專利名稱：一種大掃描角度聲光偏轉(zhuǎn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光掃描技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)改變聲光偏轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)及利用脈沖功率工作方式來(lái)擴(kuò)大聲光偏轉(zhuǎn)器掃描角度的方法，應(yīng)用于生物顯微成像、激光快速顯示與記錄系統(tǒng)、激光測(cè)控、激光微加工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聲光偏轉(zhuǎn)器是一種非機(jī)械式掃描元件。激光光束與超聲波相互作用后產(chǎn)生衍射光，衍射光偏轉(zhuǎn)角與聲波頻率成線性關(guān)系。由于聲波頻率的改變通過(guò)電子電路和壓電換能器實(shí)現(xiàn)，所以可以達(dá)到很高的速度，而且因?yàn)椴淮嬖跈C(jī)械慣性的作用能夠很快地穩(wěn)定于一個(gè)指定頻率，所以這種掃描器件具有很高的隨機(jī)尋訪能力，適合用于快速隨機(jī)掃描。例如， 在生物顯微成像中可以用于記錄視野內(nèi)多個(gè)感興趣點(diǎn)毫秒量級(jí)以上的快速功能信號(hào)的變化。但是由于聲光偏轉(zhuǎn)器的頻率帶寬有限而且?guī)掃吘壍难苌湫始眲∷p。普通聲光偏轉(zhuǎn)器的掃描角為2。左右，導(dǎo)致基于這種器件用于掃描系統(tǒng)時(shí)所能達(dá)到的視場(chǎng)僅為傳統(tǒng)機(jī)械式掃描系統(tǒng)的1/4。大掃描角度的聲光偏轉(zhuǎn)器一般采用沿二氧化碲晶體[110]軸的慢切變超聲波的工作模式，并通過(guò)增大換能器離軸角和減小換能器長(zhǎng)度來(lái)增大工作帶寬。在“A Review of Acoustooptical Deflection and Modulation Devices”，E.I.Gordon，Applied Optics, 5 (1966) 一文中提到這種減小換能器長(zhǎng)度的方法增大帶寬的同時(shí)會(huì)減小總體的衍射效率， 通過(guò)提高超聲波的功率可以增大帶寬的同時(shí)保持應(yīng)有的衍射效率，但是高驅(qū)動(dòng)功率會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng)° 在"Performance Limits of Acoustooptic Light Deflectors due to Thermal Effects", Hans Eschler, App 1. Phys. 9，289—306 (1976) 一文中提到嚴(yán)重的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致聲光器件的性能和穩(wěn)定性降低。如果驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)一步提高，有導(dǎo)致器件的損壞的可能。在美國(guó)專利No. US 2009/0122814 Al中使用循環(huán)水的方法為大功率聲光器件散熱，但需要復(fù)雜的工藝技術(shù)，且增加器件的體積和價(jià)格。因?yàn)槁暪饩w在施加很高的射頻功率時(shí)，溫度在數(shù)秒的時(shí)間內(nèi)急速上升，傳統(tǒng)的散熱方式(風(fēng)冷、水冷或半導(dǎo)體制冷)無(wú)法實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)高熱量的釋放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種大掃描角度聲光偏轉(zhuǎn)器，克服聲光偏轉(zhuǎn)器無(wú)法承受高功率使其掃描角度范圍受到限制的問(wèn)題。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的大掃描角度聲光偏轉(zhuǎn)器的特征在于，所述聲光偏轉(zhuǎn)器的超聲波傳播的離軸角為8° 11°，換能器長(zhǎng)度為0.5 mm 2 mm。進(jìn)一步的，所述增大聲光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動(dòng)器件為脈沖驅(qū)動(dòng)電路。利用脈沖功率驅(qū)動(dòng)方式增大聲光偏轉(zhuǎn)器的瞬時(shí)功率，提高工作頻帶內(nèi)的衍射效率，使掃描角度得到有效地增大。優(yōu)選的，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路的平均功率為3W 10W。
