です。これは、利用可能な音波の波長が光の波の波長よりもはるかに長いためです。ただし、角度範囲はビーム発散角よりもはるかに大きい場合があります。もちろん、追加の光学要素を使用して角度範囲を拡大することもできます。たとえば、望遠鏡はビーム半径を小さくし、ビームの発散を大きくします。

走査分解能は、一般に、走査角度範囲とビーム発散角の比率として理解されます。これは、分解できるさまざまな方向（またはビームの焦点を合わせた後の点）の数に似ています。最小のビーム発散は、ビーム半径を最大化することにより、コリメートされた入力ビーム（高い（理想的なサイズ）回折限界を維持しながらアパーチャによって定義される）ビーム品質を実現します。したがって、AOデフレクターは、通常、入力ビームの不必要に強い集束の下で操作しないでください。一方、入力ビームが大きすぎると、回折効果が発生し、アプリケーションに悪影響を与える可能性があります。

分解可能なスポットの数は、開口時間（レーザービームを通る音波の伝播時間）に音の周波数範囲の幅を掛けたものとして理解することもできます。この製品は、時間帯域幅製品と呼ばれることもあり、超高速レーザー物理学の時間帯域幅製品と混同しないでください。

回折効率

重要な性能指標は回折効率であり、通常は約50％です（光の波長が長いほど、暫定性は低くなります）。ほとんどのアプリケーションでは、非回折（ゼロ次）ビームは使用できません。いくつかの最適な駆動周波数だけでなく、かなりの周波数範囲内でも高い回折効率を達成することが望ましい。

スキャン速度

角度スキャンの速度は、電子ドライバーまたは音響光学デバイスによって制限される場合があります。後者の場合、制限された音速が制限要因になります。残念ながら、広範囲のスキャン角度を取得するには、通常、この速度を最小限に抑える必要があります。

高速スキャンの場合、レンズ効果を得ることができます。つまり、音響光学材料で異なる音の周波数が見えるため、レーザービームのさまざまな部分が特定の瞬間にさまざまな方向に反射されます。

絞りサイズ

開口部の大きさも装置によって異なります。一般的に、アパーチャのサイズは水平方向と垂直方向でかなり異なります。そのため、楕円形のレーザービームでデフレクターを操作するために、デフレクターの前後にシリンドリカルレンズを使用することがよくあります。

大きなビーム半径が必要ない場合は、一時的に駆動力が低下し、最大スキャン速度が上がるため、通常は入力開口の小さいデフレクターを使用するのが最適です。ただし、最高の解像度（以下を参照）には、大きな入力ビームが必要です。

ポインティング安定性

得られたビーム方向の安定性は、使用するRFドライバーの安定性によって制限されます。このタイプのドライバは通常、駆動周波数に変換されたアナログ制御電圧を取得し、周波数は熱ドリフトの影響を受ける可能性があります。音速の低い変調器の場合、このドリフトはビーム方向に大きな影響を与えます。

音響光学デフレクターの応用

典型的なアプリケーションは、レーザービームの非常に細かく、場合によっては急速な偏向を必要とするアプリケーションです。いくつかの例は次のとおりです。

・リソグラフィー

・レーザーディスプレイ

・光ピンセット

・ビームアドレス指定光メモリ

・光学検査

・信号処理（通常、フォトダイオードアレイを組み合わせてスペクトルを分析するなど、周波数に依存する回折角を使用します）

Xinte Optoelectronicsは、波長266〜1500 nmに適したさまざまな標準音響光学デフレクターとRFドライバーをワンストップで供給します。当社の音響光学デフレクターは、スキャン角度全体にわたって非常に均一な回折効率を提供し、コンパクトで信頼性の高いワイドです。スペクトル波長範囲、低消費電力、高速スイッチング速度、高分解能と帯域幅、高スループットおよびその他の特性により、カスタマイズされたソリューションを提供できます。