聲光濾波器的製作方法
2023-08-05 20:07:46
專利名稱：聲光濾波器的製作方法
聲光濾波器
技術領域：
本發明涉及一種聲光濾波器。
背景技術：
飛秒雷射由於其脈衝持續時間短、峰值功率高等優點，在生物成像、光存儲和微細 加工等領域有著非常重要的應用，是近年來國內外雷射應用領域的熱點之一。聲光器件用 於操控飛秒雷射所需要解決的首要問題就是色散效應。色散效應包括空間色散效應和時間 色散效應。 常規的聲光器件中包含的聲光晶體是一種高色散介質，飛秒雷射經過聲光晶體後 脈衝將會被嚴重展寬，這一效應稱為時間色散(如圖1所示)。同時，經過聲光器件(例如 聲光偏轉器)後的光束偏轉角具有波長相關性，導致光束髮散變形，這一效應稱為空間色 散(如圖2所示)。這兩種色散效應使得飛秒雷射的優點不復存在，因此，聲光器件用於操 控飛秒雷射所需要解決的首要問題就是色散效應。
發明內容
有鑑於此，有必要針對傳統的聲光器件用於操控飛秒雷射時存在的色散效應問 題，提供一種能解決色散效應問題的聲光濾波器。 —種聲光濾波器，包括位於同一光路上的第一透鏡、第二透鏡、第一聲光偏轉器、 第二聲光偏轉器、液晶空間光調製器；第一透鏡和第二透鏡的焦距相等，且第一透鏡的後焦 點與第二透鏡的前焦點重合；第一聲光偏轉器和第二聲光偏轉器分別放置在第一透鏡的前 焦點和第二透鏡的後焦點，第一聲光偏轉器和第二聲光偏轉器是完全相同的，且工作在相 同的頻率下；液晶空間光調製器放置在第一透鏡和第二透鏡的共同焦點處，且液晶空間光
調製器的相位①("j)滿足公式I : ①(A) = —^GZ)Dm(A —叫)2 j G [-N， N] (I) 2 其中GDDm為第一聲光偏轉器和第二聲光偏轉器引入的材料色散，"。為入射雷射 的中心頻率，co j為液晶空間光調製器上的第j個液晶單元處的光譜頻率分量，N為自然數。
優選的，所述第一聲光偏轉器或第二聲光偏轉器的通光孔徑為4. 2mm，晶體材料為 Te02。 優選的，所述第一聲光偏轉器或第二聲光偏轉器的設計波長為A 。 = 800nm，中心 頻率為fc = 96MHz 。 上述聲光濾波器可保持出射光束與入射光束共線，從而完全消除飛秒雷射的色散 效應問題。並且結構緊湊，易於調節。
圖1為時間色散展寬脈衝示意圖。
圖2為空間色散使光斑發散示意圖。 圖3為聲光濾波器的示意圖。 圖4為聲光偏轉器渡越時間的示意圖。 圖5為第一聲光偏轉器或第二聲光偏轉器的工作頻率與入射雷射波長的關係曲 線的示意圖。 圖6為液晶空間光調製器各液晶像素上光譜頻率分布的示意圖。具體實施方式
下面結合附圖和實例對本發明做進一步的詳細說明。 圖3是聲光濾波器的示意圖。聲光濾波器包括位於同一光路上的第一透鏡5、第二 透鏡6、第一聲光偏轉器7、第二聲光偏轉器8、液晶空間光調製器9。 第一透鏡5和第二透鏡6的焦距(圖中用F表示)相等，且第一透鏡5的後焦點 與第二透鏡6的前焦點重合。第一聲光偏轉器7和第二聲光偏轉器8分別放置在第一透鏡 5的前焦點和第二透鏡6的後焦點，第一聲光偏轉器7和第二聲光偏轉器8是完全相同的， 且工作在相同的頻率下。液晶空間光調製器9放置在第一透鏡5和第二透鏡6的共同焦點 處，且液晶空間光調製器9的相位①("j)滿足以下公式I : 00,)二一丄GDi^0, — 。)2 j G [-N， N] (I) 2 其中GDDm為第一聲光偏轉器7和第二聲光偏轉器8引入的材料色散，"。為入射 雷射的中心頻率，"j為液晶空間光調製器9上的第j個液晶單元處的光譜頻率分量，N為 自然數。 現有的商品化聲光器件可輕易達到小於10微秒的聲光互作用時間，因此，選擇聲
光偏轉器用於實現多個波長雷射的快速切換，其速度完全可以達到微秒量級。 第一聲光偏轉器7或第二聲光偏轉器8的通光孔徑為4. 2mm，晶體材料為Te02，
