JPS6343728B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気信号に応じてレーザビームの進行
方向を制御する光偏向器、とくに音波による光の
回折効果を利用した超音波光偏向器に関するもの
である。

超音波光偏向器は、多くの種類のある光偏向器
のうちで、機械的な可動部をもたず信頼性が高
い、駆動電力が低く一本の信号線で制御できる、
比較的高速で走査だけでなくランダムに光ビーム
を偏向する機能をもつ、などの特徴を有す。この
ためレーザ光を使つた多くの記録装置、表示装
置、情報蓄積・読出し装置のレーザビーム制御素
子として広く用いられている。

超音波光偏向器のもつ分解点数、すなわち偏向
されるレーザビームの偏向点数は、ガウスビーム
にたいしてπW₀Δf／Ｖで与えられる。ここでW₀
は超音波光偏向器に入射するレーザビームの半径
（光のパワー密度が中心のe^-2となる半径）、Ｖは
用いている偏向媒体中を伝搬し光を回折する音波
の伝搬速度、Δは該超音波光偏向器の使用でき
る高周波帯域幅である。多くの偏向点数を得るに
は、ビーム半径W₀帯域幅Δを大きくすればよい
が、W₀／Ｖすなわち光ビームを音波が過ぎるの
に要する時間、すなわち偏向点の切換時間が増大
する。速度を低下させることなく偏向点数を大き
くするには、使用できる帯域幅を増大させればよ
い。この帯域幅は次のような効果で定まると理解
されている。すなわち、使用する中心の周波数よ
り駆動信号の周波数をずらすと、入射する光ビー
ムの方向と音波波面とのなす角はブラツク条件よ
りずれる。このため、回折される光の強度が低下
する。それゆえ使用できる周波数は中心の周波数
より限られた範囲に限定される。例えば中心周波
数を100MHzとすると、回折光強度がその1/2とな
る周波数幅は40MHz程度と狭い。

使用できる周波数幅を拡げるには、位相格子の
角度選択性を下げれるのはひとつの解決方法であ
る。すなわち、音波束の光透過方向への長さを短
くすればよい。しかしながら周知の如く超音波光
偏向器のその回折効率は、駆動電力が一定のとき
トランスデユーサの長さすなわち音波の光透過方
向への長さに比例する。このため高い偏向光の強
度を得るためには、より高い駆動電力を必要とす
る。また、回折位相格子の厚さを薄くしたことと
等価であるため、回折現象はブラツク反射からラ
マンナース回折に近づき、高次回折光の強度が増
大し、このため、音波パワーを増大させても、偏
向光として利用する一次回折光に理論的に到達し
うる最高の効率も、前記の作用長の長い場合に較
べて低下する。

回折効率を低下させずに使用帯域幅を拡げる方
法、すなわち作用長を短くせずに帯域幅を広げる
有効な方法は、周波数の変化とともに音波波面の
入射光軸に対する角度を変え、ブラツグ角からの
ずれを少くする音波ビームにステアリングを施こ
す方法である。音波や電波の対射ビームの指向性
を合成する方法は、電波や水中音波の分野でよく
知られているように、アンテナや圧電体を別に構
成し、この列をなすアンテナや圧電体の各エレメ
ントを位相をずらして駆動することによつて実現
されている。超音波光偏向器では、電気的な移相
器を設けると構成が複雑になることから、圧電体
片を設ける面を階段状に形成して、各圧電体片か
ら音響光偏向媒体中に発せられる音波に位相偏移
を与え、それらの等位相波面を結ぶ合成波面の角
度が周波数の変化とともに変わるようにする方法
が知られている。しかしながら、この方法では超
音波光偏向器を作製する際、音響光偏向媒体表面
を階段上に仕上げ、各段の圧電体を接着する面に
光学研磨を施こす必要がある。また、この各段に
圧電体を設ける際圧電板を歩留りよく接着するこ
とが難かしいため、蒸着やスパツター等による圧
電膜を付着させる方法によらなければならない。
このため、ニオブ酸リチウム単結晶のような圧電
高結合の圧電体を用いることができないため、励
振できる音波の周波数幅が狭く、音波ビームステ
アリングを有効に利用できない。また電気音響変
換能率も低く、高い駆動電力を必要とするなどの
難点があつた。

