JPS6232458B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、コヒーレントな光束と制御可能な音
場との相互作用（音響光学効果）を通じ、電気信
号に応じて光束を制御する音響光変調器に関する
ものである。

本発明は、（例えば８ビツトの）デイジタル画
像信号に応じて多くの（例えば８個の）点から成
る画素を制御し、中程度の信号伝送速度を必要と
し、文字及び画像情報のハードコピーを作るに適
したコンピユータ用高速プリンタ・プロツタに関
するものである。

この種の光変調器として、USP3744039および
特公昭53−9856に述べられているパラレル信号を
用いた周波数多重ブラツグ音響光変調器で、同時
に７個の点を露光する事のできる光変調器があつ
た。

しかし、従来から有る超音波光変調器に於て
は、超音波入力が大きく（換言すると、変調電圧
が高く）発熱を起こし回折方向が変化し安定に動
作しなかつた。

本発明の目的は、従来の超音波光変調器をパラ
レル処理に適した光変調器に改造することを目的
とし、 (1) コンパクトな形状で、中間的な１〜10MHzの
速度で動作する (2) 高い透過率で高い消光比を持つ (3) 音響入力が低く、焦点に安定できれいな点を
得る 事である。

本発明の主たる目的は、特に目的(3)にある。

(3)の目的を解決する手掛りとして、本発明の発
明者等により出願された特開昭49−118439に示さ
れている。この特許は、光束のラマン・ナス回折
（光の入射方向が屈折率の空間変調の方向と直角
をなしている）をもたらす電気光学効果に対する
繰返し干渉の及ぼす増倍効果を扱つている。

しかしながら、入射方法の異なるブラツグ条件
が成り立つときに、どのような効果を示すか、全
く不明であつた。

本発明の概略に付て以下説明する。

本発明は、繰り返し干渉を用い音波と光波の相
互作用する長さをまし、変調電圧を下げ音波消費
にもとずく熱的な乱れをなくすることができる。
または制御しうる光点の数を増加することもでき
る。繰り返し干渉を用いる事により変調帯域が狭
くなるが10MHzの周波数では十分使用できる。

次に本発明は、増倍効果をあまり損ねることな
く多数の点を制御するために、入射光束のビーム
巾、繰返し反射回数に付て確立することである。

さらに本発明は、熱膨張により２つの反射膜間
の距離変化による不安定性が増加せず安定に働く
ように、音響固体材料を十分薄く作るために薄膜
製造技術（スパツタリング、電子ビーム蒸着等）
を利用する方法を工夫することにある。

本発明の音響光多重変調器の概要に付て多重干
渉を模式的に表わした第１図を参照して、以下説
明する。

光の屈折率が高く音響光学定数が大きい（例え
ば、LiTaO₃，LiNaO₃，含テルルガラス等）音響
光固体材料３ａは、そのＺ軸に垂直な２つの面
が、光の波長の100分の１またはそれ以上の平行
度および平面度に研磨されている。また、前記研
磨された２つの平面上には、それぞれの屈折率ｎ
_hおよびｎ_lで、ｎ_hとｎ_lの比ができるだけ大きい
２種類の誘電体を、光の波長の４分の１波長ずつ
の厚さで交互に７〜15層蒸着して作られた、誘電
体多層反射膜３b₁および３b₂がそれぞれ取付けて
ある。レーザ光束は、音響光固体材料３ａの厚さ
（反射膜間の間隔）よりも十分大きい直径に拡大
され、前記反射膜の一方に反射膜間を１往復する
光路差が光の波長の整数倍となる角度で入射され
る。トランスジユーサ（図示せず）は、前記反射
膜に垂直な擬似平面波を作り、前記擬似平面波と
垂直で前記反射膜とも垂直な方向へ進行する音波
すなわち音場（点線で図示）を作るために、前記
音響固体材料３ａ上に取付けられている。

