声光偏转器——用于偏转和扫描激光束的声光装置

声光偏转器是一种设备，可用于将激光束偏转一个方向，角度可变，由电信号的频率控制。

图 1： 非谐振声光调制器的示意图设置。的换能器产生声波，在其中光束被部分地衍射。衍射角被夸大了；它通常只有 1° 的数量级。

本质上，这种设备是一种声光调制器，它以恒定功率但频率可变的电驱动信号运行。衍射光束的方向由布拉格条件决定，该条件包含声波波长，因此取决于声频。对于各向同性介质，偏转角是布拉格角的两倍，可以从布拉格条件计算为大约θ=λf/ν,其中λ是光学真空波长，f是驱动频率（等于声频），v是声光材料中声波的速度。（在材料内部，角度需要用材料内部的光波长来计算，但对于与应用相关的外角，需要使用真空波长。）结果也可以被认为是光波长与声波长之比；后者是v  /  f，通常在 10 μm 和 100 μm 之间。

对于各向异性衍射（例如在双折射介质中），尤其对于光束偏转器具有优势，计算更加复杂。

图 2： 声光偏转器。

产生的偏转角通常非常小，因为声波波长比光波波长长得多。例如，对于熔融石英中的 1064 nm 激光束，纵波声速为 5.9 km/s，调制频率为 100 MHz（其中声波波长为 59 μm），获得的角度为 18 mrad ≈ 1°。这很小，但仍然大约是光束发散角的10 倍，对于焦点中具有 200 μm光束半径的高斯光束。

零级（非衍射）光束通常被光束转储器阻挡，因为它不能被使用。

所使用的声光器件原则上可以与普通的AOM相同，只是所使用的电子驱动器（见下文）不同。但是，该设备可以优化为宽范围光束偏转器：

它可以制作成在很宽的声频范围内工作。这种推理不包括共振声学设计；需要使用一端带有压电换能器，另一端带有吸声器的声光晶体器件，如图1所示。衍射过程的相位匹配（对于变量不能完美保持）声频）也需要考虑。在某些情况下，使用各向异性衍射，例如使用 TeO 2晶体中的剪切波，可以获得特别宽的频率范围。

可以选择一种具有低声速的材料，因为这可以最大化给定范围的声频的角度范围，正如从上面的等式中可以看出的。对于剪切波（与纵波相反），例如在 TeO 2中，实现了远低于 1 km/s = 1 mm/μs 的相当低的声速。

衍射光束的光学频率的轻微修改通常与光束偏转器的应用无关。

通过组合两个正交安装的声光偏转器，可以在二维方向上控制激光束。

光束导向偏转器

通常，声波的方向是恒定的，即不依赖于声音频率。然而，存在基于声波束控制的偏转器，其中控制声波的方向，从而可以实现更广泛的扫描角度和几乎恒定的衍射效率。这是通过使用带有电极阵列的声换能器来完成的，这些电极由不同的电相位驱动。

光束偏转器的射频驱动器

与声光调制器相比，光束偏转器需要具有恒定驱动功率但可变频率的射频驱动器。通常，它包含一个压控振荡器 (VCO)，其频率可以通过模拟输入驱动信号进行调整。如果频率与驱动电压呈线性关系，则同样适用于光束方向的良好精度。

为了在大频率范围内实现几乎恒定的衍射效率，可能必须增加极端频率的驱动功率。

对于恒定输入信号，高频稳定性对于获得稳定的输出光束方向很重要。

为了驱动光束控制偏转器，需要多个具有不同相位的 RF 输出。

基本设备和性能数据

角度范围和分辨率

如上所述，衍射输出光束的角度范围受声频（=驱动频率）的适用范围限制，并且与材料中的声速成反比。通常，偏转角的可用范围相当小——几度。这是因为可用的声波波长远长于光波波长。然而，角度范围可能比光束发散角大得多。当然，可以使用附加的光学元件来放大角度范围，例如使用同时减小光束半径并增加光束发散度的望远镜。

扫描分辨率一般理解为扫描角度范围与光束发散角的比值；它类似于可以解决的不同方向（或点，聚焦光束后）的数量。最小光束发散通过最大化实现光束半径的的准直输入光束（由限定孔，同时保持高（理想尺寸）衍射限制的）光束质量。因此，AO 偏转器通常不应在输入光束不必要的强聚焦下运行。另一方面，太大的输入光束会导致衍射效应，这也可能对应用不利。

可分辨光斑的数量也可以理解为孔径时间（声波通过激光束的传播时间）乘以声频范围宽度的乘积。该乘积有时称为时间-带宽乘积，不应与超快激光物理学的时间-带宽乘积混淆。

衍射效率

一个重要的性能指标是衍射效率，通常约为 50%（对于更长的光波长，试探性更低）。在大多数应用中，非衍射（零级）光束不可用。希望不仅对于某些最佳驱动频率而且在相当大的频率范围内实现高衍射效率。

扫描速度

角度扫描的速度可能受到电子驱动器或声光设备的限制——在后一种情况下，有限的声速是限制因素。不幸的是，为了获得大范围的扫描角度，该速度通常必须最小化。

对于快速扫描，可以获得一种透镜效应，即激光束的不同部分在某一时刻被反射到不同的方向，因为它们在声光材料中看到不同的声音频率。

孔径大小

设备在开孔的大小方面也有所不同。通常，光圈大小在水平和垂直方向上大不相同。因此，人们经常在偏转器之前和之后使用柱面透镜，以便用椭圆激光束对其进行操作。

在不需要大光束半径光束的情况下，通常最好使用小输入孔径的偏转器，因为这会暂时降低驱动功率并提高最大扫描速度。然而，对于最高分辨率（见下文），需要大输入光束。

指向稳定性

所获得的波束方向的稳定性受到所用射频驱动器的稳定性的限制。这种驱动器通常获得转换为驱动频率的模拟控制电压，并且该频率可能会受到热漂移的影响。对于具有低声速的调制器，这种漂移对波束方向的影响更大。

声光偏转器的应用

典型应用是那些需要非常精细且可能快速偏转激光束的应用；一些例子是：

• 光刻

• 激光显示器

• 光镊

• 光束寻址光存储器

• 光学检查

• 信号处理（通常利用与频率相关的衍射角，例如结合光电二极管阵列来分析光谱）

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