专利名称:一种改进的声光调谐滤光器的制作方法
本发明涉及声光调谐滤光器。本发明的改进的声光调谐滤光器具有改善的结构，当声光调谐滤光器工作在波长扫描模式时，该结构使分辨率的降低最小。
声光滤光器这一术语指的是这种事实，即在某些双折射光学材料中，作为e-光或O-光传播的一束光，可以在确定的条件下，通过与在同一介质中传播的声波的相互作用和衍射，分别转换成O-光和e-光。两种转换同时发生。这种现象已经用在生产其峰值透射波长可以通过适当选择声波频率来选择的窄带光学滤光器中。这种滤光器利用在选定的氧化物材料中共线传播的声波和光束，已经典型地工作在可见光谱区。人们还知道，为了得到同样的声光窄带滤波，可以把声波与光束非共线地射入声介质中。
在美国专利NO.3，792，287的说明书中叙述了新的、效率高的声光材料，诸如铊-砷-硒化物的研究，美国专利NO.3，929，970的说明书叙述了铊-磷-硒化物，美国专利NO.3，799，659的说明书叙述了铊-砷-硫化物。
声光调谐滤光器已经使用在可以用来分析各种各样工业生产过程的反应生成物的分析仪器中。声光调谐滤光器也可用在与主机联机的多功能分析仪中，在化学和石油工业中很需要这种分析仪作为过程分析仪，使工艺过程控制系统工作方便。在美国专利NO，4，490，845的说明书中讲述了含有声光器件的系统的一个例子。它讲述一个自动化的声光调谐滤光器红外分析仪系统，在此系统中，由预先确定的射频频率信号有选择地调谐一个窄带通声光调谐滤光器，使对应于要识别和分析的一种人们感兴趣的特定分子种类的窄带通有选择地透过。上述分析仪系统在国际光学工程学会的SPIE会刊第268卷，第160～166页“自动化声光调谐滤光器(AOTF)红外分析仪”中有更详细的表述，本文把它做为参考。
声光调谐滤光器(AOTF)是一种可以起光谱仪或单色仪作用的装置。AOTF是这样一种装置，在这种装置中声波与特殊类型和取向的晶体内的光相互作用。该相互作用具体是，用给定频率的射频能量激励附装的换能器而产生的给定波长的声波，和给定波长的光相互作用。如果窄带光入射到AOTF上，则可以通过用适当频率激励换能器，使一个窄波长范围的光与声波相互作用或衍射。在AOTF工作期间，声波从安装在晶体一个表面上的换能器发出。声波在晶体中传播并碰到与换能器相对的面。当用固定射频驱动频率即固定声波长的连续波使AOTF工作时，来自与换能器相对的晶体侧面的声反射不会在AOTF的作用中带来问题。反射波同样能够产生入射光的衍射。因为反射波的波长与换能器产生的声波波长相同，由反射产生的衍射光具有相同的波长，所以不会发生分辨率损耗或波长扩展。
然而，在某些应用中，希望把频率扫描射频驱动施加在换能器上。这种应用产生衍射光的波长扫描。自然会发生一些分辨率的损耗，其中，一个以上的声波长存在于晶体内的光学孔径中，造成一个以上波长光的分辨率的衍射。然而，当第一次和随后的反射通过光路时，甚至会发生分辨率的更严重的损耗。这些反射代表在时间上产生得早得多的声波，因此处于波长移动得更远的扫描模式中。因此，衍射产生的光波长的总展宽更大，而且波长分辨率变差。已经提出建议，在与换能器面相对的晶体面安装一个声吸收器以衰减声波反射。在实践上，声吸收器难于加工，它们不够完善，总有一些声波被反射，导致晶体性能降低。
一个目的是为声光调谐滤光器提供一种结构，当其工作在波长扫描模式时，该结构使分辨率的降低最小。
另一个目的是提供一种理想地适用于频率扫描射频驱动工作模式的声光调谐滤光器。
还有另一个目的是提供一种具有改善结构的AOTF，当其用在声光调谐滤光器系统中时，有利于增加负载周期。
本发明包括一个下述类型的声光调谐滤光器，其中一个光学调准的声光晶体(13)具有一个光学输入面(15)和一个光学输出面(17)，一束光相对于晶体光轴以一预定角度通过该晶体，一个适于与射频能源相连接的声换能器装置(21)安装在声光晶体的第一个面上，以使声波输入到该晶体中，通过该晶体的光的一个选定的带宽部分通过衍射与作为入射声波频率函数的其余的光区别开，其特征在于，与其上安装该换能器装置的所述的第一个面相对的该声光晶体的第二个面(23)，这个第二个面与所述的第一个面不平行，使输入到该声光晶体中的声波被所述的不平行的第二个面所反射，以致于由此反射的声波使通过该晶体的光产生最小的衍射。
通过该晶体的光的一个选定的窄带宽部分很方便地通过衍射与作为入射声波频率函数的其余的光区别开。对这种AOTF的改进包括与其上安装该声换能器的第一个面相对的该声光晶体的第二个面，该第二个面与第一个面不平行。采用这种新结构，射入该声光晶体中的声波被不平行的第二个面反射，以致于因为光和声波之间的相位匹配条件得不到满足，反射的声波使通过该晶体的光产生最小的衍射。因此，当工作在波长扫描模式时，该声光调谐滤光器分辨率降低最小。
与声换能器相连接的射频能源包括用于把频率扫描射频驱动施加到声换能器上的装置，利用该装置，一束波长扫描的衍射光就是通过该声光晶体的光输出。与其上安装该换能器的面相对的声光晶体的不平行的第二个面，最好与第一个面偏离约7°～30°之间。所选择的角度应该大到足以破坏光与声波之间的相位匹配关系，但是又不能大到该晶体的光学孔径互相影响。
现在将参考附图，举例说明本发明，其中图1是一个声光调谐滤光器的放大图;
图2是通常的声光调谐滤光器的衍射光强与时间的关系曲线，其中与其上安装换能器的晶面相对的晶面平行于该换能器;
图3是一个声光调谐滤光器的衍射光强与时间的关系曲线。
图4是使用该声光调谐滤光器的自动化红外分析仪系统的草图。
图4中所用参考数码识别表放大器 51模/数转换器 53微计算机 55射频放大器 57视频输出 59磁盘驱动器 61打印机 63IE3接口 65频率合成器 67
门 69脉冲阻通 71本发明提供一种改进的声光调谐滤光器(AOTF)，当其工作在波长扫描模式时，分辨率下降最小。在通常的AOTF中，与换能器相对的晶面平行于换能器面。结果，通过晶体传输的反射声波射在与换能器相对的面上，使波长响应增宽。因此，希望消除这种现象。本发明通过改变引入到光学晶体中的声波的反射方向达到这个目的。
图1表示包含晶体(13)的一个声光调谐滤光器(11)，它具有一个光输入面(15)，一个光输出面(17)，一个在其上固定了换能器(21)的第一个面(19)和第二个相对面(23)。用参考符号(25)指出的虚线表示根据现有技术中已知的通常技术构成的声光调谐滤光器的第二个面。在通常的声光调谐滤光器中，面(25)平行于其上固定了换能器(21)的第一个面(19)。典型地由X-切割的铌酸锂晶板组成的声换能器(21)与晶体(13)的相对的两个侧表面之一相联，该晶板用铟金属结合物装在声光晶体上。导电的电极板配置在铌酸锂换能器的两个侧面上。
