專利名稱:一種改進的聲光調諧濾光器的制作方法
本發明涉及聲光調諧濾光器。本發明的改進的聲光調諧濾光器具有改善的結構，當聲光調諧濾光器工作在波長掃描模式時，該結構使分辨率的降低最小。
聲光濾光器這一術語指的是這種事實，即在某些雙折射光學材料中，作為e-光或O-光傳播的一束光，可以在確定的條件下，通過與在同一介質中傳播的聲波的相互作用和衍射，分別轉換成O-光和e-光。兩種轉換同時發生。這種現象已經用在生產其峰值透射波長可以通過適當選擇聲波頻率來選擇的窄帶光學濾光器中。這種濾光器利用在選定的氧化物材料中共線傳播的聲波和光束，已經典型地工作在可見光譜區。人們還知道，為了得到同樣的聲光窄帶濾波，可以把聲波與光束非共線地射入聲介質中。
在美國專利NO.3，792，287的說明書中敘述了新的、效率高的聲光材料，諸如鉈-砷-硒化物的研究，美國專利NO.3，929，970的說明書敘述了鉈-磷-硒化物，美國專利NO.3，799，659的說明書敘述了鉈-砷-硫化物。
聲光調諧濾光器已經使用在可以用來分析各種各樣工業生產過程的反應生成物的分析儀器中。聲光調諧濾光器也可用在與主機聯機的多功能分析儀中，在化學和石油工業中很需要這種分析儀作為過程分析儀，使工藝過程控制系統工作方便。在美國專利NO，4，490，845的說明書中講述了含有聲光器件的系統的一個例子。它講述一個自動化的聲光調諧濾光器紅外分析儀系統，在此系統中，由預先確定的射頻頻率信號有選擇地調諧一個窄帶通聲光調諧濾光器，使對應于要識別和分析的一種人們感興趣的特定分子種類的窄帶通有選擇地透過。上述分析儀系統在國際光學工程學會的SPIE會刊第268卷，第160～166頁“自動化聲光調諧濾光器(AOTF)紅外分析儀”中有更詳細的表述，本文把它做為參考。
聲光調諧濾光器(AOTF)是一種可以起光譜儀或單色儀作用的裝置。AOTF是這樣一種裝置，在這種裝置中聲波與特殊類型和取向的晶體內的光相互作用。該相互作用具體是，用給定頻率的射頻能量激勵附裝的換能器而產生的給定波長的聲波，和給定波長的光相互作用。如果窄帶光入射到AOTF上，則可以通過用適當頻率激勵換能器，使一個窄波長范圍的光與聲波相互作用或衍射。在AOTF工作期間，聲波從安裝在晶體一個表面上的換能器發出。聲波在晶體中傳播并碰到與換能器相對的面。當用固定射頻驅動頻率即固定聲波長的連續波使AOTF工作時，來自與換能器相對的晶體側面的聲反射不會在AOTF的作用中帶來問題。反射波同樣能夠產生入射光的衍射。因為反射波的波長與換能器產生的聲波波長相同，由反射產生的衍射光具有相同的波長，所以不會發生分辨率損耗或波長擴展。
然而，在某些應用中，希望把頻率掃描射頻驅動施加在換能器上。這種應用產生衍射光的波長掃描。自然會發生一些分辨率的損耗，其中，一個以上的聲波長存在于晶體內的光學孔徑中，造成一個以上波長光的分辨率的衍射。然而，當第一次和隨后的反射通過光路時，甚至會發生分辨率的更嚴重的損耗。這些反射代表在時間上產生得早得多的聲波，因此處于波長移動得更遠的掃描模式中。因此，衍射產生的光波長的總展寬更大，而且波長分辨率變差。已經提出建議，在與換能器面相對的晶體面安裝一個聲吸收器以衰減聲波反射。在實踐上，聲吸收器難于加工，它們不夠完善，總有一些聲波被反射，導致晶體性能降低。
一個目的是為聲光調諧濾光器提供一種結構，當其工作在波長掃描模式時，該結構使分辨率的降低最小。
另一個目的是提供一種理想地適用于頻率掃描射頻驅動工作模式的聲光調諧濾光器。
還有另一個目的是提供一種具有改善結構的AOTF，當其用在聲光調諧濾光器系統中時，有利于增加負載周期。
本發明包括一個下述類型的聲光調諧濾光器，其中一個光學調準的聲光晶體(13)具有一個光學輸入面(15)和一個光學輸出面(17)，一束光相對于晶體光軸以一預定角度通過該晶體，一個適于與射頻能源相連接的聲換能器裝置(21)安裝在聲光晶體的第一個面上，以使聲波輸入到該晶體中，通過該晶體的光的一個選定的帶寬部分通過衍射與作為入射聲波頻率函數的其余的光區別開，其特征在于，與其上安裝該換能器裝置的所述的第一個面相對的該聲光晶體的第二個面(23)，這個第二個面與所述的第一個面不平行，使輸入到該聲光晶體中的聲波被所述的不平行的第二個面所反射，以致于由此反射的聲波使通過該晶體的光產生最小的衍射。
通過該晶體的光的一個選定的窄帶寬部分很方便地通過衍射與作為入射聲波頻率函數的其余的光區別開。對這種AOTF的改進包括與其上安裝該聲換能器的第一個面相對的該聲光晶體的第二個面，該第二個面與第一個面不平行。采用這種新結構，射入該聲光晶體中的聲波被不平行的第二個面反射，以致于因為光和聲波之間的相位匹配條件得不到滿足，反射的聲波使通過該晶體的光產生最小的衍射。因此，當工作在波長掃描模式時，該聲光調諧濾光器分辨率降低最小。
與聲換能器相連接的射頻能源包括用于把頻率掃描射頻驅動施加到聲換能器上的裝置，利用該裝置，一束波長掃描的衍射光就是通過該聲光晶體的光輸出。與其上安裝該換能器的面相對的聲光晶體的不平行的第二個面，最好與第一個面偏離約7°～30°之間。所選擇的角度應該大到足以破壞光與聲波之間的相位匹配關系，但是又不能大到該晶體的光學孔徑互相影響。
現在將參考附圖，舉例說明本發明，其中圖1是一個聲光調諧濾光器的放大圖;
圖2是通常的聲光調諧濾光器的衍射光強與時間的關系曲線，其中與其上安裝換能器的晶面相對的晶面平行于該換能器;
圖3是一個聲光調諧濾光器的衍射光強與時間的關系曲線。
圖4是使用該聲光調諧濾光器的自動化紅外分析儀系統的草圖。
圖4中所用參考數碼識別表放大器 51模/數轉換器 53微計算機 55射頻放大器 57視頻輸出 59磁盤驅動器 61打印機 63IE3接口 65頻率合成器 67
門 69脈沖阻通 71本發明提供一種改進的聲光調諧濾光器(AOTF)，當其工作在波長掃描模式時，分辨率下降最小。在通常的AOTF中，與換能器相對的晶面平行于換能器面。結果，通過晶體傳輸的反射聲波射在與換能器相對的面上，使波長響應增寬。因此，希望消除這種現象。本發明通過改變引入到光學晶體中的聲波的反射方向達到這個目的。
圖1表示包含晶體(13)的一個聲光調諧濾光器(11)，它具有一個光輸入面(15)，一個光輸出面(17)，一個在其上固定了換能器(21)的第一個面(19)和第二個相對面(23)。用參考符號(25)指出的虛線表示根據現有技術中已知的通常技術構成的聲光調諧濾光器的第二個面。在通常的聲光調諧濾光器中，面(25)平行于其上固定了換能器(21)的第一個面(19)。典型地由X-切割的鈮酸鋰晶板組成的聲換能器(21)與晶體(13)的相對的兩個側表面之一相聯，該晶板用銦金屬結合物裝在聲光晶體上。導電的電極板配置在鈮酸鋰換能器的兩個側面上。
晶體(13)的光輸入面(15)切成垂直于入射光(27)。光輸出面(17)則切成垂直于晶體(13)的衍射光輸出。儀器工作時，由換能器(21)射入到晶體(13)中的聲波與通過該晶體的光相互作用。這些聲波被晶體(13)的第二個面(23)反射。通過借助于與換能器(21)相對的不平行面(23)改變反射光的方向，能夠使這些反射光失去與通過該晶體的光相互作用的能力。不平行面(23)控制反射的聲波，避免發生衍射。不平行面(23)偏離平行面的程度至少部分地從AOTF的設計即入射光相對于AOTF晶體的C-軸進入該晶體的角度為基礎。在圖1中，入射光相對于C-軸的角度為35°。對于這個設計，已經發現在最小約7°到最大約30°之間，最好約10°的一個角度足以破壞相互作用。已經發現，相對于換能器面(19)的平行面偏離10°足以破壞相互作用。AOTF結構的這種變化消除了在通常的AOTF中發生的由與換能器相對的平行面反射的聲波所遇到的困難。在圖1 35°設計的AOTF情況中，如果使角度大于約30°，則通過AOTF的一部分光路(在兩條虛線之間的區域)將被消除。所以，在一個35°設計的AOTF中，該角度應該不小于約7°，而且不大于約30°。對于其他設計的聲光器件，這些限制將改變。對大于35°的設計，最小角度變大，最大角度變小，對小于35°的設計，最小角度變得更小，而最大角度變得更大。換句話說，角度應當選擇得大到足以破壞光和聲波之間的位相匹配關系，又要小到不致對光學孔徑造成不利影響。在這里所描述的例子中，這些角度分別在約7°～30°之間。由于這里所講述的新結構，圖1所示的AOTF可以用在頻率掃描工作中而不損失分辨率。
使用本發明所得到的顯著優點表示在圖3和圖4中。在圖3中，具有平行于換能器的面的通常的聲光調諧濾光器的衍射光強與時間的關系曲線，表示單一的射頻激發脈沖不僅在它第一次通過晶體時使AOTF工作，而且如圖2所示在它多次反射時也使AOTF工作。所以，在波長或頻率掃描工作模式中，這些反射以時間表示遠離初始波長的那些波長。作為比較，使用如圖1所示結構的聲光調諧濾光器，其中，與其上裝有換能器的面相對的晶面不平行于換能器面，則使AOTF工作所產生的反射實質上被消除了。由于使用圖1所示的AOTF結構，當AOTF工作在波長掃描模式時，分辨率降低最小。因為反射波導致波長響應展寬，所以希望消除反射波，這是通過修正與其上裝有換能器的面相對的晶面，改變反射方向實現的。
圖4是含有本發明特征的一個聲光調諧濾光器紅外分析儀系統的簡圖。該系統用參考符號(31)總體表示，它由幾個子系統和包括一個聲光調諧濾光器(11)的部件構成。可以認為分析儀系統(31)具有兩個主要的子系統，即一個光學子系統(33)和一個電子學子系統(35)。分析儀(31)的光學系統(33)實質上是一個已經設計成在較寬光譜范圍內工作的紅外固態光譜儀。使用一個諸如能斯特(Nernst)發光體的紅外輻射源(37)作為該系統寬帶紅外輻射的初級源。由源(37)發出的一部分輸出紅外輻射被反射鏡(39)收集并準直。從反射鏡(39)發出的平行光束通AOTF(11)，在其中選擇出輻射的一個窄帶寬部分，並且與圖4虛線所示的其余紅外輻射區別開。調準探測器裝置(41)，以收集來自AOTF(11)並通過用參考符號(43)總體表示的人們感興趣的環境(例如一個工業加工煙囪)后空間分離的窄帶相互作用輻射輸出。探測器裝置(41)經過線(45)提供一個輸出，用于以下面所述方式處理信號。這里所述特殊應用中使人們感興趣的環境是諸如來自一個工業加工廠或公用事業設備的煙囪氣體，用參考符號(43)總體表示。正像從圖4的說明可看到的那樣，煙囪(43)包括相對的壁(47)和(49)。在這種結構中，探測器裝置(41)和包含AOTF(11)的源裝置放置在煙囪(43)的相對側面。通過使探測器和AOTF分開，窄帶相互作用輻射的角位移足以使其與寬帶非相互作用輻射在探測器上空間分開。上面一般敘述的這個過程可以參考美國專利NO.4，490，845的說明書進一步詳細研究。
在電子學系統(35)中，來自紅外探測器裝置(41)的模擬輸出信號經過線(45)輸入到放大器(51)，再到模/數轉換器(53)，產生的數字信號提供給微計算機(55)。經由與射頻放大器(57)相聯的換能器(21)，電子系統(35)在聲光調諧濾光光器(11)處與光學系統(33)相連。為了發射聲波進入晶體(14)，經過換能器施加一個選定頻率的射率驅動功率或一個掃描頻率驅動功率。用這種方法可以探測到經光學濾波的紅外輻射，並使用計算機確定由于煙囪(43)中選定氣體的存在而產生的吸收。微計算機(55)一般有一個與其相連的視頻輸出裝置(59)，用來直觀顯示探測信號，以及諸如磁盤驅動器(61)和打印機(63)的存貯裝置。存貯裝置(61)存貯該系統的控制和工作信號。當從存貯裝置(61)提供控制信號時，微計算機(55)通過一個適當的接口裝置(65)控制頻率合成器(67)的輸出頻率和振幅，該頻率合成器(67)由一個門裝置(69)連接到用于控制工作的射頻放大器(57)。門(69)可以與一個脈沖阻通電路裝置(71)一起使用，以便保證射頻功率負載周期被限定在不使晶體(13)過熱的負載水平。
所以，上面敘述的系統可以在幾種模式下工作，包括快速調諧窄帶紅外濾光器模式，固態光學濾波器模式和工作在掃描模式的紅外濾光器，伴隨光學帶寬的分辨率增加。
在紅外分析儀器中，已經確定了使用掃描模式工作導致光學帶寬的分辨率增加超過3倍。所以，通過光學晶體一個面的根本改變，可以得到一個較窄的帶寬，而且迄今為止通過增加負載周期時間解決的問題已經不存在了。
權利要求
1.一個下述類型的聲光調諧濾光器(11)，其中一個光學調準的聲光晶體(13)具有一個光學輸入面(15)和一個光學輸出面(17)，一束光相對于晶體光軸以一預定角度通過該晶體，一個適于與射頻能源相連接的聲換能器裝置(21)安裝在聲光晶體的第一個面上，以使聲波輸入到該晶體中，通過該晶體的光的一個選定的帶寬部分通過衍射與作為入射聲波頻率函數的其余的光區別開，其特征在于，與其上安裝該聲換能器裝置的所述的第一個面相對的該聲光晶體的第二個面(23)，這個第二個面與所述的第一個面不平行，使輸入到該聲光晶體中的聲波被所述的不平行的第二個面所反射，以致于由此反射的聲波使通過該晶體的光產生最小的衍射。
2.權利要求
1中所要求的濾光器，其中與聲換能器裝置連接的射頻能源，包括把頻率掃描射頻驅動施加到聲換能器裝置上，以使通過該聲光晶體的光輸出提供衍射光的波長掃描裝置。
3.權利要求
1中所要求的濾光器，其中與其上安裝聲換能器裝置的第一個面相對的聲光晶體的不平行面，相對第一個面的偏離選擇在不小于約7°和不大于約30°之間。
4.權利要求
3中所要求的濾光器，其中與其上安裝聲換能器裝置的第一個面相對的聲光晶體的不平行的第二個面，相對第一個面有10°偏離。
5.權利要求
1～4中任何一個所要求的濾光器，其中光進入該聲光晶體相對晶體光軸的預定角度為35°，不平行的第二個面相對第一個面的偏離選擇在不小于約7°和不大于約30°之間。
6.權利要求
5中所要求的濾光器，其中該晶體是選自鉈-砷-硒化物、鉈-磷-硒化物和鉈-砷-硫化物組成的組中的一種化合物。
專利摘要
一種聲光調諧濾光器當工作在波長掃描模式時分辨率降低最小。與其上安裝聲換能器的第一個面相對的聲光晶體的第二個面設置得不平行于第一個面。從而，射入該聲光晶體中的聲波被不平行的第二個面反射，使通過該晶體的光被反射聲波造成的衍射最小。
文檔編號G02F1/11GK87101685SQ87101685
公開日1987年12月2日 申請日期1987年3月5日
發明者弗里德里克·默克·里安, 米爾頓·格特利布 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan