[发明专利]一种十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法

说明书

技术领域

本发明属于光学调制器件领域，具体为一种十字交叉结构的二维声光调制器(acoustic-optical modulator,AOM)的装置与设计方法。

背景技术

光学调制器件是现代光学系统的重要组成部分。通过这些器件实现对光学信号幅度、相位、频率、波长、偏振方向和出射方向的调制，提高信号传输质量、抑制噪声、延长工作距离、提高灵敏度、扩充通讯容量，进而在光谱分析、激光制导、遥感遥测、现代通信等领域应用广泛。其中电光调制器和声光调制器是应用最普遍的两种调制器件。声光调制器基于声光效应，当声波在介质中传播时，会引起介质密度(折射率)发生疏密交替的周期性变化形成声光栅，当光波通过声光栅时，衍射光的强度、频率、方向等随超声场变化。当超声波频率较高、声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，构成布拉格衍射条件。满足布拉格衍射条件的只产生一级衍射和零级光斑，而一级光斑的效率随着超声波的功率增加而增加，可以高达80％。因而大部分调制器均采用行波声场的布拉格型声光调制器。而衍射光的频率、方向则与超声波的频率有关。所以可以利用声光调制器实现对光的快速调制，尤其是利用衍射光方向的变化实现对空间的扫描。

传统光束的扫描都是通过转动安装光源的云台的机械方式来实现，系统庞大、复杂、易受惯性的影响而且运动磨损大。若要快速改变光束的方向，只有提高加速度，而这会让机械承受极大的冲击力，大大缩短系统的使用寿命。声光调制器可以实现激光的微秒级快速扫描，因而在激光偏转和扫描领域具有广阔的前景。目前现有技术在国内已有专利，例如中国发明专利：一种激光声光扫描方法及其装置(申请号CN201511008780.5)，中国发明专利：一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置(申请号CN200510019130.0)。在上述现有技术中，均使用了一前一后正交放置的X向声光偏转器和Y向声光偏转器，完成二维光束偏转扫描，如图1所示。

这种方式构成的二维扫描器由两个一维声光调制器串接而成。光束经过第一个调制器(X向或水平向)后，方向就已经发生偏转，入射到第二个调制器的(Y向或竖直向)位置发生变化，相对第二个调制器的入射角发生变化，不能保证在X向扫描时都能满足Y向的布拉格衍射条件。衍射光的效率无法保证，强度变化大。如果第一级的扫描范围稍大还会使光斑移到光声作用区之外甚至声光调制器之外。因此这也限制了光束扫描的角度范围，所以这些专利中都没有提到入射角如何同时满足两个一维声光偏转器的布拉格衍射条件。另外由于两个调制器串联很难实现线性扫描，所以现有技术需要复杂的畸形修正。现有技术结构分散、不利于激光准直条件与系统集成，实用性差。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，设计了一种十字交叉结构的二维声光调制器，同时满足水平方向和垂直方向的布拉格衍射条件，结构简单紧凑，易于调节，方便系统集成；两维调节相互独立，互不干扰。用于方向调制和扫描时，扫描角度线性度好，范围宽。

本发明提供一种基于十字结构的二维声光调制器。如图2所示，它与两个单独的一维声光调制器不同，其特征在于：二维声光调制器作为一个整体，水平方向和竖直方向上形成独立的调制，各包括一个换能器、声光晶体、吸声层。在外形上呈交叉结构，两维声波在交叉处形成共同作用区，当光束通过作用区时，可以在两个方向上实现光强、光频率和光传播方向的调制，等效于一个二维光栅。用于方向调制和扫描时，扫描角度线性度好，范围宽。