(57)【要約】誘電性媒質内に分布された部分的に結合された複数の光学的共振器（３０５、３１０）と、これら光学的共振器を通過した光（３２５）をブラッグ回折により回折するようにこれら光学的共振器内に音波を入射させるために誘電性媒質の表面に取り付けられている少なくとも１つの音響トランスデューサ（３１５）を有している音響光学モジュールが提供される。この音響光学モジュールは、特に、横波の音波が発生され、この音波がこの音響光学モジュールを通過する偏光された光信号とほぼ平行な方向にこの音響光学モジュールを通過する、改良された調整可能な光学フィルタに適用された。この音響光学モジュールは、また、改良された光学的周波数シフタに適用された。
2008537609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光された複数の光信号を受信するための光学入力部と、光学出力部とを備えている誘電性媒質内に分布している結合された複数の光学的共振器と、
受信された複数の光信号が前記複数の光学的共振器を通過する場合に、これら受信された光信号の伝播の方向に実質的に平行な方向に、前記複数の光学的共振器を介して伝播する、前記誘電性媒質内の横波の音波を発生させるために、この誘電性媒質の表面に取り付けられている少なくとも１つの音響トランスデューサと、
前記光学出力部から出力された光信号から、必要とされる偏向角の光を選択するための偏光器とを具備する調整可能な光学的なフィルタ。
【請求項２】
前記複数の光学的共振器の各々は、ファブリペロエタロンである請求項１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項３】
前記複数の光学的共振器は、フォトニック結晶により設けられている請求項１又は２に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項４】
前記複数の光学的共振器の各々は、平行な平面の面とこの平面の面の１つに設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとを有している、誘電材料からなる第１のプレートと、この第１のプレートの面と平行な誘電物質からなる同様な隣接するプレートの平面の面の１つに設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとから形成され、それぞれの前記コーティングを備えている複数の前記プレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている請求項１乃至３のいずれか１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項５】
前記複数の光学的共振器の各々は、第１の物質の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の異なる誘電物質からなる２つの隣接するプレートの間に配置されている前記第１の誘電物質からなるプレートにより形成され、これらプレートの各々は、平面の平行な面を有し、前記第１及び第２の誘電物質からなる交互の複数のプレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている請求項１乃至３のいずれか１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項６】
前記複数の光学的共振器を通過した音響エネルギーを吸収するように位置している音響アブソーバをさらに具備する請求項１乃至５のいずれか１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項７】
前記誘電性媒質への前記光学入力部は、傾斜された平面の面を有し、プリズムが、前記誘電性媒質とプリズムとの間の界面に隙間を残すように、前記傾斜された面に１つの面を平行にして取り付けられている請求項１乃至６のいずれか１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項８】
前記傾斜された面は、前記トランスデューサにより前記誘電性媒質内に入射された縦波の音波を反射するように配置され、この結果、横波の音波を発生し、前記傾斜された面の傾斜角は、偏光された光信号が、前記プリズムを通過し前記隙間を横断すると、前記誘電性媒質に入り、前記横波の音波の伝播の方向と実質的に平行な方向に伝播するような傾斜角である請求項７に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項９】
前記誘電性媒質からの光学出力部は、他の傾斜された平面の面を有し、他のプリズムが、前記誘電性媒質とこの他のプリズムとの間の界面に隙間を残すように、１つの面が前記他の傾斜された面に平行になるように取り付けられ、この結果、前記複数の光学的共振器から出る音響的エネルギーが、前記誘電性媒質内で前記他の傾斜された面により反射される請求項７又は８に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項１０】
誘電性媒質内に位置している結合された複数の光学的共振器と、この誘電性媒質の表面に取り付けられている少なくとも１つの音響トランスデューサとを有している音響光学モジュールを具備し、
前記少なくとも１つの音響トランスデューサは、前記複数の光学的共振器を通過する入射光信号に周波数シフトを与えるように、音波をこれら複数の光学的共振器内に入射させるように配置されている、光学的周波数シフタ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの音響トランスデューサは、前記音波の前記光に対する入射角がこの光の最大の回折のためのブラッグ条件を実質的に満たすように、前記音波を前記複数の光学的共振器内に入射させるように配置されている請求項１０に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１２】