晶体(13)的光输入面(15)切成垂直于入射光(27)。光输出面(17)则切成垂直于晶体(13)的衍射光输出。仪器工作时，由换能器(21)射入到晶体(13)中的声波与通过该晶体的光相互作用。这些声波被晶体(13)的第二个面(23)反射。通过借助于与换能器(21)相对的不平行面(23)改变反射光的方向，能够使这些反射光失去与通过该晶体的光相互作用的能力。不平行面(23)控制反射的声波，避免发生衍射。不平行面(23)偏离平行面的程度至少部分地从AOTF的设计即入射光相对于AOTF晶体的C-轴进入该晶体的角度为基础。在图1中，入射光相对于C-轴的角度为35°。对于这个设计，已经发现在最小约7°到最大约30°之间，最好约10°的一个角度足以破坏相互作用。已经发现，相对于换能器面(19)的平行面偏离10°足以破坏相互作用。AOTF结构的这种变化消除了在通常的AOTF中发生的由与换能器相对的平行面反射的声波所遇到的困难。在图1 35°设计的AOTF情况中，如果使角度大于约30°，则通过AOTF的一部分光路(在两条虚线之间的区域)将被消除。所以，在一个35°设计的AOTF中，该角度应该不小于约7°，而且不大于约30°。对于其他设计的声光器件，这些限制将改变。对大于35°的设计，最小角度变大，最大角度变小，对小于35°的设计，最小角度变得更小，而最大角度变得更大。换句话说，角度应当选择得大到足以破坏光和声波之间的位相匹配关系，又要小到不致对光学孔径造成不利影响。在这里所描述的例子中，这些角度分别在约7°～30°之间。由于这里所讲述的新结构，图1所示的AOTF可以用在频率扫描工作中而不损失分辨率。
使用本发明所得到的显著优点表示在图3和图4中。在图3中，具有平行于换能器的面的通常的声光调谐滤光器的衍射光强与时间的关系曲线，表示单一的射频激发脉冲不仅在它第一次通过晶体时使AOTF工作，而且如图2所示在它多次反射时也使AOTF工作。所以，在波长或频率扫描工作模式中，这些反射以时间表示远离初始波长的那些波长。作为比较，使用如图1所示结构的声光调谐滤光器，其中，与其上装有换能器的面相对的晶面不平行于换能器面，则使AOTF工作所产生的反射实质上被消除了。由于使用图1所示的AOTF结构，当AOTF工作在波长扫描模式时，分辨率降低最小。因为反射波导致波长响应展宽，所以希望消除反射波，这是通过修正与其上装有换能器的面相对的晶面，改变反射方向实现的。
图4是含有本发明特征的一个声光调谐滤光器红外分析仪系统的简图。该系统用参考符号(31)总体表示，它由几个子系统和包括一个声光调谐滤光器(11)的部件构成。可以认为分析仪系统(31)具有两个主要的子系统，即一个光学子系统(33)和一个电子学子系统(35)。分析仪(31)的光学系统(33)实质上是一个已经设计成在较宽光谱范围内工作的红外固态光谱仪。使用一个诸如能斯特(Nernst)发光体的红外辐射源(37)作为该系统宽带红外辐射的初级源。由源(37)发出的一部分输出红外辐射被反射镜(39)收集并准直。从反射镜(39)发出的平行光束通AOTF(11)，在其中选择出辐射的一个窄带宽部分，並且与图4虚线所示的其余红外辐射区别开。调准探测器装置(41)，以收集来自AOTF(11)並通过用参考符号(43)总体表示的人们感兴趣的环境(例如一个工业加工烟囱)后空间分离的窄带相互作用辐射输出。探测器装置(41)经过线(45)提供一个输出，用于以下面所述方式处理信号。这里所述特殊应用中使人们感兴趣的环境是诸如来自一个工业加工厂或公用事业设备的烟囱气体，用参考符号(43)总体表示。正像从图4的说明可看到的那样，烟囱(43)包括相对的壁(47)和(49)。在这种结构中，探测器装置(41)和包含AOTF(11)的源装置放置在烟囱(43)的相对侧面。通过使探测器和AOTF分开，窄带相互作用辐射的角位移足以使其与宽带非相互作用辐射在探测器上空间分开。上面一般叙述的这个过程可以参考美国专利NO.4，490，845的说明书进一步详细研究。