工作在反常布拉格衍射(Bragg diffraction)模式下，超聲波在晶體中的傳播速度為v =
650m/s，其最大渡越時間為、ax = 6. 5ii s(最大渡越時間是指聲波通過整個光束直徑D所
需的時間，計算公式是t^二D/v，如圉4所示)。當光束尺寸減小時，其渡越時間還可以
更小。因此，採用聲光偏轉器完全可實現對多個波長雷射之間的微秒級快速切換。 聲光偏轉器工作在某一頻率時，不同波長的雷射進入聲光偏轉器後，將會沿不同
方向出射(如圖2所示)。工作在反常布拉格衍射模式下的出射光偏轉角9滿足公式II: e = M ( II )
V 其中f為聲光偏轉器的工作頻率，A為雷射波長，v為聲光晶體中超聲波的傳播速 度。 為了便於使用，通常將聲光偏轉器設計為如下情況當入射雷射波長恰好為聲光 偏轉器的設計波長，且聲光偏轉器工作在中心頻率時，出射光束與入射光束保持共線。在本 發明中，第一聲光偏轉器7或第二聲光偏轉器8的設計波長為A。 = 800nm，中心頻率為fc =96MHz。因此，當入射雷射波長為800nm，聲光偏轉器工作在96MHz時，出射光束與入射光 束保持共線。
從公式II可以看出，當入射雷射波長A改變時，如果同時改變聲光偏轉器的工作
頻率f，使得入f =入。f。，則仍然可以保持光束偏轉角e不變。因此，當聲光偏轉器的工作
頻率滿足公式III時，出射光束與入射光束可保持共線 /=叢 (ni) 圖5示意的是第一聲光偏轉器7或第二聲光偏轉器8的工作頻率與入射雷射波長 的關係曲線。 基於上述原理，在對多個波長的雷射進行切換時，首先選擇所需要的波長，並調節 聲光偏轉器的工作頻率使其滿足公式III，從而使得所需要波長的雷射仍然沿原入射方向 傳輸，而其它波長的雷射則偏離入射方向，不能進入後續系統。因此，該裝置實際上是一個 快速可調諧的聲光濾波器。 飛秒雷射經過聲光偏轉器後，由公式II可知，不同波長的光譜成分將沿不同方向 傳播，從而使光束具有一定的發散角A e ，這一效應被稱為空間色散(如圖2所示)。描述 這一效應的參數為，=工 (IV) 在本發明的聲光濾波器中(如圖3所示)，第一聲光偏轉器7通過共焦的第一透 鏡5和第二透鏡6組成的Relay lens反向成像在第二聲光偏轉器8上，且兩個透鏡焦距相 等，並不放大空間色散。因此，飛秒雷射經過兩個聲光偏轉器後，總的空間色散參數為lAzA (v)
c/義 V 其中^和f2分別為第一聲光偏轉器7和第二聲光偏轉器8的工作頻率。當兩個 聲光偏轉器工作在相同頻率下，即^ = f2時，飛秒雷射的空間色散被完全消除。
飛秒雷射經過第一聲光偏轉器7和第二聲光偏轉器8後，由於不同光譜成分在聲 光晶體中的傳播速度不同，相互之間具有時間延遲，從而導致脈衝展寬，這一效應被稱為時 間色散(如圖l所示)。在本發明中，主要的時間色散來源於聲光偏轉器中的聲光晶體。常 用的聲光晶體材料為Te(^，是一種高色散介質，其群延時色散表達式為GDA^^.^'/ (VI)
m 2加2 其中C為真空中的光速，n為材料折射率，1為晶體厚度。 單個聲光偏轉器引入的群延時色散量約為7000&2，兩個聲光偏轉器引入的群延 時色散量約為14000fs、這一色散量將會把100fs的雷射脈衝展寬到400fs，並嚴重降低飛 秒雷射的峰值功率。 本發明聲光濾波器採用液晶空間光調製器9對飛秒雷射的時間色散進行補償。液 晶空間光調製器9的基本單元是液晶像素，每個像素在外加電場的作用下，其折射率將發 生變化，從而對經過其中的飛秒雷射脈衝相位進行調製。在實際應用中，可根據系統中引入 的群延時色散量設計液晶空間光調製器的相位函數。 第一聲光偏轉器7將飛秒雷射脈衝的光譜在空間橫向展開，在第j個液晶像素上， 有對應的光譜成分"j (如圖6所示)。