また、薄膜製造技術を使用してより薄い音響光
学材料膜を作る方法がある。

まず圧電基板（図示せず）上に誘電体多層反射
膜３b₁を取付け、前記反射膜の上に音響光材料膜
３ａを被膜し、さらにその上に誘電体多層反射膜
３b₂が取付けてある。櫛形電極トランスジユーサ
（図示せず）は、圧電材料の前記反射膜が取付け
られている面上に、取付けられている。櫛形電極
トランスジユーサから放射された圧電基板上の音
響表面波は、圧電基板内のバルク波よりも早く伝
播し、しだいに厚みが変化する領域内を大きな反
射なく通過し、音響光材料内の擬似平面波に変換
する。

これら音波の周波数は、制御する点数：Ｎと同
数の個別の周波数が必要であると共に、すべてが
レーザ光束との間に近似的ブラツグ条件を満たし
隣接する周波数の音波によつて回折された光束が
互いにＮ個に分かれるような周波数間隔を持つ。

本発明は、繰り返し干渉を用い音波と光波との
相互作用する長さをますことにより、前記制御す
る点数Ｎが、入射光束巾Ｗと実効光束巾Woとか
らだけで決まる事に着目し成されたもので、出射
光束巾Woが入射光束の近似ブラツグ条件を満た
す入射角φ_aと、実効繰り返し反射回数：Ｍとか
らだけで決まり、以下説明する。

制御する点数Ｎと、入射光束巾Ｗと、入射光束
の透過光束t₁から入射光束i₇の音響光学材料３ａ
内に透過した光束の強度が、材料３ａ内を往復繰
返し反射しながらそのエネルギー部を反射膜を通
し透過光束とし失ないe²分の１となる透過光束ｔ
_oまでの実効光束巾Woとの間に、 Ｎ＝Ｗ／（4Wo） なる関係を、本発明者が見つけた。

このことは実効光束巾W₀が、ブラツグ条件を
満たす入射光束の入射角と、反射率γにより順次
減衰して行きe²分の１になるまでの実効繰り返し
反射回数Ｍとにより決まり、音響材料板３ａの板
厚が判つていれば、実効繰り返し反射回数Ｍが
（振巾）反射率γとの間にＭ＝γ／（１−γ^２）
なる関係にあり、振巾反射率γを決定すればよい
事を見つけた。

換言すると、制御する点数Ｎが、前記材料板３
ａの板厚と、近似ブラツグ条件を満たす入射角φ
_aと振巾反射率γだけにより決まり、構成が簡単
になる。

本発明の繰返し多重干渉の動作に付て、以下簡
単に説明する。

トランスジユーサに交流電圧が印加されていな
い場合には、音響光学材料板３ａ内に入射した光
束は、材料板３ａ内を繰返し反射しながらＸ軸方
向へ進行波みたいに進み、その進行波の一部が反
射膜３b₂を通過し出射光束t₁〜ｔ_oとなる。その
時の出射光束の強度に付て、1962年12月にL.F.
ジヨンソン（Johnson）およびD.カーング
（Kahng）がアプライド・フイジイクス・ジヤー
ナル（Journal of Applied Physics）の
VOL.33，NO.12の中の、ピエゾエレクトリツ
ク・オプテイカル−メーザ・モジユレータ
（Piezoelectric Optical−Maser Modulator）と
いう文献で詳しく説明されている。その文献の中
のFig−２に示されているように、出射光束は２
πの周期で大きな山と谷とを持ち、反射率が大き
くなるに従つて、山と谷との比率が大きくなる。

ここでトランスジユーサに交流電圧を印加する
と、トランスジユーサにより前記材料板３ａ中に
音波が生じ、その音波が前記材料板３ａ内を伝播
すると共に音場を造る。

光束巾Ｗで、前記材料板３ａ内に入射したコヒ
ーレント光束i₁〜i₇は、前記第１の誘電体多層反
射膜３b₁と前記第２の誘電体多層反射膜３b₂との
間を繰り返し反射を行なう光束となる。その光束
の大部分は、電界のＺ成分が前記第１および第２
の反射膜間の部分的定在光波として表現される光
波となり、その為強い電界を持つている。またそ
の一部は、透過光束t₁〜ｔ_oとなる。前記部分的
定在光波は、前記第１および第２の反射膜間の導
波路を伝播するかの如く、＋Ｘの方向にゆつくり
と進行する進光波であり、実質上減衰するまでに
実効光束巾Woまで進むことができる。前記音場
の波数（Ｋ_a）が前記進行波の波数（Ｋ_x）の実質
上２倍となる関係（Ｋ_a＝2K_x）を満足すれば、
進行波と音場とが効率よく作用し、前記進行波が
各音場によりそれぞれで反射され後進波が生じ
る。ただし、進行波の波数Ｋ_xは空間の光波の波
数Ｋ_p及び入射角をφ_０としてＫ_psinφ_０＝Ｋ_xな
る関係で与えられる。その後進波がそれぞれの前
記音場と作用し、後進波が回折され回折光束γ_１
〜γ_oとなる。回折光束の全体の強度は、前記文
献のFig−２に示されている様に２πの周期を持
ち反射率γを大きくするとするどい山と谷を持ち
大きな強度変化をする。また、反射率γを大きく
とれば、反射回数が多くなり、実効光束巾Woも
大きくなる。音波と光波との相互作用する領域の
巾はＷでなくWoとなるから繰返し干渉による増
倍効果は相互作用長の増倍比（Wo／Ｗ）となつ
てあらわれる。この結果として変調電圧を下げる
ことができるし、また同一の変調電圧を用いれば
制御できる点数を増やすこともできる。

本発明に付て、以下実施例を用いて詳細に説明
する。

第２図は、含テルルガラス板（部品名：テルラ
イトガラス）が音響光材料板として用いられてい
る本発明の第１実施例を模式的に示した図であ
る。

第２図ａに於て、１は6.3mmの入射光束の直径
Ｗを得るためのビーム拡大器をもち、波長が
0.442μｍの光を出すHe−Cdレーザである。この
出力ビームは1.346ミリラジアンの無電界下の入
射角φ_a0を与えるような角度で、側面図が第２図
ｂに示される回折セル３の平面の法線（Ｚ軸）方
向と傾きをもつて回折セル３に入射する。このと
き電気偏位の方向は、（膜内のEzと結合するよう
に）入射面内にある。回折セル３の主体は、密度
Ｐが5.06×10³Kgｍ^-3音響光係数P₁₁が0.254、屈折
率ｎ_aが1971、音響縦波の速度Ｖ_aが3.33×10³ｍ
sec^-1および厚さZ₁が３mmのテルライトガラス板
３ａである。上述の配置に特有の音響光相互作用
の良度指数M₂は、20.9×10^-15sec³Kg^-1である。
テルライトガラス板３ａの互に平行な表面に誘電
体多層反射膜３b₁，３b₂がそれぞれ付けられる。
各反射膜は振巾反射率γが0.96に即わち実効繰り
返し反射回数Ｍが12となるように調整される。入
射面と互に平行な平表面の両面に垂直な（Ｘ方向
に垂直な）他の平表面上に、周波数約40MHzのＸ
方向に伝わる音響縦波を厚さZ₁のうちの巾2.5mm
にわたつて送出する圧電トランスジユーサ４ｄが
形成される。等間隔1.34MHzをもつ３つの周波数
a₁，a₂，a₃は、発振器４a₁，４a₂，４a₃で
それぞれ作られ、ゲート４b₁，４b₂，４b₃でデジ
タル画像信号（この場合（011））に従つて制御さ
れ、一つの信号に合成されて高周波増巾器４ｃで
増巾されて圧電トランスジユーサ４ｄに加えられ
る。各３つの周波数に対応する各音響場によつて
ブラツグ回折された成分は、レンズ５ａに集光さ
れて、デジタル画像信号に相等する光点図形011
が解像されて得られる。各チヤンネル当り（光点
当り）の所要電力は、1.49ミリワツトであつた。
この回折セルでは（図示したものは３光点チヤン
ネルであるが）半出力バンド巾21.45MHzが許さ
れるから最大16光点チヤンネルが制御可能であ
る。全16光点チヤンネル当りの所要電力24ミリワ
ツトは同じ材質と巾をもち長さ10mmの通常のブラ
ツグ回折変調の50分の１である。

第３図は、テルライトガラスのスパツタ薄膜が
音響光学材料板として用いられている本発明の第
２実施例を模式的に表わした図である。

第３図ａに於て、１は直径Ｗを24.7mmにするた
めの拡大器をもつ波長0.633μｍの光束を出すHe
−Neレーザである。この出力光束は電気変位が
入射光面に垂直で、表面の法線に対する無電界の
入射角φ_a0が5.34ミリラジアンになるような入射
光で、LiTaO₃結晶４ｅの表面に入射する。その
側面図が第３図ｂに示される回折セル３は、Ｙカ
ツトされ結晶のＹ−Ｚ面が入射面に平行になるよ
うに配列されたLiTaO₃結晶４ｅ上に積み上げら
れる。結晶４ｅの裏面に振巾反射率γが0.99にな
る誘電多層反射膜が沈着される。次に厚さZ₁が
45.4μｍ、密度Ｐが5.87Kgｍ^-3音響光定数P₂₁が
0.241、屈折率ｎ_aが2.09、縦波音波の速度が3.40
×10³ｍsec^-1である音響光材料の膜が、沈着され
る。上述の光束の偏波と音波のモードに対応す
る、音響光相互作用に特有の良度指数M₂は、21
×10^-15sec³Kg^-1である。音響光材料膜の入射面に
垂直な一方の端は、厚みが漸次変化するように作
られる。音響光材料膜３ａの上に再度振巾反射率
γが0.99の誘電多層反射膜３b₂が沈着される。音
響光材料層３ａの両側の反射膜３b₁および３b₂
は、実効繰り返し反射回数Ｍが50である繰り返し
干渉計を構成する。結晶４ｅの裏面上にＸ−方向
に（結晶のＺ−軸方向に）、約120MHzの音響表面
波を送り出すための櫛形電極４ｆが形成される。
音響表面波の速度3.49×10³ｍsec^-1は、音響光材
料膜４ｅ巾の体積波の速度にきわめて近く、音響
波電力のかなりな部分が音響光材料膜中の擬平面
波に、音響光材料３ａの一端の厚さの漸次変化の
ある部分３ｃを通過する際に変換される。

87.5KHzの一定間隔の三つの周波数a₁，
a₂，a₃は発振器４a₁，４a₂，４a₃でそれぞれ発
振され、ゲート４b₁，４b₂，４b₃でデジタル画像
信号（この場合（101））に従つて制御され、１つ
の電気信号に合成され、高周波増巾器４ｃで増幅
され、櫛形電極４ｆに加えられる。レンズ５ａ
は、回折セル３からのブラツグ回折された光束
を、画像信号101を伝える解像された光点像を仮
像面５ｄに結像する。１光点チヤンネル当りの所
要電力は4.38ミリワツトであつた。89.64MHzの
帯域がこの場合許されており、最大256光点チヤ
ンネルが制御できる。この所要電力はＴ＝0.08ｍ
Ｗに相等する。このことは、音響入力の一部は無
効となつて基板中を流れることを意味する。256
光点チヤンネルに対する所要電力は1.12ワツトで
あつて、長さＬ＝10mmの通常のブラツグ回折変調
器よりも1.88分の１だけ小さい。

本発明の推奨実施例の詳細な説明を通じて、所
要電力が顕著に減少するかまたは同時制御しうる
光点チヤンネルの数を増加させることができると
いう本発明の著しい利点が示された。チヤンネル
数と増加率との積は実に500から800に至るもので
ある。薄膜製造技術を利用した繰り返し干渉増倍
ブラツグ回折変調器の構成法が示された。

このことは、通常のガラス製造技術が許すより
も広範囲の音響光材料が用いうるようになつたこ
とを意味する。薄膜製造技術を用いたことによる
膜厚の減少は繰り返し干渉の位相整合条件に関す
る特に大きな実効繰り返し反射回数Ｍの場合の、
熱的安定度をきわめて高める結果となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、多重干渉を模式的に表わした図であ
る。第２図は、含テルルガラス板（部品名：テル
ライトガラス）が音響光材料板として用いられて
いる本発明の第１実施例を模式的に示した図であ
る。第３図は、テルライトガラスのスパツタ薄膜
が音響光学材料板として用いられている本発明の
第２実施例を模式的に表わした図である。 符号の説明、１……レーザ、３……回折セル、
３ａ……音響光材料、３ｂ……誘電体多層反射
膜、４ａ……発振器、４ｂ……ゲート、４ｃ……
高周波増巾器、４ｄ……圧電トランスジユーサ、
４ｃ……音響光学結晶、４ｆ……櫛形電極、５ａ
……レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コヒーレントは光束と、第１軸に互いに垂直
   な第２軸及び第３軸により定義される１対の平行
   な平面を有する音響光材料板と、前記平面の一方
   に取り付けられた第１の誘電体多層反射膜と、前
   記平面の他方に取り付けられた第２の誘電体多層
   反射膜と、前記音響光材料板に取り付けられた前
   記第１および第２の誘電体多層反射膜間の第１軸
   方向に部分的定在光波を生じると共に前記第２軸
   の方向に進行する波を生じさせるため前記平面の
   第１軸に傾いた角度で前記コヒーレントな光束を
   入射させる手段と、前記第２軸の方向にそれぞれ
   が独立に制御しうる１組の変調信号に応じた前記
   部分的定在光波の進行波部分の波数の実質的に２
   倍の波数を持つ音場を発生する手段と、前記音響
   光材料板中に前記コヒーレントな入射光束と音場
   との作用で生じた回折コヒーレント光束を結像し
   て光点像を生じさせる手段とから成る多点音響光
   変調器。 ２ 音響光材料が、圧電材料板からなる特許請求
   の範囲１の多点音響光変調器。 ３ 音場を発生する手段が、前記音響光材料板の
   第１軸の垂直な面に取り付けられたトランスジユ
   ーサと、複数の高周波発振器と、１組の変調信号
   に応じて前記発振器を断続するゲート回路とから
   成る特許請求の範囲１又は２の多点音響光変調
   器。 ４ コヒーレントは光束と、音響波基板と、前記
   音響波基板の上に形成された第１の誘電体多層反
   射膜と、前記第１の誘電体多層反射膜の上に形成
   された音響光材料膜と、前記音響光材料膜の上に
   形成された第２の誘電体多層反射膜と、音響波基
   板上に表面波を音場として発生する手段と、前記
   表面波を前記音響光材料膜中に擬平面波として整
   合する手段と、前記第１および第２の誘電体多層
   反射膜間の第１軸方向に部分的定在光波を生じさ
   せると共に第２軸の方向に進行する波を生じさせ
   るため前記第１軸に傾いた角度で前記コヒーレン
   トな光束を入射する手段と、前記音響光材料板中
   に前記コヒーレントな入射光束と音場との作用で
   生じた回折コヒーレント光束を結像して光点像を
   生じさせる手段とから成る多点音響光変調器。 ５ 音響波基板が、圧電材料板である特許請求の
   範囲４の多点音響光変調器。 ６ 表面波を音場として発生する手段が、該音響
   波基板上に形成された１対の櫛形電極と、複数の
   高周波発振器と、１組の変調信号に応じて前記発
   振器を断続するゲート回路とから成る特許請求の
   範囲４又は５の多点音響光変調器。