本発明はこのような難点を除去し、広帯域高効
率高能率の超音波光偏向器を提供するものであ
る。

本発明によれば、圧電板と音響光偏向媒体との
間に弾性的な位相板を設けて、接着された構成に
よつて、安価で高性能の超音波光偏向器が得られ
る。

本発明の詳細を図面をもつて説明する。第１図
は本発明の一実施例を示す図であり、超音波光偏
向器の概念図である。１は光学ガラスや誘電体結
晶のように媒体内部に励起された音波によつて光
を回折する音響光偏向媒体である。２は該音響光
偏向媒体に音波を励起するニオブ酸リチウム等の
圧電板である。今圧電板２は、音速の異なる２種
類の金属体３ａ３ｂと４ａ，４ｂとを介して、前
記音響光偏向媒体１に接着せられている。圧電板
２の両面は電極５，６をもちこれらによつて高周
波界が厚さの方向に印加される。上面電極６と前
記金属体３，４によつてはさまれた圧電体の各セ
クシヨン２ａ〜２ｄのうち２ａ，２ｄと２ｂ，２
ｃとは電界方向が反対である。今圧電板は周波数
で駆動されているとし、厚さｔの金属体３と４
の音速をそれぞれV₁，V₂、前記音響光偏向媒体
の音速をV₀とし、圧電体片の中心間隔をＳとす
ると、各片から発せられた音波の等位相面を結ん
で作られる疑似波面７の傾きθ_eは θ_e＝V₀／Ｓ〔１／2＋（１／V₂−１／V₁）ｔ〕
(1) となる。θ_e＝０すなわちすべての圧電体片から位
相等しく発せられた場合の音波にたいするブラツ
グ角θ₀は θ₀＝λ／（2nVo） (2) で表わされる。ここでλは空気中の光の波長、ｎ
は音響光偏向媒体１の屈接率である。前記の疑似
波面７へのブラツク角θ_Bは θ_B＝θ_p＋θ_e (3) となる。第２図に周波数にたいするθ_p，θ_e，θ_B
の変化を示す。θ_Bすなわち波面７へのブラツク角
は図に示すように、周波数の変化にたいして、そ
の値を変化させない点が生ずる。このことはこの
付近の周波数範囲では、ブラツク角が変化しない
ために、入射光の入射角度でも、回折効率が低下
しないことを意味し、周波数範囲の広い偏向が可
能である。

このような効果を生じさせる金属体３ａ，３ｂ
は次のようなものを選ぶことによつて実現され
る。即ち隣り合う金属体で音波に90゜の位相差を
与えるのに、縦波音速6200ｍ／ｓのアルミニウム
と2300ｍ／ｓのインジウムを厚さ3μｍ蒸着等で
付けることによつて、周波数300MHzの付近で可
能である。また、圧電体片の間隔はミリメートル
のオーダーで実現される。アルミニウムとインジ
ウムはともに圧電体の接着が可能である。もしア
ルミニウムでの接着が難かしく歩留りが悪い場合
には、一定の厚さにインジウムとアルミニウムを
付けた後この両者に更に薄くインジウムを付着さ
せて接着させることができる。

第１の実施例では隣り合う圧電体片から発せら
れ金属体を透過する音波の位相差を90゜となるよ
うにしたが、更に小さい位相差を与えることもで
きる。第３図は第１図の２種類の金属体３ａ，４
ａの間に、更に位相偏移量を与えるためにそれぞ
れの厚さを変えて積層して金属体３ｅ，４ｅを設
けた構造の超音波光偏向器である。このような構
造にすることによつて、生成される波面の位相の
階段変化をゆるやかにすることができる。

また、音響的な位相板を圧電体と音響光偏向媒
体との間だけではなく、第４図に示すように、圧
電体２は別なる弾性体８にエポキシ、インジウム
等で接着し、該弾性体８と音響光偏向媒体１との
間に、音響的位相板を設けてもよい。

尚本説明中では音波に位相変化を与える弾性体
には金属体をもつて説明したが、他の石英膜やシ
リコン膜等の誘電体を利用することも可能であ
る。

以上、本発明によれば、従来の音響光偏向媒体
を階段状に成形研磨しすることなく、また高結合
の圧電結晶板を用いることができるため、安価で
しかも高性能の超音波光偏向器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の構造図を示
し、１は音響光偏向媒体、２は圧電体、３ａ，３
ｂ，４ａ，４ｂは音波位相板である。第２図は第
一の実施例における周波数にたいするブラツグ角
の変化を示すものである。第３図、第４図は本発
明の他の実施例であつて１は音響光偏向媒体、２
は圧電体、３ａ，３ｅ，４ａ，４ｅは音波位相
板、８は弾性体である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 単一平面に研磨された音響光偏向媒体と平面
   に研磨された単一の圧電体との間に、音波伝搬速
   度の異なる複数の弾性体を、前記音響光偏向媒体
   を透過する光の進行方向に沿つて等間隔に配し、
   しかも、該複数の弾性体を透過して前記音響光偏
   向媒体中に形成される音波波面が階段状となるよ
   うに、前記弾性体の音波伝搬速度の複数のそれぞ
   れを定めたことを特徴とする超音波光偏向器。