實際上，群延時色散是光譜相位關於光譜頻率的二階 導數，因此，為了補償時間色散，只需在液晶空間光調製器9上加入一定的相位，使其提供的群延時色散量的大小與兩個聲光偏轉器的材料色散大小相等，符號相反即可(即-GDDJ， 因此，液晶空間光調製器9上所加的相位函數須滿足公式I。 液晶空間光調製器9上的液晶像素的個數為2N+1個。在實際應用中，液晶空間光 調製器9的液晶單元越精細，對時間色散的補償效果越好。 上述液晶空間光調製器9可以通過編程的方法加入任意的相位函數，從而在理論 上可實現任意大小的色散效應量。基於此原理，可有效縮小本發明聲光濾波器的空間尺寸， 使其結構更為緊湊。例如，選擇焦距為5cm的透鏡，整個系統的尺寸可縮小到約20cm。此 外，在選擇不同波長的過程中，只需要相應改變液晶空間光調製器9上的相位函數，即可實 現對不同波長飛秒雷射的時間色散效應，而不必重新改變裝置的結構，這將給實際應用帶 來極大的便利。 由上述分析可以看到，本發明可以實現多個波長雷射之間的微秒級快速切換，可 保持出射光束與入射光束共線，便於光路的調節，並完全消除飛秒雷射的空間和時間色散 效應。其結構緊湊，易於調節，可廣泛應用於飛秒雷射生物成像、光存儲和微細加工等眾多 研究領域。 最後需要指出的是，本發明中的裝置雖然主要針對的是飛秒雷射的應用，但實際 上也完全可以應用於連續雷射因為連續雷射的單色性較好，空間色散和時間色散的影響 都較小，因此，不需要進行色散效應即可正常使用。 以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並 不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保 護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
一種聲光濾波器，其特徵在於包括位於同一光路上的第一透鏡、第二透鏡、第一聲光偏轉器、第二聲光偏轉器、液晶空間光調製器；第一透鏡和第二透鏡的焦距相等，且第一透鏡的後焦點與第二透鏡的前焦點重合；第一聲光偏轉器和第二聲光偏轉器分別放置在第一透鏡的前焦點和第二透鏡的後焦點，第一聲光偏轉器和第二聲光偏轉器是完全相同的，且工作在相同的頻率下；液晶空間光調製器放置在第一透鏡和第二透鏡的共同焦點處，且液晶空間光調製器的相位Φ(ωj)滿足公式I ( j )=- 1 2G DD m ( j- 0) 2,j[-N,N]--- ( I ) 其中GDDm為第一聲光偏轉器和第二聲光偏轉器引入的材料色散，ω0為入射雷射的中心頻率，ωj為液晶空間光調製器上的第j個液晶單元處的光譜頻率分量，N為自然數。
2. 根據權利要求1所述的聲光濾波器，其特徵在於所述第一聲光偏轉器或第二聲光 偏轉器的通光孔徑為4. 2mm，晶體材料為Te02。
3. 根據權利要求1所述的聲光濾波器，其特徵在於所述第一聲光偏轉器或第二聲光 偏轉器的設計波長為A 。 = 800nm，中心頻率為fe = 96腿z。
全文摘要
本發明公開了一種聲光濾波器，所述聲光濾波器包括兩個透鏡，兩個聲光偏轉器和一個液晶空間光調製器。兩個透鏡的焦距相等，且共焦放置；兩個聲光偏轉器完全相同，且分別放置在兩個透鏡的前後焦點處；液晶空間光調製器放置在透鏡的共同焦點處，提供可調的相位進行色散效應。本發明可實現多個波長雷射之間的微秒級快速切換，此外，可保持出射光束與入射光束共線，便於光路的調節，並完全消除飛秒雷射的色散效應。本發明結構緊湊，易於調節，可廣泛應用於飛秒雷射生物成像、光存儲和微細加工等眾多研究領域。
文檔編號G02F1/11GK101706617SQ20091022447
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月18日 優先權日2009年9月30日
發明者張春陽, 李德榮 申請人:深圳先進技術研究院