更加優(yōu)化的方案是，所用脈沖驅(qū)動(dòng)電路的脈沖周期內(nèi)的工作時(shí)間小于器件熱弛豫時(shí)間，休息時(shí)間大于器件熱弛豫時(shí)間。本發(fā)明通過(guò)增大聲光偏轉(zhuǎn)器的離軸角，減小換能器帶寬，并采用脈沖功率方式提高器件所能承受的超聲功率，從而提高整個(gè)工作頻帶內(nèi)的衍射效率，從而增大聲光偏轉(zhuǎn)器的掃描角度。由于小的換能器長(zhǎng)度會(huì)顯著地減小衍射光的衍射效率，可以通過(guò)增大驅(qū)動(dòng)功率提高衍射效率。但大的驅(qū)動(dòng)功率產(chǎn)生的熱效應(yīng)可能會(huì)使聲光晶體或換能器損壞。本發(fā)明對(duì)聲光偏轉(zhuǎn)器采用脈沖功率驅(qū)動(dòng)方式有效地減小了大功率所帶來(lái)的熱效應(yīng)，提高了聲光偏轉(zhuǎn)器所允許的最大驅(qū)動(dòng)功率。設(shè)t。n是脈沖周期中加驅(qū)動(dòng)功率的時(shí)間，t。ff是脈沖周期中不加驅(qū)動(dòng)功率的時(shí)間。t。n的選擇應(yīng)小于器件的熱弛豫時(shí)間，t。ff的選擇應(yīng)大于熱弛豫時(shí)間。這種工作方式使器件溫度升高不多就停止工作，又有充分的時(shí)間散熱，器件始終工作在不高的溫度。其中熱弛豫時(shí)間是指器件連續(xù)工作至溫度上升總體升高溫度的63%所需要時(shí)間，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)仿真得到。采用本發(fā)明的方法，單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器可以達(dá)到原來(lái)2 3 倍的掃描角，達(dá)到4° 6°，滿足快速大視場(chǎng)掃描的要求。


圖1為本發(fā)明用于大掃描角度聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為換能器長(zhǎng)度與超聲功率對(duì)衍射效率的影響。圖3為脈沖功率驅(qū)動(dòng)方式示意圖。圖4說(shuō)明脈沖方式減小熱效應(yīng)原理的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。圖5為大掃描角聲光偏轉(zhuǎn)器的實(shí)例展示。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。如圖1所示，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的聲光偏轉(zhuǎn)器包括聲光晶體1和壓電換能器2，壓電換能器2產(chǎn)生超聲波3在聲光晶體1內(nèi)傳播，入射光4與超聲波3作用后產(chǎn)生零級(jí)光5和一級(jí)衍射光6。壓電換能器2的輸入信號(hào)為脈沖功率的正弦信號(hào)。在圖1所示實(shí)例中，采用二氧化碲為聲光偏轉(zhuǎn)器的材料，工作模式采用沿二氧化碲晶體的[110]軸的慢切變超聲波，光沿二氧化碲晶體的W01]軸傳播。該工作模式下聲速很小，有利于提高掃描角。在圖1所示實(shí)例中，換能器離軸角^ (即換能器法線與[110]軸的夾角)選擇較大的值，如8° 11°。換能器長(zhǎng)度L選擇較小的值，如0.5 mm 2 mm。增大離軸角和減小換能器長(zhǎng)度有利于提高帶寬。小的換能器長(zhǎng)度會(huì)顯著地減小一級(jí)衍射光的衍射效率。根據(jù)衍射效率公式
η = sin2 Jm2F^] /21 V H
其中，If2為聲光優(yōu)值，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的，P為超聲波功率，L和H分別為換能器的長(zhǎng)和寬。 當(dāng)換能器長(zhǎng)度L減小時(shí)，衍射效率會(huì)減小，這時(shí)需要增大驅(qū)動(dòng)功率P來(lái)增大衍射效率。圖2是說(shuō)明此問(wèn)題的一個(gè)實(shí)例。當(dāng)使用6°離軸角，L為6. 6 mm的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)， 0. 45 W的驅(qū)動(dòng)功率就可以達(dá)到很高的衍射效率；當(dāng)使用11°離軸角，L為1.5 mm的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，雖然帶寬增加了，但在0. 45W的驅(qū)動(dòng)功率下整體的衍射效率很低，要在3 W的驅(qū)動(dòng)功率下才達(dá)到高的衍射效率。但是大的驅(qū)動(dòng)功率產(chǎn)生的熱效應(yīng)容易使聲光晶體或換能器損壞。本發(fā)明采用脈沖方式驅(qū)動(dòng)聲光偏轉(zhuǎn)器，有效地減小了大功率所帶來(lái)的熱效應(yīng)。如圖3所示，t。n是一個(gè)周期中加驅(qū)動(dòng)功率的時(shí)間和t。ff是一個(gè)周期中不加驅(qū)動(dòng)功率的時(shí)間。 圖4是所示實(shí)例是由計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果。在該實(shí)例中所加功率為5 W，虛線為連續(xù)工作下晶體最熱點(diǎn)的溫度曲線，可以得出熱弛豫時(shí)間約為50秒。t。n的選擇應(yīng)小于熱弛豫時(shí)間，實(shí)例中為10秒；t。ff&選擇應(yīng)大于熱弛豫時(shí)間，實(shí)例中為190秒。實(shí)線為這種脈沖周期下晶體最熱點(diǎn)的溫度曲線，其所升高溫度降低了一半。脈沖功率工作方式使器件溫度升高不多就停止工作，又有充分的時(shí)間散熱，讓器件始終工作在不高的溫度。脈沖工作時(shí)間t。n應(yīng)根據(jù)所加功率適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)所加功率較大時(shí)，t。n應(yīng)繼續(xù)減小， 進(jìn)一步減小熱效應(yīng)，保持器件工作的穩(wěn)定性，實(shí)際工作中器件溫度一般不超過(guò)90° C。本發(fā)明通過(guò)對(duì)聲光偏轉(zhuǎn)器采用脈沖功率驅(qū)動(dòng)方式擴(kuò)大了聲光偏轉(zhuǎn)器的有效帶寬。 經(jīng)試驗(yàn)，單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器可以達(dá)到原來(lái)2 3倍的掃描角，達(dá)到4° 6°，滿足快速大視場(chǎng)掃描的要求。圖5是采取這種大掃描角度聲光偏轉(zhuǎn)器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，該實(shí)例中聲光偏轉(zhuǎn)器的帶寬范圍為56 MHz 144 MHz，在帶寬范圍內(nèi)掃描角度變化范圍大小約為6°。聲光偏轉(zhuǎn)器采用的設(shè)計(jì)參數(shù)為工作波長(zhǎng)840 nm，換能器離軸角為11°，換能器長(zhǎng)度1.5 mm，工作瞬時(shí)功率為4. 5 W，采用脈沖功率工作方式，脈沖周期中工作時(shí)間為5秒，休息時(shí)間為200秒。
權(quán)利要求
1.一種大掃描角度聲光偏轉(zhuǎn)器，其特征在于，所述聲光偏轉(zhuǎn)器的超聲波傳播的離軸角為8° 11°，換能器長(zhǎng)度為0.5謹(jǐn) 2謹(jǐn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大掃描角度聲光偏轉(zhuǎn)器，其特征在于，所述增大聲光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動(dòng)器件為脈沖驅(qū)動(dòng)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增大聲光偏轉(zhuǎn)器掃描角度的方法中，其特征在于，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路的平均功率為3W 10W。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增大聲光偏轉(zhuǎn)器掃描角度的方法中，其特征在于，所用脈沖驅(qū)動(dòng)電路的脈沖周期內(nèi)的工作時(shí)間小于器件熱弛豫時(shí)間，休息時(shí)間大于器件熱弛豫時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大掃描角度聲光偏轉(zhuǎn)器，其特征在于，所述聲光偏轉(zhuǎn)器的超聲波傳播的離軸角為8°~11°，換能器長(zhǎng)度為0.5mm~2mm，增大聲光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動(dòng)器件為脈沖驅(qū)動(dòng)電路，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路的平均功率為3W~10W。所用脈沖驅(qū)動(dòng)電路的脈沖周期內(nèi)的工作時(shí)間小于器件熱弛豫時(shí)間，休息時(shí)間大于器件熱弛豫時(shí)間。本發(fā)明克服聲光偏轉(zhuǎn)器無(wú)法承受高功率使其掃描角度范圍受到限制的問(wèn)題，達(dá)到4°~6°的掃描角度，是常規(guī)聲光偏轉(zhuǎn)器掃描角度的2~3倍，可實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)快速激光掃描，適用于需要大掃描角度、非連續(xù)掃描的場(chǎng)合，可應(yīng)用于生物顯微成像、激光快速顯示與記錄系統(tǒng)、激光測(cè)控、激光微加工等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02F1/11GK102540507SQ20121001359
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者呂曉華, 姜潤(rùn)華, 曾紹群, 駱清銘 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)