前記光学的周波数シフタを通過する入射光信号に第１及び第２の周波数シフトを与えるように並べられて配置されている２つの前記音響光学モジュールを具備している請求項１０又は１１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１３】
前記複数の光学的共振器の各々は、ファブリペロエタロンである請求項１０、１１、又は１２のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１４】
前記複数の光学的共振器は、フォトニック結晶により設けられている請求項１０、１１、又は１２のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１５】
前記複数の光学的共振器の各々は、平行な平面の面と、１つのこの平面の面に設けられている部分的に透過性の反射性コーティングとを有している、誘電性物質からなる第１のプレートと、この第１のプレートと平行な誘電性物質からなる同様の隣接するプレートの１つの平面の面に設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとにより形成され、それぞれの前記コーティングを備えている複数の前記プレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている請求項１０乃至１３のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１６】
前記複数の光学的共振器の各々は、第１の物質の屈折率と異なる屈折率を有する第２の異なる誘電物質からなる２つの隣接するプレートの間に配置されている第１の誘電物質からなるプレートにより形成され、これらプレートの各々は、平面の平行な面を有し、前記第１及び第２の誘電物質からなる交互の複数のプレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている請求項１０乃至１２のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの音響トランスデューサは、前記複数の光学的共振器内に可変な角度で音波を入射させる位相トランスデューサのアレイとして動作可能な複数のトランスデューサ部材を有している請求項１０乃至１６のいずれか１に係る音響光学モジュール。
【請求項１８】
音響レンズが、前記少なくとも１つの音響トランスデューサと複数の光学的共振器との間に配置され、この音響レンズは、前記複数の光学的共振器の近傍で実質的にコリメートされた音波を形成するように形状が取られている請求項１０乃至１７のいずれか１に係る音響光学的モジュール。
【請求項１９】
前記複数の光学的共振器を通過した音響エネルギーを吸収するように位置している音響アブソーバをさらに具備する請求項１０乃至１８のいずれか１に係る音響光学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本発明は、改良された音響光学装置、特に、改良された調整可能な光学フィルタと、赤外から紫外の波長の光で用いるために適している改良された光学周波数シフタとに関するが、これらに限定されない。
【０００２】
特に、ブラッグ回折の効果を利用する従来の設計の音響光学装置は、最近まで、特にスペクトルの赤外領域で高い効率を得るために、過剰なレベルの音響パワーを必要とした。しかしながら、固体媒質を介する光の伝播速度を根本的に減少させるための技術が、最近開発され、媒質内での音響光学的な相互作用の効率が大きく向上され、これらの装置を実現するために著しくより低いレベルの音響パワーを可能とするという有利な点を備えている。これらの技術は、共振周波数の周囲で屈折率の強い分散を生じさせ、したがって媒質を通過する同様の周波数を有する光に対して低い群速度を生じさせる、誘電物質内に分布した光学的な複数の共振器を発生させることによる。このような媒質の例には、光の群速度が真空中の光の速度よりも少なくとも１００倍小さい値に減少されるフォトニック結晶が含まれる。この特性を有する物質は、本特許明細書内では、「遅い光」の物質と称される。このような物質は、様々なタイプの改良された音響光学装置を形成するための新しい方法で適用されている。
【０００３】
第１の態様から、本発明は、  
偏光された複数の光信号を受信するための光学入力部と、光学出力部とを備えている誘電性媒質内に分布している結合された複数の光学的共振器と、  
受信された複数の光信号が前記複数の光学的共振器を(therethrough)通過する場合に、これら受信された光信号の伝播の方向に実質的に平行な方向に、前記複数の光学的共振器を介して伝播する、前記誘電性媒質内の横波の音波(acoustic shear wave)を発生させるために、この誘電性媒質の表面に取り付けられている少なくとも１つの音響トランスデューサと、  
前記光学出力部から出力された光信号から、必要とされる偏向角の光を選択するための偏光器とを有する調整可能な光学的なフィルタにある。
【０００４】
前記光学的共振器の各々が、ファブリペロエタロンであることは、好ましい。代わりに、前記複数の光学的共振器を、フォトニック結晶を用いて実行してもよい。
【０００５】
前記フィルタが、特に赤外波長の光での使用を目的としている、本発明の第１の態様による好ましい実施形態では、この場合、前記光学的共振器の各々を、平行な平面の面と、このような平面の面の１つに設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとを有している、誘電材料からなる第１のプレートと、この第１のプレートの面と平行な、誘電物質からなる同様な隣接するプレートの平面の面の１つに設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとから形成することができ、それぞれのコーティングを備えている複数のこれらプレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている。
【０００６】
代わりの好ましい実施では、前記光学的共振器の各々を、第１の物質の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の異なる誘電物質からなる２つの隣接するプレートの間に配置されている第１の誘電物質からなるプレートにより形成することができ、これらプレートの各々は、平面の平行な面を有し、前記第１及び第２の誘電物質からなる交互の複数のプレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている。
【０００７】
音響的なアブソーバが、前記複数の光学的共振器を通過した音響エネルギーを吸収するように位置していることは、好ましい。
【０００８】
好ましい実施形態では、前記誘電性媒質への前記光学入力部は、傾斜された平面の面を有し、プリズムが、前記誘電性媒質とプリズムとの間の界面に隙間を残すように、前記傾斜された面に１つの面を平行にして取り付けられている。この好ましい実施形態では、前記傾斜された面は、前記トランスデューサにより前記誘電性媒質内に入射された縦波の音波を反射するように配置され、この結果、横波の音波を発生する。前記傾斜された面の傾斜角は、偏光された光信号が、前記プリズムを通過し前記隙間を横断すると、前記誘電性媒質に入り、前記横波の音波の伝播の方向と実質的に平行な方向に伝播するような傾斜角である。
【０００９】
前記誘電性媒質からの光学出力部が、他の傾斜された平面の面を有し、他のプリズムが、前記誘電性媒質とこの他のプリズムとの間の界面に隙間を残すように、１つの面が前記他の傾斜された面に平行になるように取り付けられていることは、好ましい。この配置では、前記光学的共振器から出る音響的エネルギーは、例えば、この音響エネルギーを音響アブソーバに向かって逸らすために、前記誘電性媒質内で前記他の傾斜された面により反射される。
【００１０】
第２の態様から、本発明は、  
誘電性媒質内に位置している結合された複数の光学的共振器と、この誘電性媒質の表面に取り付けられている少なくとも１つの音響トランスデューサとを有している音響光学モジュールを有し、  
前記少なくとも１つの音響トランスデューサは、前記複数の光学的共振器を通過する入射光信号に周波数シフトを与えるように、音波をこれら複数の光学的共振器内に入射させるように配置されている、光学的周波数シフタにある。
【００１１】
前記少なくとも１つの音響トランスデューサが、前記音波の光に対する入射角がこの光の最大の回折のためのブラッグ条件を実質的に満たすように、前記音波を前記複数の光学的共振器内に入射させるように配置されていることは好ましい。
【００１２】
本発明のこの第２の態様による好ましい実施形態では、前記光学的周波数シフタは、この光学的周波数シフタを通過する入射光信号に第１及び第２の周波数シフトを与えるように並べられて(cascaded manner)配置されている２つの音響光学モジュールを有している。
【００１３】
前記光学的共振器の各々が、ファブリペロエタロンであることは好ましい。代わりに、これら光学的共振器の各々はフォトニック結晶により与えられる。
【００１４】
前記フィルタが特に赤外波長の光での使用を目的とされている好ましい実施形態では、この場合、前記光学的共振器の各々を、平行な平面の面と、１つのこのような平面の面に設けられている部分的に透過性の反射性コーティングとを有している誘電性物質からなる第１のプレートと、この第１のプレートと平行な、誘電性物質からなる同様の隣接するプレートの１つの平面の面に設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとにより形成することができ、それぞれのコーティングを備えている複数のこれらのプレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている。
【００１５】
代わりの好ましい実施では、これら光学的共振器の各々を、第１の物質の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の異なる誘電物質からなる２つの隣接するプレートの間に配置されている第１の誘電物質からなるプレートにより形成することができ、これらプレートの各々は、平面の平行な面を有し、前記第１及び第２の誘電物質からなる交互の複数のプレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている。
【００１６】
好ましい実施形態では、前記少なくとも１つの音響トランスデューサは、前記複数の光学的共振器内に可変な角度で音波を入射させる位相トランスデューサ(phased transducer)のアレイとして動作可能な複数のトランスデューサ部材を有している。場合に応じて、音響レンズを前記少なくとも１つの音響トランスデューサと複数の光学的共振器との間に配置することができ、この音響レンズは、前記複数の光学的共振器の近傍で実質的にコリメートされた音波を形成するように形状が取られている。
【００１７】
音響アブソーバを、前記複数の光学的共振器を通過した音響エネルギーを吸収するように位置させることができることは好ましい。
【００１８】
この特許出願は、ともに遅い光の物質内での向上された音響光学的効果を用いる、レーザビームの周波数シフトのための新しい装置と、調整可能なフィルタの新しい形式とを記載している。これらの装置では、音響パワーの必要条件が大きく低減され、この結果、これらの装置は、実用的に重要である可能性がある。
【００１９】
本特許明細書では、ファブリペロエタロンに言及する場合、用語「エタロン」は、特に、誘電性物質からなり光に対して透明で、２つの平面の面の各々に設けられている反射性コーティングを備えているプレートを有している構成要素に言及している。しかしながら、用語「エタロン」が用いられる場合、ファブリペロ干渉計を代わりに実施することは、例えば、平面で平行な複数のミラーの配置を有している構成要素、又はそのような複数の鏡面を備えず共振キャビティが異なる屈折率を有している複数の物質の間の境界により形成され反射がこれらの境界でなされる構成要素を含む用語の範囲内に含まれることが意図されている。
【００２０】
本特許明細書で、用語「有する」「有している」又は「具備する」(“comprise”, ”comprises” or “comprising”)が用いられる場合、これらの用語は、それぞれ、「含む」「含んでいる」又は「有している」(“include” , “includes” or “including”)を意味するような非排他的な意味で解釈されるが、これらに限定されない。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態は、以下で、添付されている図面を例としてのみ参照して、より詳細に説明される。
【００２２】
物質を通る光の伝播速度が、もし、その物質が光の周波数の近くに合わせられ、規則的に離間されたアレイ中に分布している光学的共振器を含んでいるならば、大きな因子だけ減速されうることが知られている。このような物質の例は、１、２及び３次元で屈折率の周期的な変化を有する透明な誘電物質からなるフォトニック結晶である。普通用いられるフォトニック結晶の例が図１に示されている。
【００２３】
図１を参照すると、誘電体１０５の屈折率と異なる屈折率の複数の誘電体ロッド１１０を中に埋め込まれて備えた誘電物質１０５を有している、既知のタイプのフォトニック結晶１００の断面図が与えられている。これらロッド１１０は、規則的な構造を形成するように、光波長の分数(fraction)だけ、水平方向と垂直方向の両方に、一様に離間されている。フォトニック結晶１００は、ほとんどの波長では、図１に示されている見る方向に垂直に伝わる光に対して透明である。しかし、「禁止帯(stop-bands)」と称される特定範囲の波長にわたって、光は、この結晶１００を伝播することができず、物質の界面から強く反射される。これら禁止帯がおよぶ波長範囲は、物質１０５、１１０の寸法と屈折率とに依存する。例えば、複数の誘電体ロッド１１０を取り除き、この結果、空隙１１５を生じさせることにより、この規則的な構造内に欠陥が導入された場合、この欠陥（１１５）内に封じ込められた光は、周囲のフォトニック結晶を通して逃げることができず、禁止帯に対応する波長範囲にわたって共振する。
【００２４】
もし、図１で１１５、１２０、１２５、１３０により示されている、このような複数の共振器が、並んで規則的に離間したアレイで、光がどの共振器からもその隣接する複数の共振器の各々に部分的に結合されるように十分に互いに近くに設けられたならば、光は、ある共振器から他の共振器へと連続して伝播することができ、この結果、このフォトニック結晶１００を通過することができる。各連続した共振器１１５、１２０、１２５、１３０内の光パワーの蓄積の遅延のために、このフォトニック結晶１００を通る光の伝播速度は、自由空間における伝播速度よりもずっと小さい。もし、隣接する複数の共振器が互いに弱く(loosely)だけ結合されているならば、この遅延時間は、非常に大きくなりうる。この結果、伝播速度は、非常に小さくなりうる。実際に、真空内の光速の１００倍小さい速度が達成されている。これらの特性を備えた物質を伝播する光は、「遅い光(slow light)」と称される。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態により利用される、遅い光の、音波との相互作用を、共振器の１次元のみの周期的な配置を含むフォトニック結晶を考察することにより簡単に説明することができる。このような物質は、規則的に離間し連続した平面で平行な(plane-parallel)部分的に透過性の複数の鏡を含む誘電物質からなることができる。各対の鏡は、鏡面にほぼ垂直な方向に伝播する光のための光学的共振器を構成している。これは、これら鏡の間の光の連続した反射は、互いに干渉し、鏡の間隔が、光の半波長の整数（倍）にほぼ等しい、周波数バンドで共振を発生させる。特定のタイプのフォトニック結晶は、光がある共振器から次の共振器に部分的に透過性の複数の鏡を介して結合される、規則的に離間し連続したこのような共振器からなる。もし、全ての共振器が共通の共振周波数を有しているならば、これらの周波数でフォトニック結晶を伝播する光は、減速されるだろう。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態で用いられる遅い光との音響光学的な相互作用を利用する装置の詳細な動作を、以下で、図２を参照して説明する。
【００２７】
図２を参照すると、平面の部分的に透過性のリフレクタ２１０、２１５の単一の対、例えば、図２に真横向きに示され、各々が反射率Ｒを備えている部分的に銀めっきされた鏡又は誘電体の鏡、が、これらが互いに正確に平行であり、距離Ｌａだけ離間されるように、誘電物質２０５の内部に取り付けられている、単一の共振器装置２００に沿った断面図が与えられている。このような構造は、「Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ」、Ｒ  Ｓ  Ｌｏｎｇｈｕｒｓｔ著、Ｌｏｎｇｍａｎ  Ｇｒｏｕｐ  Ｌｔｄ，Ｌｏｎｄｏｎの１７９ページのような光学の教科書で、ファブリペロエタロン、すなわちファブリペロ干渉計と称されている。誘電物質２０５内部を伝わる、波長λ、強度Ｉ１の光ビーム２２０は、法線から小さな角度で部分的に透過性のリフレクタ２１０に入射している。このリフレクタ２１０を通過した光は、リフレクタ２１０、２１５の間で反復して反射され、反射されたビームの間で光学的な干渉を生じさせる。この結果、これらリフレクタ２１０、２１５の間を伝わる全強度Ｉ２を有するビーム２２５が生じる。入射光ビーム２２０は、リフレクタ２１０、２１５の間の光の反復される反射が、実質的に重なりほぼ一様な強度を有するビーム２２５を生じさせるように、積Ｌａθよりもずっと大きな直径Ｄを有している。ビーム２２５の一部は、部分的に透過性のリフレクタ２１０を通過し、強度Ｉ３を有する出力ビーム２３０を形成する。上で参照したような標準的な光学の教科書は、この出力ビーム２３０の強度をリフレクタの間隔Ｌａと反射率Ｒとに以下の表式により関連付けている。
【数１】
2008537609.tif 000003
【００２８】
ここで、Ｔは、部分的に透過性のリフレクタ２１０、２１５の透過率である。リフレクタ２１０、２１５の間を伝わるビーム２２５の強度Ｉ２は、
【数２】
2008537609.tif 000004
【００２９】
である。しかし、強度Ｉ２の２つのビームが、リフレクタ２１０、２１５の間の空間を反対方向に伝わるため、ピーク強度が平均強度の２倍の干渉パターンが形成される。前記出力ビームの強度Ｉ３は、波長λＮで最大値を有し、この波長に次の共振条件が適用される。
【数３】
2008537609.tif 000005
【００３０】
ここで、Ｎは、整数である。この条件があてはまる場合、出力ビーム強度Ｉ３は、  
【数４】
2008537609.tif 000006
【００３１】
である。
【００３２】
リフレクタ２１０、２１５が、実質的に損失がない複数層の誘電体の鏡の場合、Ｔ＝１−Ｒ、Ｉ３＝Ｉ１である。リフレクタ２１０、２１５の間を伝わる波の強度は、この場合、  
【数５】
2008537609.tif 000007
【００３３】
である。
【００３４】
もし、反射率Ｒが、１(unity)に近いならば、リフレクタ２１０、２１５の間の光２２５の強度Ｉ２は、入射光２２０の強度Ｉ１よりもかなり高くなりうる。
【００３５】
音波２３５が、この音波２３５がリフレクタ２１０、２１５の間の物質内を伝播するように、誘電性媒質２０５の表面に取り付けられた超音波トランスデューサ２４０により発生される。この音波２３５の方向は、この音波が、光学ビーム２２５と相互作用して、この光学ビーム２２５の部分を入射ビーム２２０の方向に対して角度φで回折させ、回折された光学ビーム２４５を形成するような方向である。回折されたビーム２４５は、リフレクタ２１０、２１５の間で反復して反射され、図２でビーム２２０を参照して示されたビームに類似した、複合ビームを干渉により形成する。この複合ビームの部分は、それから、リフレクタ２１５を透過し、出力ビーム２５０を形成する。もし、角度θ、φが、光学ビーム２２５、２４０の方向が、両方、式（３）により規定されたファブリペロエタロンの最大透過率の方向に近いならば、光学ビーム２２５、２４５は、両方、共振し、これらの強度は、入射ビーム２２０の強度よりもずっと大きくなる。このことの結果は、もし、リフレクタ２１０、２１５により形成されたファブリペロエタロンがなかった場合よりも、入射ビーム２２０の入射光学パワーのずっと大きな部分が出力ビーム２５０に分散される(diffracted)ことである。本発明の好ましい実施形態によると、音響光学的な相互作用を用いる、音響光学変調装置、光学ビームディフレクタ、音響光学的な調整可能なフィルタのような装置は、ずっと小さな音響パワーで動作する一方で、光学的な回折の高い効率を維持するように、この種の光学的共振器を用いることができる。
【００３６】
本発明の好ましい実施形態で達成されることができる、音響光学的な回折の効率の向上を、以下のようにおおよそ見積もることができる。式５によると、伝わる波２２５の平均強度は、ファブリペロエタロンが共振している場合、入射ビーム２２０の強度の１／（１−Ｒ）倍である。この場合、音波２３５は、この伝わる波(this)のうちηの割合をビーム２４５の方向に回折させるが、ビーム２４５も共振しているので、ビーム２４５の強度は、ファブリペロエタロン内で、入射ビーム２２０の強度のη／（１−Ｒ）２倍の値まで増加される。このうちの（１−Ｒ）の割合は、ビーム２５０が入射ビーム２２０の強度のη／（１−Ｒ）倍の強度を有するように、出力ビーム２５０内に透過される。したがって、出力ビームのパワーの入力ビームのパワーに対する比は、ファブリペロエタロンがなかったとした場合よりも１／（１−Ｒ）倍大きい。
【００３７】
「Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」、Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  １９９９の５０２ページのような、音響光学装置についての標準的な教科書には、音響光学的な相互作用の長さＬａが、以下の式により与えられる最小値よりも大きいとしたならば、伝わるビーム２２５のうち実質的に全ての光が、ビーム２４５内に回折されることができ、実質的に全く高次の回折へは回折されない。  
【数６】
2008537609.tif 000008
【００３８】
ここで、Λは、音波２３５の波長、λ０は、真空中の光の波長、ｎは、物質２０５の屈折率である。この効果は、ブラッグ回折として知られている。回折の最大効率には、リフレクタ２１０、２１５の面に対する、音波２３５の伝播方向がブラッグ角として知られる（θ＋φ）／２であるべきであるという「ブラッグ条件」が必要とされる。
【００３９】
上で参照したＫｏｅｃｈｎｅｒの教科書には、ブラッグ回折のための条件があてはまる場合、回折された波２４５のビーム強度（Ｉ２４５）の伝わる波２２５の強度（Ｉ２２５）に対する比は、  
【数７】
2008537609.tif 000009
【００４０】
である。ここで、ｐは、物質２０５の関連のある光弾性テンソル成分、ρは、密度、Ｖは、物質２０５内の音速、Ｐａは、音響パワー、Ｈは、音響ビーム２３５の伝播方向と入射光ビーム２２０の伝播方向との両方に垂直な方向での音響ビーム２３５の高さである。所定の音響パワーＰａに対して、回折の効率は、相互作用の長さ（リフレクタ２１０、２１５の間隔）Ｌａが増加するにつれて、向上する。したがって、ファブリペロエタロンの長さを可能な限り大きくすることにより、効率上の有利な点がある。しかしながら、長さを増加するにつれて、光学的な共振のバンド幅は減少され、共振を維持することができる角度範囲も減少される。このことは、光学装置にとっての必要条件に反する。音響光学的な変調器とビームディフレクタとにとって、光学波長の正確な調整が必要とされないように、バンド幅を可能な限り大きくすることは望ましく、ビームディフレクタにとって、走査される角度領域を大きくすることを可能とするように動作の角度範囲は、可能な限り大きくあるべきである。本発明の好ましい実施形態によると、本件の発明者は、これらの対立する必要条件を、音響光学装置を１次元フォトニック結晶に基づかせるように、一連のファブリペロエタロンを共に次々につなげる(cascading)ことにより、調和させることができることを見出した。こうして、本発明の第１の好ましい実施形態が、以下で、図３を参照して説明される。
【００４１】
図３を参照すると、間で複数のプレートからなるブロック３００を生じるように反射性のコーティング３１０と共に接着された透明な誘電物質からなる複数の薄いプレート３０５を備えた、本発明の第１の好ましい実施形態による改良された音響光学装置の断面図が与えられている。別個の複数の層を重ねて接着することを行う、この構成の方法により、大きな光学的な開口部からなる複数の構造が必要とされる、１０ミクロンの領域の波長の赤外光で用いるための構造を形成するための比較的簡単で比較的安価な解決法が提供される。このような用途では、達成可能な機械的な許容誤差は、満足がいく。全てのプレート３０５は、同じ厚さを有し、平面の平行な表面を有する一方、全てのリフレクタ３１０は、同じ反射率Ｒ１を有している。各プレート３０５は、隣接する対のリフレクタ３１０と共に、ファブリペロエタロンを形成している。全てのプレート３０５が同一の厚さを有し、結果として、全てのファブリペロエタロンが同じ複数の周波数で共振する。この結果、式３で規定される共振周波数に近い周波数では、光は、ブロック３００全体を透過され、ほとんどは、反射されない。
【００４２】
音響トランスデューサ３１５が、ブロック３００の一端に接着され、典型的には、４０ＭＨｚと２ＧＨｚとの間の周波数で動作することができるＲＦソース３２０により電力供給されている。ブロック３００の一端に入射するレーザビーム３２５は、このレーザの周波数がファブリペロエタロンの共振周波数の１つ又は他の近くに調整されている場合、ブロック３００を通過する。入射光ビーム３２５は、トランスデューサ３１５からの音響ビームにより出力ビーム３３０内に回折される。入射ビーム３２５の複数のリフレクタ３１０の面での入射角度は、出力ビーム３３０の方向がこれらリフレクタ３１０にほぼ垂直であるように調整され、入射ビーム３２５の周波数は、この周波数がブロック３００の共振周波数にほぼ対応するように調整される。同様に、入射ビーム３２５のこれらリフレクタ３１０での入射角も、式３による共振条件に対応するように調整される。音響トランスデューサ３１５が取り付けられている面は、これらリフレクタ３１０の平面への法線に対して、これらリフレクタ３１０への法線に対する回折角θ１のほぼ半分になるように設定された角度φ１で傾斜されている。この結果、ブラッグ条件が満たされ、結果として、入射光ビーム３２５は、最大効率で出力ビーム３３０内に回折される。
【００４３】
ソース３２０からの信号の音響周波数が変化されるにつれて、出力ビーム３３０の角度が変化し、この結果、この装置は、可変ビームディフレクタ又はスキャナとして用いられることができる。しかしながら、この装置が走査することができる角度範囲は、式１による光学的な共振条件を維持する必要により限定されている。この式は、出力ビーム３３０の角度が変化するにつれて、出力ビーム３３０の強度も変化することを示している。出力強度が最大の５０％内に維持される角度範囲は、式１により、以下のように示される。  
【数８】
2008537609.tif 000010
【００４４】
角度範囲は、プレート３０５の厚さＬａの平方根に反比例して変化し、この結果、Ｌａを小さくすることだけにより広い範囲の角度の偏向を得ることができる。リフレクタ３１０の反射率が変化されなければ、Ｌａを減少させることにより、回折効率の向上は、共振のために影響されない。結果として、共振器内のビーム強度の向上は、変化されないままである。Ｌａを小さくすると、個々の共振器に対するブラッグ条件を達成することは難しくなる。しかし、一連の全ての共振器からの回折されたビームがコヒーレントに共に加算されるので、十分に多数の共振器を連続して並べることにより、ブラッグ条件は、直ちに維持される。この場合、実質的に全ての出力パワーが単一の出力ビーム３３０内に回折される。
【００４５】