在电子学系统(35)中，来自红外探测器装置(41)的模拟输出信号经过线(45)输入到放大器(51)，再到模/数转换器(53)，产生的数字信号提供给微计算机(55)。经由与射频放大器(57)相联的换能器(21)，电子系统(35)在声光调谐滤光光器(11)处与光学系统(33)相连。为了发射声波进入晶体(14)，经过换能器施加一个选定频率的射率驱动功率或一个扫描频率驱动功率。用这种方法可以探测到经光学滤波的红外辐射，並使用计算机确定由于烟囱(43)中选定气体的存在而产生的吸收。微计算机(55)一般有一个与其相连的视频输出装置(59)，用来直观显示探测信号，以及诸如磁盘驱动器(61)和打印机(63)的存贮装置。存贮装置(61)存贮该系统的控制和工作信号。当从存贮装置(61)提供控制信号时，微计算机(55)通过一个适当的接口装置(65)控制频率合成器(67)的输出频率和振幅，该频率合成器(67)由一个门装置(69)连接到用于控制工作的射频放大器(57)。门(69)可以与一个脉冲阻通电路装置(71)一起使用，以便保证射频功率负载周期被限定在不使晶体(13)过热的负载水平。
所以，上面叙述的系统可以在几种模式下工作，包括快速调谐窄带红外滤光器模式，固态光学滤波器模式和工作在扫描模式的红外滤光器，伴随光学带宽的分辨率增加。
在红外分析仪器中，已经确定了使用扫描模式工作导致光学带宽的分辨率增加超过3倍。所以，通过光学晶体一个面的根本改变，可以得到一个较窄的带宽，而且迄今为止通过增加负载周期时间解决的问题已经不存在了。
权利要求
1.一个下述类型的声光调谐滤光器(11)，其中一个光学调准的声光晶体(13)具有一个光学输入面(15)和一个光学输出面(17)，一束光相对于晶体光轴以一预定角度通过该晶体，一个适于与射频能源相连接的声换能器装置(21)安装在声光晶体的第一个面上，以使声波输入到该晶体中，通过该晶体的光的一个选定的带宽部分通过衍射与作为入射声波频率函数的其余的光区别开，其特征在于，与其上安装该声换能器装置的所述的第一个面相对的该声光晶体的第二个面(23)，这个第二个面与所述的第一个面不平行，使输入到该声光晶体中的声波被所述的不平行的第二个面所反射，以致于由此反射的声波使通过该晶体的光产生最小的衍射。
2.权利要求
1中所要求的滤光器，其中与声换能器装置连接的射频能源，包括把频率扫描射频驱动施加到声换能器装置上，以使通过该声光晶体的光输出提供衍射光的波长扫描装置。
3.权利要求
1中所要求的滤光器，其中与其上安装声换能器装置的第一个面相对的声光晶体的不平行面，相对第一个面的偏离选择在不小于约7°和不大于约30°之间。
4.权利要求
3中所要求的滤光器，其中与其上安装声换能器装置的第一个面相对的声光晶体的不平行的第二个面，相对第一个面有10°偏离。
5.权利要求
1～4中任何一个所要求的滤光器，其中光进入该声光晶体相对晶体光轴的预定角度为35°，不平行的第二个面相对第一个面的偏离选择在不小于约7°和不大于约30°之间。
6.权利要求
5中所要求的滤光器，其中该晶体是选自铊-砷-硒化物、铊-磷-硒化物和铊-砷-硫化物组成的组中的一种化合物。
专利摘要
一种声光调谐滤光器当工作在波长扫描模式时分辨率降低最小。与其上安装声换能器的第一个面相对的声光晶体的第二个面设置得不平行于第一个面。从而，射入该声光晶体中的声波被不平行的第二个面反射，使通过该晶体的光被反射声波造成的衍射最小。
文档编号G02F1/11GK87101685SQ87101685
公开日1987年12月2日 申请日期1987年3月5日
发明者弗里德里克·默克·里安, 米尔顿·格特利布 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan