专利名称：声光可调谐滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学滤波器，尤其是声光可调谐滤波器。
背景技术：
声光可调谐滤波器(AOTF)是一种固态的、可电子调谐的带通光谱滤波器，其工作原理在各向同性或各向异性的介质中基于声光互作用的原理。大多数这类的滤波器都是使用各向异性的声光互作用。晶体生长技术与高频压电式换能器技术的进步大大的改进了声光原件。随着这些改进，AOTF技术上己成熟，从实验室走进了商业环境。
AOTF的实施通常采用各向异性的双折射声光(AO)介质，并有高速调谐能力、得到证明的长期稳定性以及低成本等优点。
声光滤波器的运行原理基于一种叫做布拉格衍射的现象，即衍射光的方向取决于声波的波长。在最基本的层面上，布拉格衍射涉及了光子(光能的量子)和声子(声能的量子)。在这个互作用的过程中，能量和动量都是守恒的。
动量守恒要求flKd= f!Ki+ f!KS，其中fiKd是衍射光子的动量，f!Ki是入射光子的动量，hlCS是互作用的声子的动量。约分去掉fl后得到Kd=Ki + KS，这就给出了布拉格衍射最基本的波矢等式。它表明了衍射光的波矢是入射光波矢与声波波矢的矢量和。
能量守恒要求flcor=rio3 +flQ，其中cor是衍射光的角频率，"是入射光的角频率，Q是声波的角频率。约分去掉li后得到" +Q。这表明衍射光子的角频率被声波的角频率轻微改变，即光线的频率产生了多普勒频移。
与传统的技术相比，AOTF提供了连续、快速的调节能力，快速的
进入时间和窄的光谱带宽。声光滤波器有两种类型共线型与非共线型。
其中具有高射频频率的非共线型非近轴滤波器可以达到窄带调节。然而根
据上面的公式，"r = " + Q，两种类型的AOTF都有一个重要但不利
4的特性公式表明声波把光波频率偏移的大小等于声波的频率。光学频移(OFS)的产生是由于入射光的反射面是以声波的速度在移动。尽管因为光线频率和声波频率相差很多个数量级，从而产生的偏移量很小，但是OFS在一些激光器系统中还是会引起不稳定的运行。
这个问题的一个解决办法是使用两个AOTF，其中第二个AOTF用来抵消第一个AOTF所带来的频率偏移。另一个解决办法是在同一个声光晶体上使用两个换能器。但是这些解决办法都有几个缺点1、增加了系统的体积；2、使得光学调准更为困难；3、引起运行的不稳定性；4、增加成本，对大批量生产来说尤为重要。所以需要一个新的滤波器来改进性能并减少成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的AOTF，可以减少或消除声光布拉格衍射带来的光学频率偏移，在保持小体积的同时提供单一 AOTF的两次衍射，其为可以在激光器系统中使用的窄带调节AOTF。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的
一种声光可调谐滤波器，其特征在于包括-
一种光学介质，其折射率可以由声波改变，该光学介质接收包含一个或多个波矢的入射光线，全部或部分波矢在滤波器的可调谐范围内；
激发声波的机制，在光学介质中建立一个特定频率的声波，该特定频率选定的在可调谐范围内的入射光线的波矢被光学介质衍射，衍射波矢产生频率偏移；
光学镜具有全反射率或特定的反射率来满足调节范围，并通过位置
安放使得衍射光被反射回光学介质，光学介质将反射光重新衍射产生输出光线，对反射光进行了频率偏移补偿，从而极大的减少或完全消除了输出光线的频率偏移。
而且，进一步包括射频功率源，连接到上述的激励机制来提供指定频率的信号。
而且，光学介质是声光晶体。
而且，上述声光晶体有多个表面，每个通光表面都涂有多层的抗反射电介质薄膜来减少可调谐滤波器的反射损耗和整体的插入损耗。
5而且，声光晶体是各向异性并具有双折射特性的晶体。而且，激发机制包括一个声学换能器粘接在晶体表面。而且，声光晶体和反射镜固接在衬底上。
而且，衬底采用具有低热膨胀系数的物质，从而降低了性能的不稳定性。
而且，声光滤波器被安放在与入射光大约成布拉格角的位置，并对可调谐范围内的所有波矢都保持大约布拉格角。
而且，上述可调谐滤波器的入射光是准直光线。
而且，选定的波矢以布拉格角进入滤波器，输出光线以2倍布拉格角射出滤波器。 ，
而且，光学镜的光学特性可以从平面镜、凹面镜、凸面镜、散射镜或这些特性的任意组合中选取。
而且，反射镜与光学介质基本平行，这样反射光进入晶体时方向与入射光相反，并大约成布拉格角。
而且，反射镜与晶体之间的距离可调。
而且，在输入光线和输出光线之间的光路中可以插入一个或多个光学器件。
而且，所述光学器件的其中一种光学器件是光相位调制器。一种减少声光可调谐滤波器的频率偏移的方法，其特征在于滤波器包括声光激活介质、声学换能器和反射镜，声学换能器粘接到激活介质上以此在介质中产生声波，反射镜被安放在将介质衍射产生的光线反射回介质的位置，该方式包括-
在光学介质中以指定频率激发产生声波；
向光学介质发送包含一个或多个波矢的入射光线，全部或部分波矢在滤波器的可调谐范围内；
将在可调谐范围内对特定频率选定的波矢衍射，衍射后的波矢产生频率偏移；
将衍射后的波矢反射回介质；
介质将反射波矢衍射产生输出光线，衍射后的光线有频率偏移补偿，从而减小输出光线的频率偏移。本发明的优点和积极效果是-
本发明的AOTF，可以减少或消除声光布拉格衍射带来的光学频率偏移；并且在保持小体积的同时提供单一 AOTF的两次衍射；是一种可以在激光器系统中使用的窄带调节AOTF;同时具有减少材料和生产成本的优点，这在电信系统的应用中尤为重要。
图1为本发明一个具体实施的示意图，这个具体实施是使用了声光晶体和反射镜的具有频率偏移补偿的波长可调节滤波器。图2-1是一个波矢图，显示了入射光的布拉格衍射。图2-2是一个波矢图，演示了从反射镜反射光的布拉格衍射。图3为本发明设备物理结构的侧视图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述。
图1显示了在一种具体实施中的紧凑型、具有频率偏移补偿的波长可调节滤波器。具体实施100包括介质30、声波换能器20、射频功率源10和光学镜50。介质30在施加声波以后会改变介质的折射率。
介质
在一种具体实施中，介质30是一种声光晶体。在一些具体实施中，例如需要窄带调节时，介质是各向异性并有双折射特性。其中一种物质是二氧化碲(Te02)，由于其运行在剪切模式时具有高光学均匀性、低光吸收度和高光功率能力的特点，广泛使用于这类应用中。其他物质例如铌酸锂(LiNb03)、磷化镓(GaP)和钼酸铅(PbMo04)也经常用于构建声光器件。影响选择特定介质的因素有很多，下面仅列出几种，如声光设备的类型、高质量晶体是否容易获得以及应用的类型和需求，例如衍射效率、功率损耗、入射光与衍射光的分散度和整体设备的大小。
换能器
换能器20粘接到介质上。在一种具体实施中，换能器20被粘接到晶体上，晶体有斜面的一侧通常是和换能器20的一侧相对。这就避免了反射声波对前行声波的干扰，从而提高了性能的稳定度。
功率源射频功率源10通过换能器20将声波40传播到介质30中。很多常见应用中，使用的频率范围从50兆赫到几百兆赫不等，但是射频功率源最好有能力提供频率高达10 GHz的信号。
反射镜
反射镜50用来将介质30在声波40作用下产生的衍射波，重新反射回介质30。在一种具体实施中，反射镜50是一个平面镜。在其他的实施中，可以使用凸面镜、凹面镜或者散射镜。反射镜与介质30之间的距离最好是可调的。在一些具体实施中，在输入光线和输出光线之间的光路中可以插入其他一些光学器件，例如光相位调制器。
工作过程
准直光线2包括一个或多个波矢，全部或部分波矢在滤波器的可调谐范围内。在实际操作中，光线2以布拉格角进入到声光晶体介质30中，6i-0B，即入射角等于布拉格角。布拉格角可以用这个公式计算sineB =X0/(2nA)，其中Xo是入射光的波长，n是介质的平均折射率，A是声波波长。在实际应用中，Qb非常小。例如1.55 Pm，射频频率为1 GHz，对于一个11 = 2.5，声波速度vs-2km/sec的声光晶体，布拉格角为8.9° 。换能器产生的声波40使光线2衍射为输出角度为6B的一阶光线4，以及与入射光线2同向的零阶光线3。改变功率源10的射频频率就改变了以同样衍射角eB满足布拉格衍射条件的波矢ic。这样功率源10的频率就决定了滤波器在调节范围内选择输出的波矢(即波长，因为方向已经给定)。反射镜50将衍射光线4以布拉格角eB反射回介质30，反射光为光线5。光线5又被声波40衍射为输出角度为eB的一阶光线8，以及与入射光线5同向的零阶光线6。
图2-l和图2-2显示了入射光(Ki)、衍射光(Kd)和声波(Ks)的波矢关系。正如上面提到的，Kj ±& = &这个关系永远成立，使用加号(+ )还是减号(-)由入射声波的方向决定。
在图2-l中，光线2 (K2)、光线4 (k4)和声波40 (Ks)的关系是k2 + ks = k4。声波ics不仅仅使得衍射光的方向向上偏移，光线的角频率co也向上偏移了 q -vsjksI，其中Vs是声波的速度。
在图2-2中，光线5 (K5)、光线8 (K8)和声波40 (Ks)的关系是
8K5-1CS = K8。在这种情况下，声波使得衍射光的方向向下偏移，并且将第二次衍射的光线8的角频率CO也向下偏移了 VS|KS|。因为向上和向下的偏移量基本相同，
当光线8从声光滤波器100中射出时，整体频率偏移被充分的消除了。
在系统中，光线3和光线6可以用来监测系统的光强或其他用途。图3显示了 AOTF的侧视图，包括一个晶体30和反射镜50固接到衬底60上。换能器20粘接在晶体的侧面。衬底60采用具有低热膨胀系数的物质，例如Kovar合金(铁镍钴合金)，从而降低了性能的不稳定性。尽管对本发明的描述主要以某一个首选版本的实施作为参考，但是其他版本的实施也是可能的。例如，声光晶体的所有表面，都涂有多层的抗反射电介质薄膜来减少反射损耗。在另一个版本中，反射镜可以是凹面镜或其他用于光波阵面失真补偿的反射性光学器件来改进光线质量以及满足特定系统的其他需求。因此权利要求书的范围不应局限在这里描述的首选版本的实施上。
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权利要求
1、一种声光可调谐滤波器，其特征在于包括一种光学介质，其折射率可以由声波改变，该光学介质接收包含一个或多个波矢的入射光线，全部或部分波矢在滤波器的可调谐范围内；激发声波的机制，在光学介质中建立一个特定频率的声波，该特定频率选定的在可调谐范围内的入射光线的波矢被光学介质衍射，衍射波矢产生频率偏移；光学镜具有全反射率或特定的反射率来满足调节范围，并通过位置安放使得衍射光被反射回光学介质，光学介质将反射光重新衍射产生输出光线，对反射光进行了频率偏移补偿，从而极大的减少或完全消除了输出光线的频率偏移。
2、 根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器，其特征在于进一步包括射频功率源，连接到上述的激励机制来提供指定频率的信号。
3、 根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的光学介质是声光晶体。
4、 根据权利要求3所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的声光晶体有多个表面，每个通光表面都涂有多层的抗反射电介质薄膜来减少可调谐滤波器的反射损耗和整体的插入损耗。
5、 根据权利要求3所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的声光晶体是各向异性并具有双折射特性的晶体。
6、 根据权利要求3所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的激发机制包括一个声学换能器粘接在晶体表面。
7、 根据权利要求3所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的声光晶体和反射镜固接在衬底上。
8、 根据权利要求7所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的衬底采用具有低热膨胀系数的物质，从而降低了性能的不稳定性。
9、 根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的声光滤波器被安放在与入射光大约成布拉格角的位置，并对可调谐范围内的所有波矢都保持大约布拉格角。
10、 根据权利要求9所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的可调谐滤波器的入射光是准直光线。
11、 根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的选定的波矢以布拉格角进入滤波器，输出光线以2倍布拉格角射出滤波器。
12、 根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的光学镜的光学特性可以从平面镜、凹面镜、凸面镜、散射镜或这些特性的任意组合中选取。
13、 根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的反射镜与光学介质基本平行，这样反射光进入晶体时方向与入射光相反，并大约成布拉格角。
14、 根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述的反射镜与晶体之间的距离可调。
15、 根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器，其特征在于在输入光线和输出光线之间的光路中可以插入一个或多个光学器件。
16、 根据权利要求15所述的声光可调谐滤波器，其特征在于所述光学器件的其中一种光学器件是光相位调制器。
17、 一种减少声光可调谐滤波器的频率偏移的方法，其特征在于滤波器包括声光激活介质、声学换能器和反射镜，声学换能器粘接到激活介质上以此在介质中产生声波，反射镜被安放在将介质衍射产生的光线反射回介质的位置，该方式包括在光学介质中以指定频率激发产生声波；向光学介质发送包含一个或多个波矢的入射光线，全部或部分波矢在滤波器的可调谐范围内；将在可调谐范围内对特定频率选定的波矢衍射，衍射后的波矢产生频率偏移；将衍射后的波矢反射回介质；介质将反射波矢衍射产生输出光线，衍射后的光线有频率偏移补偿，从而减小输出光线的频率偏移。
全文摘要
本发明涉及一种声光可调谐滤波器，其包括一种光学介质，其折射率可以由声波改变，该光学介质接收包含一个或多个波矢的入射光线，全部或部分波矢在滤波器的可调谐范围内；激发声波的机制，在光学介质中建立一个特定频率的声波，该特定频率选定的在可调谐范围内的入射光线的波矢被光学介质衍射，衍射波矢产生频率偏移；光学镜具有全反射率或特定的反射率来满足调节范围，并通过位置安放使得衍射光被反射回光学介质，光学介质将反射光重新衍射产生输出光线，对反射光进行了频率偏移补偿。本发明的AOTF可以减少或消除声光布拉格衍射带来的光学频率偏移；在保持小体积的同时提供单一AOTF的两次衍射；是一种可以在激光器系统中使用的窄带调节AOTF。
文档编号G02F1/11GK101672988SQ20091020512
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年2月24日
发明者高培良 申请人:高培良