专利名称：一种大扫描角度声光偏转器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光扫描技术领域，具体涉及一种通过改变声光偏转器设计及利用脉冲功率工作方式来扩大声光偏转器扫描角度的方法，应用于生物显微成像、激光快速显示与记录系统、激光测控、激光微加工等领域。
背景技术：
声光偏转器是一种非机械式扫描元件。激光光束与超声波相互作用后产生衍射光，衍射光偏转角与声波频率成线性关系。由于声波频率的改变通过电子电路和压电换能器实现，所以可以达到很高的速度，而且因为不存在机械惯性的作用能够很快地稳定于一个指定频率，所以这种扫描器件具有很高的随机寻访能力，适合用于快速随机扫描。例如， 在生物显微成像中可以用于记录视野内多个感兴趣点毫秒量级以上的快速功能信号的变化。但是由于声光偏转器的频率带宽有限而且带宽边缘的衍射效率急剧衰减。普通声光偏转器的扫描角为2。左右，导致基于这种器件用于扫描系统时所能达到的视场仅为传统机械式扫描系统的1/4。大扫描角度的声光偏转器一般采用沿二氧化碲晶体[110]轴的慢切变超声波的工作模式，并通过增大换能器离轴角和减小换能器长度来增大工作带宽。在“A Review of Acoustooptical Deflection and Modulation Devices”，E.I.Gordon，Applied Optics, 5 (1966) 一文中提到这种减小换能器长度的方法增大带宽的同时会减小总体的衍射效率， 通过提高超声波的功率可以增大带宽的同时保持应有的衍射效率，但是高驱动功率会产生严重的热效应° 在"Performance Limits of Acoustooptic Light Deflectors due to Thermal Effects", Hans Eschler, App 1. Phys. 9，289—306 (1976) 一文中提到严重的热效应会导致声光器件的性能和稳定性降低。如果驱动功率进一步提高，有导致器件的损坏的可能。在美国专利No. US 2009/0122814 Al中使用循环水的方法为大功率声光器件散热，但需要复杂的工艺技术，且增加器件的体积和价格。因为声光晶体在施加很高的射频功率时，温度在数秒的时间内急速上升，传统的散热方式(风冷、水冷或半导体制冷)无法实现瞬时高热量的释放。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大扫描角度声光偏转器，克服声光偏转器无法承受高功率使其扫描角度范围受到限制的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的大扫描角度声光偏转器的特征在于，所述声光偏转器的超声波传播的离轴角为8° 11°，换能器长度为0.5 mm 2 mm。进一步的，所述增大声光偏转器的驱动器件为脉冲驱动电路。利用脉冲功率驱动方式增大声光偏转器的瞬时功率，提高工作频带内的衍射效率，使扫描角度得到有效地增大。优选的，所述脉冲驱动电路的平均功率为3W 10W。
更加优化的方案是，所用脉冲驱动电路的脉冲周期内的工作时间小于器件热弛豫时间，休息时间大于器件热弛豫时间。本发明通过增大声光偏转器的离轴角，减小换能器带宽，并采用脉冲功率方式提高器件所能承受的超声功率，从而提高整个工作频带内的衍射效率，从而增大声光偏转器的扫描角度。由于小的换能器长度会显著地减小衍射光的衍射效率，可以通过增大驱动功率提高衍射效率。但大的驱动功率产生的热效应可能会使声光晶体或换能器损坏。本发明对声光偏转器采用脉冲功率驱动方式有效地减小了大功率所带来的热效应，提高了声光偏转器所允许的最大驱动功率。设t。n是脉冲周期中加驱动功率的时间，t。ff是脉冲周期中不加驱动功率的时间。t。n的选择应小于器件的热弛豫时间，t。ff的选择应大于热弛豫时间。这种工作方式使器件温度升高不多就停止工作，又有充分的时间散热，器件始终工作在不高的温度。其中热弛豫时间是指器件连续工作至温度上升总体升高温度的63%所需要时间，需要通过实验或计算机仿真得到。采用本发明的方法，单个声光偏转器可以达到原来2 3 倍的扫描角，达到4° 6°，满足快速大视场扫描的要求。
图1为本发明用于大扫描角度声光偏转器的结构示意图。图2为换能器长度与超声功率对衍射效率的影响。图3为脉冲功率驱动方式示意图。图4说明脉冲方式减小热效应原理的计算机仿真结果。图5为大扫描角声光偏转器的实例展示。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。如图1所示，本发明所设计的声光偏转器包括声光晶体1和压电换能器2，压电换能器2产生超声波3在声光晶体1内传播，入射光4与超声波3作用后产生零级光5和一级衍射光6。压电换能器2的输入信号为脉冲功率的正弦信号。在图1所示实例中，采用二氧化碲为声光偏转器的材料，工作模式采用沿二氧化碲晶体的[110]轴的慢切变超声波，光沿二氧化碲晶体的W01]轴传播。该工作模式下声速很小，有利于提高扫描角。在图1所示实例中，换能器离轴角^ (即换能器法线与[110]轴的夹角)选择较大的值，如8° 11°。换能器长度L选择较小的值，如0.5 mm 2 mm。增大离轴角和减小换能器长度有利于提高带宽。小的换能器长度会显著地减小一级衍射光的衍射效率。根据衍射效率公式
η = sin2 Jm2F^] /21 V H
其中，If2为声光优值，是由介质本身性质决定的，P为超声波功率，L和H分别为换能器的长和宽。 当换能器长度L减小时，衍射效率会减小，这时需要增大驱动功率P来增大衍射效率。图2是说明此问题的一个实例。当使用6°离轴角，L为6. 6 mm的设计参数时， 0. 45 W的驱动功率就可以达到很高的衍射效率；当使用11°离轴角，L为1.5 mm的设计参数时，虽然带宽增加了，但在0. 45W的驱动功率下整体的衍射效率很低，要在3 W的驱动功率下才达到高的衍射效率。但是大的驱动功率产生的热效应容易使声光晶体或换能器损坏。本发明采用脉冲方式驱动声光偏转器，有效地减小了大功率所带来的热效应。如图3所示，t。n是一个周期中加驱动功率的时间和t。ff是一个周期中不加驱动功率的时间。 图4是所示实例是由计算机仿真的结果。在该实例中所加功率为5 W，虚线为连续工作下晶体最热点的温度曲线，可以得出热弛豫时间约为50秒。t。n的选择应小于热弛豫时间，实例中为10秒；t。ff&选择应大于热弛豫时间，实例中为190秒。实线为这种脉冲周期下晶体最热点的温度曲线，其所升高温度降低了一半。脉冲功率工作方式使器件温度升高不多就停止工作，又有充分的时间散热，让器件始终工作在不高的温度。脉冲工作时间t。n应根据所加功率适当调整，当所加功率较大时，t。n应继续减小， 进一步减小热效应，保持器件工作的稳定性，实际工作中器件温度一般不超过90° C。本发明通过对声光偏转器采用脉冲功率驱动方式扩大了声光偏转器的有效带宽。 经试验，单个声光偏转器可以达到原来2 3倍的扫描角，达到4° 6°，满足快速大视场扫描的要求。图5是采取这种大扫描角度声光偏转器的一个应用实例，该实例中声光偏转器的带宽范围为56 MHz 144 MHz，在带宽范围内扫描角度变化范围大小约为6°。声光偏转器采用的设计参数为工作波长840 nm，换能器离轴角为11°，换能器长度1.5 mm，工作瞬时功率为4. 5 W，采用脉冲功率工作方式，脉冲周期中工作时间为5秒，休息时间为200秒。
权利要求
1.一种大扫描角度声光偏转器，其特征在于，所述声光偏转器的超声波传播的离轴角为8° 11°，换能器长度为0.5謹 2謹。
2.根据权利要求1所述的大扫描角度声光偏转器，其特征在于，所述增大声光偏转器的驱动器件为脉冲驱动电路。
3.根据权利要求2所述的增大声光偏转器扫描角度的方法中，其特征在于，所述脉冲驱动电路的平均功率为3W 10W。
4.根据权利要求2所述的增大声光偏转器扫描角度的方法中，其特征在于，所用脉冲驱动电路的脉冲周期内的工作时间小于器件热弛豫时间，休息时间大于器件热弛豫时间。
全文摘要
本发明公开了一种大扫描角度声光偏转器，其特征在于，所述声光偏转器的超声波传播的离轴角为8°~11°，换能器长度为0.5mm~2mm，增大声光偏转器的驱动器件为脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路的平均功率为3W~10W。所用脉冲驱动电路的脉冲周期内的工作时间小于器件热弛豫时间，休息时间大于器件热弛豫时间。本发明克服声光偏转器无法承受高功率使其扫描角度范围受到限制的问题，达到4°~6°的扫描角度，是常规声光偏转器扫描角度的2~3倍，可实现大视场快速激光扫描，适用于需要大扫描角度、非连续扫描的场合，可应用于生物显微成像、激光快速显示与记录系统、激光测控、激光微加工等领域。
文档编号G02F1/11GK102540507SQ20121001359
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者吕晓华, 姜润华, 曾绍群, 骆清铭 申请人:华中科技大学