JPH0668035U - 音響光学偏向器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回折光の偏光角度または分離角を大きく広げ
ると共に高速角度変調が可能な応答性に優れた音響光学
偏向器を提供する。 【構成】 ブラッグ回折条件を満たす音響光学媒体１１
を用いてレーザ入射光を回折させる音響光学偏向器であ
る。音響光学媒体１１の回折光側１１Ａに１または２以
上のプリズム１５，２１，２２を配設する。音響光学媒
体１１はモリブデン酸鉛単結晶等のブラッグ回折条件を
満たす硝子または単結晶で構成される。使用レーザ光に
対して透光性を有するプリズム１５，２１，２２を用
い、プリズム角は３０度以上に設定する。プリズム１
５，２１，２２によって回折光の偏向角度または分離角
を大きくすることができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ポリゴンミラーやガルバノミラー等の角度変調の代用、レーザ顕微 鏡やスペクトラムアナライザや音響光学フィルタ等の高速分光に応用される音響 光学偏向器に関し、特にブラッグ回折条件を満たす音響光学媒体を用いて０次回 折光と１次以上の回折光とのなす角度である偏向角度を大きく設定できる音響光 学偏向器に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来の音響光学偏向器は、大きな角度変調を得るために二酸化テルル（ＴｅＯ₂ ）単結晶を用いる異方ブラッグ回折を主に利用していた。この結晶は、ある結 晶軸から一定の角度だけ傾斜した面から横波超音波を発生させると、その進行方 向は軸から大きく傾斜するという特異な性質がある。

【０００３】 図４に代表的な異方ブラッグ回折音響光学偏向器を示す。図中の１は音響光学 媒体である。この音響光学媒体１は前記二酸化テルル単結晶で構成されている。 ２はｆ₁〜ｆ₂の周波数を持つ発振器である。３は音響光学媒体１に当接され発振 器２からの周波数信号により音響光学媒体１内に超音波を伝達するトランジュー サである。二酸化テルル単結晶は超音波の波面法線方向が［１１０］軸から５度 傾くと、超音波の進行方向、即ちエネルギーの伝搬方向は約４５度傾く（図中の 矢印４の方向）。［１１０］軸進行［１１０］軸変位の横波弾性波は、弾性定数 （Ｃ₁₁−Ｃ₁₂）／２が小さいため、音速が616m/secと極めて遅い。レーザ入射光 ５が音響光学媒体１に入射し、発振器２の周波数をｆ₁からｆ₂の範囲で駆動する と、０次回折光６の他にｆ₁で回折された一次回折光７及びｆ₂で回折された一次 回折光８が得られる。このｆ₁とｆ₂による一次回折光８のなす角が分離角である 。なお、９は音響光学媒体１に貼設された吸音材である。

【０００４】 ところで、発振器２の周波数をｆ、レーザ光波長をλ、音響光学媒体１中の音 速をｖとすると、０次回折光と一次回折光の角度変位δθは、δθ＝λｆ／（２ ｖ）の式で近似される。角度変位δθを大きくするには音響光学媒体１中の音速 ｖが遅いほどよく、この点で二酸化テルル単結晶の［１１０］軸進行［１１０］ 軸変位の横波弾性波は優れている。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、従来の音響光学偏向器では以下のような問題がある。

【０００６】 （１） 従来の音響光学偏向器は前述のように異方ブラッグ回折条件を満たす音 響光学媒体１を用いて構成されているが、この音響光学偏向器で高い回折効率を 得るためにはレーザ入射光を特定の偏光状態（円偏光）にしておかなければなら ない。さらにこれによる回折光は入射光と異なった偏光状態となる。即ち、レー ザ入射光としては右回り（あるいは左回り）の円偏光が要求され、これによる回 折光は逆に左回り（あるいは右回り）の円偏光となる。このため、使用するレー ザ光源を円偏光にする必要があるが、レーザ光源の偏光状態は直線偏光となって いるのが一般的であり、この直線偏光を円偏光にするには高額な波長板（λ／４ 板）を用いなければならない。この結果、部品コストが嵩む。

【０００７】 （２） また、回折光は入射光と反対の円偏光になるので、使用条件が制限され る。

【０００８】 （３） 一般に、音響光学偏向器の応答性は超音波がレーザ光のビームを横切る のに要する時間（アクセス時間τ）が速いほどよい。アクセス時間τ、レーザ光 のビーム径Ｄ及び音響光学媒体１中の音速ｖとの間にはτ＝Ｄ／ｖの関係があり 、音速ｖが遅いほどアクセス時間τは遅くなる。これは、高速でレーザ光を角度 変調する目的に反する。これに対して前記従来の音響光学媒体１での音速は６１ ６m/secと極めて遅く、角度変位δθを大きくするにはよいが、高速角度変調の 目的には反する。

【０００９】 （４） 異方ブラッグ回折の音響光学媒体１は結晶の方位角度の精度がたいへん 厳しいため、歩留り率が悪い。このため、前記波長板と相俟って音響光学偏向器 のコストを上げる原因となる。

【００１０】 本考案は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、第１の目的は高額な波長 板を不要とし、かつ音響光学媒体に歩留り率の高い材料を用いてコスト低減を図 ることにある。第２の目的は入射光として直線偏光を利用できると共に回折光を 直線偏光にして使用条件の制限を解消することにある。第３の目的は高速角度変 調が可能な応答性に優れた音響光学偏向器を提供することになる。第４の目的は 異方ブラッグ回折を用いず、ブラッグ回折を用いて大きな値の角度変調が得られ る音響光学偏向器を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上述の課題を解決するために、本考案にかかる音響光学偏向器は、 （１） ブラッグ回折条件を満たす音響光学媒体を用いてレーザ入射光を回折さ せると共に周波数を調整して回折光の回折角を変える音響光学偏向器において、 前記音響光学媒体の１次または２次以上の回折光出射側に、当該回折光の進行 方向を変える１個または２個以上のプリズムを配設し、０次回折光に対する偏向 角度、または前記周波数の違いによる回折光の分離角を大きく広げることを特徴 とする構成とした。

【００１２】 （２） 構成１の音響光学偏向器において、 音響光学媒体がブラッグ回折条件を満たす硝子または単結晶で構成されたこと を特徴とする構成とした。

【００１３】 （３） 構成１または２の音響光学偏向器において、 プリズムが使用レーザ光に対して透光性を有し、かつそのプリズム角が３０度 以上に構成されたことを特徴とする構成とした。

【００１４】

【作用】

上述の構成１によれば、音響光学媒体の回折光出射側に配設したプリズムによ って回折光の偏向角度または分離角を大きくすることができる。構成２によれば 、音響光学媒体をブラッグ回折条件を満たす硝子または単結晶で構成するため、 使用条件の制限が少ない直線偏光を効率的に得ることができる。構成３によれば 、使用レーザ光に対して透光性を有しかつそのプリズム角が３０度以上に構成さ れたプリズムを使用することにより、回折光の効率的な角度偏光が可能になる。

【００１５】

【実施例】

以下、本考案の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１６】 ［第１実施例］ 図１は本考案の第１実施例に係る音響光学偏向器を示す断面図である。

【００１７】 図中の１１は音響光学媒体である。この音響光学媒体１１はモリブデン酸鉛（ ＰｂＭｏＯ₄）単結晶によって構成されている。このモリブデン酸鉛単結晶は音 響光学媒体としての性能指数が高い。即ち、モリブデン酸鉛単結晶は超音波吸収 係数が比較的低いため駆動周波数として500ＭＨｚくらいまで動作が可能で、音 速は3630m/secと速い。常光線屈折率と異常光線屈折率との差である複屈折率が 小さく、レーザ入射光の偏光状態の違いによる回折効率の変化量が極めて少ない 。

【００１８】 １２は発振器である。この発振器１２はその周波数を60ＭＨｚ（ｆ₁）から100 ＭＨｚ（ｆ₂）まで変化できるように設定されている。１３は音響光学媒体１１ に当接されたトランスジューサで、発振器１２に電気的に接続されこの発振器１ ２からの前記周波数信号によって音響光学媒体１１内に超音波を伝搬させる。１ ４は音響光学媒体１１に当接された吸音材である。

【００１９】 音響光学媒体１１に入射したレーザ光が出射する面である出射面１１Ａ（図１ においては右側面）側には音響光学媒体１１からの回折光の進行角度を偏光させ るためのプリズム１５が設けられている。プリズム１５の屈折率ｎは偏向させた い角度に合せて適宜設定する。音響光学媒体１１とプリズム１５との距離は適宜 設定する。プリズム１５はその角度を利用するだけなので、動作上において距離 は問題にならないが、音響光学偏向器の小型化のためにはプリズム１５をできる だけ音響光学媒体１１に近接させて設けた方がよい。なおここでは、プリズム１ ５の主断面ＡＢＣのうち、光の入射側面ＡＢと出射側面ＡＣとのなす頂角（∠Ｂ ＡＣ）をプリズム角という。このプリズム角や、プリズム１５の材料（使用レー ザ光に対するプリズム１５の屈折率等）や、レーザ光のプリズム１５への入射角 等の条件は、大きな角度変調を得るために、屈折の法則や幾何光学の関係を満足 しなければならない。即ち、プリズム角をφ、入射側面ＡＢでの入射角（面ＡＢ へ入射する光の進行方向と面ＡＢの法線方向とのなす角）をｉ₁、屈折角（面Ａ Ｂで屈折した光の進行方向と面ＡＢの法線方向とのなす角）をｒ₁、出射側面Ａ Ｃでの入射角をｒ₂、屈折角をｉ₂とし、さらに入射側面ＡＢへの入射光の方向と 出射側面ＡＣからの出射光の方向とのなす角である振れ角をψとすると、屈折の 法則や幾何光学の関係によって以下の関係式が得られる。

【００２０】 ［入射側面ＡＢ］ sinｉ₁＝ｎsinｒ₁ ［入射側面ＢＣ］ sinｉ₂＝ｎsinｒ₂ ［プリズム角］ φ＝ｒ₁＋ｒ₂ ［振れ角］ ψ＝ｉ₁＋ｉ₂−φ 一方、プリズム１５の屈折率をｎ＝1.52、プリズム角φを45度とすると、入射 側面ＡＢへの入射角ｉ₁の変化と振れ角ψの変化との間には図２に示す一定の関 係がある。この図２に示す入射角ｉ₁と振れ角ψとの関係曲線から、振れ角ψが 大きくなる程、関係曲線の傾きが大きくなることが分かる。この傾きが大きいと 、入射角ｉ₁の僅かな変化に対して振れ角ψは大きく変化する。即ち、周波数ｆ₁ ＝60ＭＨｚの場合の入射角ｉ₁₁及び屈折角ｉ₂₁と、周波数ｆ₂＝100ＭＨｚの場合 の入射角ｉ₁₂、屈折角ｉ₂₂とにおける振れ角ψの差Δψ｛＝ψ₁−ψ₂＝（ｉ₁₁＋ ｉ₂₁−φ）−（ｉ₁₂＋ｉ₂₂−φ）｝が大きくなる。

【００２１】 レーザ入射光としてＨｅ-Ｎｅレーザからのレーザ光（波長６３３ｎｍ）を使 用すると、音響光学媒体１１による一次回折光の分離角は6.9mrad（約0.4度）で ある。発振器１２の駆動周波数ｆ₁＝60ＭＨｚのときの一次回折光の入射角ｉ₁₁ を６度とすると、振れ角ψ₁＝47.7033度となる。一方、駆動周波数ｆ₂＝100ＭＨ ｚのときの一次回折光の入射角ｉ₁₂は6.4（6＋0.4）度となり、振れ角ψ₂＝44.6 592度となる。このため、振れ角ψの差Δψ＝3.0441度となる。

【００２２】 この結果、発振器１２の駆動周波数をｆ₁（＝60ＭＨｚ）からｆ₂（＝100ＭＨ ｚ）まで周波数変調させると、音響光学媒体１１から出射する一次回折光の分離 角は0.4度であるが、プリズム１５を通過させることで振れ角は３度となり、分 離角の約１０倍になる。

【００２３】 なお、ここで使用したレーザ光は直線偏光である。また、図１では駆動周波数 ｆ₁（＝60ＭＨｚ）での回折、屈折状態のみを示している。

【００２４】 この結果、従来の異方ブラッグ回折条件を満たす音響光学媒体１を用いた音響 光学偏向器のように高額な波長板を必要とせず、レーザ光の偏光面をそのまま用 いることができので、部品コストの低減を図ることができる。また、音響光学媒 体１１の材料であるモリブデン酸鉛単結晶は、結晶成長させる際に比較的大口径 のものが速く引き上がるため、製造コストの低減を図ることができる。さらに、 プリズムはＢＫ−７等の廉価な光学硝子で十分可能である。これらにより、低コ ストの音響光学偏向器提供することができる。

【００２５】 また、音響光学媒体１１へ入射するレーザ光は直線偏光であるので、従来の異 方ブラッグ回折音響光学偏向器に比して使用条件の制限が大幅に緩和する。

【００２６】 プリズム１５を設けその角度増幅作用を利用するので、プリズム１５を用いな い音響光学偏向器に比して約１０倍の角度変調が得られる。

【００２７】 さらに、音響光学媒体１１の音速は、従来の音響光学媒体である二酸化テルル の６倍も速いため、高速応答性に優れた音響光学偏向器を実現できる。

【００２８】 ［第２実施例］ 図３は本考案の第２実施例に係る音響光学偏向器を示す断面図である。

【００２９】 本実施例の音響光学偏向器は音響光学媒体１１の出射面１１Ａ側に前記プリズ ム１５と同様の第１プリズム２１を設け、さらにこの第１プリズム２１の出射側 面ＡＣに第１プリズム２１と同じ材質の第２プリズム２２を設けている。各プリ ズム２１，２２はそれらによるレーザ光の屈折方向が同じになるように、即ち第 １プリズム２１の頂角側を通ったレーザ光が第２プリズム２２でも頂角側を通る ように配列されている。この配列により、全体として角度変位が加算される。

【００３０】 第１プリズム２１のプリズム角をφ₁、入射側面ＡＢでの入射角をｉ₁、屈折角 をｒ₁、出射側面ＡＣでの入射角をｒ₂、屈折角をｉ₂、振れ角をψ₁とすると、屈 折の法則や幾何光学の関係によって以下の関係式が得られる。

【００３１】 ［入射側面ＡＢ］ sinｉ₁＝ｎsinｒ₁ ［入射側面ＢＣ］ sinｉ₂＝ｎsinｒ₂ ［プリズム角］ φ₁＝ｒ₁＋ｒ₂ ［振れ角］ ψ₁＝ｉ₁＋ｉ₂−φ₁ また、第２プリズム２２のプリズム角をφ₂、入射側面ＡＢでの入射角をｉ₃、 屈折角をｒ₃、出射側面ＡＣでの入射角をｒ₄、屈折角をｉ₄、振れ角をψ₂とする と、以下の関係式が得られる。

【００３２】 ［入射側面ＡＢ］ sinｉ₃＝ｎsinｒ₃ ［入射側面ＢＣ］ sinｉ₄＝ｎsinｒ₄ ［プリズム角］ φ₂＝ｒ₃＋ｒ₄ ［振れ角］ ψ₂＝ｉ₃＋ｉ₄−φ₂ 第１プリズム２１の出射側面ＡＣと第２プリズム２２の入射側面ＤＥとのなす 角をδとすると、δ＝ｉ₂＋ｉ₃である。また、第１及び第２プリズム２１，２２ による合成振れ角は前述の式よりψ₁₂＝ψ₁＋ψ₂＝ｉ₁＋ｉ₄＋δ−（φ₁＋φ₂） となる。

【００３３】 前記第１実施例と同様に、各プリズム２１，２２の屈折率をｎ＝_1.52、プリズ ム角φを45度とすると、駆動周波数ｆ₁＝60ＭＨｚの場合の一次回折光が第１プ リズム２１の入射側面ＡＢに入射する入射角ｉ₁を６度とし、第２プリズム２２ の入射側面ＤＥに入射する入射角ｉ₂も６度とすると、駆動周波数ｆ₂＝100ＭＨ ｚの場合との差である合成振れ角は６（３＋３）度となる。

【００３４】 この結果、従来の異方ブラッグ回折条件を満たす媒体を用いた場合に比しても 十分に大きな偏向角度が得られる。

【００３５】 なお、音響光学媒体としてモリブデン酸鉛単結晶を用いたが、本実施例はこれ に限らず、ブラッグ回折条件を満たし音響光学媒体としての性能指数が高いもの であれば、他の材料、例えばブラッグ回折条件を満たす他の結晶（例えばＧａＡ ｓ、ＧａＰｂ、ＴｅＯ₂）や硝子（例えばホーヤ（株）製硝子、ＡＯＴ−５、Ａ ＯＴ−４０１）や水でもよい。

【００３６】 前記角実施例ではプリズム頂角φを４５度としたが、３０度以上であれば、ほ ぼ前記同様の作用、効果を奏することができる。

【００３７】 プリズム１５は三角形に構成したが、この形状に限る必要はなく、多角形等の 他の形状でもよい。

【００３８】 前記各実施例では１個のプリズム１５を設けた場合及び２個のプリズム２１， ２２を設けた場合を例に説明したが、角度変調を行ないたい角度の大きさに応じ て３個以上設けてもよい。

【００３９】

【考案の効果】

以上詳述したように、本考案によれば以下の効果を奏する。

【００４０】 （１）音響光学媒体の回折光側に１個のプリズムを配設したので、異方ブラッグ 回折を用いず、ブラッグ回折を用いて大きな値の角度変調を得ることができる。 （２） 前記プリズムの出射光側に、さらに１または２以上のプリズムを配設し たので、さらに大きな値の角度変調を得ることができる。

【００４１】 （３） 前記音響光学媒体をブラッグ回折条件を満たす硝子または単結晶で構成 したので、使用条件の制限が少ない直線偏光を効率的に得ることができる。

【００４２】 （４） プリズムが使用レーザ光に対して透光性を有し、かつそのプリズム角が ３０度以上に構成したので、回折光の効率的な角度偏光が可能になる。

【００４３】 （５） ブラッグ回折を用いて高額な波長板を不要とし、かつ音響光学媒体に歩 留り率の高い材料を用いるので、コスト低減を図ることことができる。

【００４４】 （６） 音響光学媒体として音速の速い材料を使用することができるので、高速 角度変調が可能になり、応答性に優れた音響光学偏向器を提供することができる 。

【提出日】平成５年３月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３５】 なお、音響光学媒体としてモリブデン酸鉛単結晶を用いたが、本実施例はこれ に限らず、ブラッグ回折条件を満たし音響光学媒体としての性能指数が高いもの であれば、他の材料、例えばブラッグ回折条件を満たす他の結晶（例えばＧａＡ ｓ、ＧａＰｂ、ＴｅＯ₂ ）や硝子（例えばホーヤ（株）製硝子、ＡＯＴ−５、Ａ ＯＴ−４０）や水でもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１実施例に係る音響光学偏向器を示
す概略構成図である。

【図２】プリズムへの入射角に対する振れ角の関係を示
すグラフである。

【図３】本考案の第２実施例に係る音響光学偏向器を示
す概略構成図である。

【図４】従来の音響光学偏向器を示す概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１１…音響光学媒体、１２…発振器、１３…トランスジ
ューサ、１５…プリズム、２１…第１プリズム、２２…
第２プリズム。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ブラッグ回折条件を満たす音響光学媒体
   を用いてレーザ入射光を回折させると共に周波数を調整
   して回折光の回折角を変える音響光学偏向器において、 前記音響光学媒体の１次または２次以上の回折光出射側
   に、当該回折光の進行方向を変える１個または２個以上
   のプリズムを配設し、０次回折光に対する偏向角度、ま
   たは前記周波数の違いによる回折光の分離角を大きく広
   げることを特徴とする音響光学偏向器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の音響光学偏向器におい
   て、 前記音響光学媒体がブラッグ回折条件を満たす硝子また
   は単結晶で構成されたことを特徴とする音響光学偏向
   器。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の音響光学偏向
   器において、 前記プリズムが使用レーザ光に対して透光性を有し、か
   つそのプリズム角が３０度以上に構成されたことを特徴
   とする音響光学偏向器。