図３を参照して説明されたような遅い波の装置による回折効率の向上は、理論的には、いかなる波長λ０に対しても達成されることができるが、好都合な点は、従来の音響光学的なディフレクタと変調器とが特に貧弱な、スペクトルの赤外部分の波長に対して特に明確である。これは、式７に示されているように、回折効率は、波長の２乗の逆数に依存するからである。典型的には、１０マイクロメータの近くの実際的に重要な波長領域で、適当な回折効率を従来の装置で達成するためには、数十ワットの音響パワーが必要とされ、典型的には水冷が必要とされる。本発明の好ましい実施形態による、遅い光の音響光学装置は、必要とされる音響パワーを非常に低減することができる一方で、同等の変調バンド幅又は走査角度を維持する。結果として、例えば、レーザレーダのためのより実際的で非機械的な走査装置を得る。
【００４６】
本発明の第２の好ましい実施形態による、ほぼ１０マイクロメータの波長の光で用いるための音響光学的ディフレクタが、以下で、図４を参照して説明される。
【００４７】
図４を参照すると、真横から見ると、各プレート４０５が、実質的に同一の厚さを有し、一方の端に(one side)設けられた多層の部分的に透過性の反射性コーティング４１０を備え、赤外放射に対して透明なゲルマニウムのような物質から形成された薄い平面の平行な複数のプレート４０５を有していることを見ることができるディフレクタの断面図が与えられている。このコーティング素材（４１０）は、音が、表面反射無しで、プレート４０５とコーティング４１０との間を伝播するように、プレート４０５の音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを持つように選択されている。もちろん、反射性コーティング４１０を、同一の効果で、互い違いの複数のプレート４０５の両面に設けることもできる。これらプレート４０５は、共にオプティカルコンタクトし、又は接着剤で接着され、この結果、これらプレート４０５とリフレクタ４１０は、図４に示されているように、交互配置され、隣接するリフレクタ４１０の各対により形成されているファブリペロエタロンの共振周波数で、音響パワーと光学パワーとの両方を透過するブロック４００を形成している。非反射性コーティング４１５、４２０が、このブロック４００の外側面の各々に位置している。複数のプレートからなるブロック４００の上面は、平坦に研磨され、金属フィルム４２５がそこに蒸着されている。この上面が、図３を参照して上述した装置に対してと同じ基準に従って選ばれた角度で傾斜されていることは、好ましい。トランスデューサ４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ、４３０ｄからなる音響アレイが、金属フィルム４２５の表面に接着され、平面音波のソースを形成している。この音響アレイは、いかなる数のトランスデューサ４３０を有していてもよく、図４には、便宜のため、そのうち４つのトランスデューサ４３０ａ乃至ｄだけが示されている。これらトランスデューサ４３０ａ乃至ｄは、２０乃至２００ＭＨｚの範囲の選択された周波数で、ＲＦパワーの共通のソース４３５から駆動される。各トランスデューサ４３０ａ乃至ｄは、それぞれの遅延回路４４０ａ乃至ｄを介してソース４３５から供給され、トランスデューサ４３０ａ乃至ｄからの音響放射からなる位相アレイ(phased array)を形成している。この結果、この位相アレイは、ブロック４００を通って伝わる光学ビームとの音響光学的相互作用のためのブラッグ角に密接に整合する方向に、このブロック４００を通って伝わる平面音波を発生させるように配置されている。回路４４０ａ乃至ｄにより導入される位相遅延(phase delay)は、結果として生じる、位相アレイにより発生される音波の方向の変化が、音響光学的相互作用のブラッグ角の周波数依存する変化に密接に整合するように、ＲＦソース４３５の周波数と共に変化するように設計され、この結果、広い範囲のＲＦ周波数にわたって、効率的な音響光学的な相互作用のためのブラッグ条件が維持される。
【００４８】
動作に際して、レーザビーム４４５、例えば、ＣＯ２レーザからの１０．６マイクロメータ波長のビーム、が、ブロック４００に入射し、入射レーザビーム４４５が、リフレクタ４１０により形成されているＦＰエタロンの共振周波数に近いとするならば、このレーザビームは、大きな減衰なくこのブロックを通過する。プレート４０５の厚さは、これらプレート内を伝播する光の半波長の整数（倍）に等しいように調整されている。入射ビーム４４５のブロック４００への入射角θ１は、以下の式により与えられる、ファブリペロエタロンの１次透過率の最大となる角に等しくなるように調整されている。  
【数９】
2008537609.tif 000011
【００４９】
ここで、ｎは、屈折率、Ｌａは、プレート４０５の厚さである。０．５ｍｍのプレートの厚さと、１０．６μｍの波長とに対して、この波長でのゲルマニウムの屈折率を４．００６に取ると、角度θ１は、０．２９５ラジアン（１６．９度）である。ソース４３５からのＲＦ駆動周波数は、ブロック４００の非反射性面４１５、４２０に垂直な方向への１次の回折による光の回折を生じる周波数を中心とする範囲にわたって可変であるように設定されている。４９１８ｍ／ｓのゲルマニウム中での音波を仮定すると、このことは、１３５．２ＭＨｚの中心周波数を必要とする。リフレクタ４１０は、ゲルマニウムのプレートに挟まれている場合に、１０．６μｍの波長で０．９の反射率を有するように設計され、式５によると、ほぼ１０の因子の音響光学的な回折効率の向上を与える。ブロック４００が全長Ｌ＝２５ｍｍを有し、入射光学ビーム４４５が５ｍｍの幅を有し、ゲルマニウムに対する性能示数(figure of merit)が１．９×１０−１３ｓ３／ｋｇであると仮定すると、５０％の回折効率を達成するために必要とされる音響パワーの大きさは、式７によると、ほぼ１．５Ｗである。これは、従来の音響工学技術を用いる同等の寸法の装置にとってのほぼ１５Ｗに比肩する。この種の従来の装置は、余熱を除去するために水冷される必要があったものだった。一方、本発明による遅い光の装置は、アセンブリの音を吸収するベース４５５を介する伝導により冷却される必要だけがあるだろう。ソース４３５の周波数を変更すると、回折されたビーム４５０の放射角が変更される。しかし、回折されたビーム４５０が走査されることができる角度範囲は、式８により規定される、ＦＰエタロンのゼロ次の角度範囲により限定されている。この例では、この角度範囲は、Δθ＝０．０７５ラジアン（４．３度）である。この場合、ソース４３５の周波数は、１１９ＭＨｚから１５７ＭＨｚの範囲に及ぶ必要がある。もし、音波の方向の光学開口部が２５ｍｍならば、この場合、回折されたレーザビーム４５０の回折角は、ほぼ４．２×１０−４ラジアンであり、この結果、全走査角Δθで、約１７０の分解したスポット(resolved spots)を遠視野に発生させることが可能である。このことは、レーザビームを用いる長距離検知に多くの用途にとって適している。
【００５０】
本発明の第２の好ましい実施形態によるビームディフレクタは、従来の光学技術を用いて構成されることができる。複数のプレート４０５は、光学研磨機上で正確な厚さと平坦さとに研磨される。反射性の誘電コーティング４１０は、真空コーティングにより設けられ、プレート４０５は、プレートとコーティングとの間に分子結合を形成するオプティカルコンタクト、又は接着剤の薄層のいずれかにより共に接着される。音響トランスデューサ４３０ａ乃至ｄを、例えば、従来の研削と研磨とにより、ニオブ酸リチウムから、構成することができる。複数の金属の電極が、真空コーティングにより、トランスデューサ４３０ａ乃至ｄの表面に取り付けられ、トランスデューサ４３０ａ乃至ｄは、アース端子に接着され、ブロック４００の研磨された面は、真空圧縮接着(vacuum compression bonding)により、又は接着剤の薄層により接着される。
【００５１】
必要とされる程度に平坦で平行な非常に薄いプレートを従来の研磨技術により形成することは困難だが、ディフレクタの走査の角度範囲Δθを、プレート４０５をより薄くすることにより増加させることができる。例えば、プレート４０５の各々の厚さが、１０．６μｍでの光の半波長の１９倍に対応する、２５．１μｍだったならば、この場合は、入射レーザビーム４４５と出力ビーム４５０との両方を、両方ともファブリペロエタロンの中心共振の角度範囲内に含めることができる。この場合には、出力ビーム４５０の角度範囲Δθは、０．３４ラジアン（１９．３度）であり、遠視野での分解されたスポットの総数は、レーザレーダによる高解像度画像形成にとって十分な７６３個であろう。
【００５２】
本発明の第３の好ましい実施形態によると、「遅い光」を用いる音響光学的な変調器を、以下で図５を参照して説明されるように、構成することができる。
【００５３】
図５を参照すると、一連のファブリペロエタロンを形成するように、平面で平行な複数のリフレクタを入れて組立てられている(interspersed)光学的に透明な材料からなる複数のプレートを備えた、図４のブロック４００に類似の構成のブロック５００を有する音響光学的な変調器の断面図が与えられている。湾曲した音響トランスデューサ５０５が、ビーム５１５がブロック５００の内側にほぼコリメートされるように、トランスデューサ５０５がＲＦ信号発生器５２０により駆動される場合発生される音響ビーム５１５を集束させるように形状が取られている音響レンズ５１０に取り付けられている。音響パワーは、ブロック５００を通過した後で、アブソーバ５２５により吸収される。
【００５４】
レーザビーム５３０は、レンズ５３５により集束され、ブロック５００の内側で集束されたビーム５４０を形成する。ブロック５００を透過された光は、レンズ５４５によりコリメートされ出力ビーム５５０を形成する。集束された光ビーム５４０の方向は、音響ビーム５１５が、ブロック５００の内部の光ビーム５４０に対してブラッグ角で入射するように、集束された音響ビーム５１５の方向に対して傾斜されている。したがって、集束されたビーム５４０の光は、光学系から回折して出され用いられない第２のビーム（図５に示されていない）内に回折される。したがって、ＲＦ信号発生器５２０により供給されるパワーの変化は、出力ビーム５５０の出力パワーに対応する変化を生じさせ、このため、出力ビーム５５０に振幅変調を加えるように用いられることができる。従来の音響光学的な物質よりもむしろ、ブロック５００に対して「遅い光」の物質を使用すると、ブロック５００内の音響光学的な回折効率が大きく増加し、もし従来の物質が用いられたとしたら必要とされたであろう音響パワーよりも実質的に小さな音響パワーにより変調されることが可能となる。パワーを節約することにより、集束されたビーム５４０の光学的な開口部を比較的小さく形成するが可能となり、集束されたビーム５４０の直径を横断する音波の経過時間により決定される、変調器のバンド幅を比較的大きくすることが可能となる。
【００５５】
特定の例では、ブロック５００は、間に反射率０．９の薄いフィルムのリフレクタが接着され、ゲルマニウムからなる０．５ｍｍの厚さの平面の平行な複数のプレートからなるブロックと、ブロック５００の２つの外面に設けられている薄いフィルムの非反射性コーティングとを備えた、図４を参照して上述した遅い光の媒質に類似した遅い光の媒質を有している。入射レーザビーム５３０は、１０．６μｍの波長を有し、レンズ５３５によりブロック５００の内側の焦点領域５４０内に集束される。集束されたビーム５４０は、約０．１２ｍｍの直径を有する。音響トランスデューサ５０５は、１３５ＭＨｚの中心周波数を有する振幅変調ソース（５２０）により駆動される。音響トランスデューサ５０５は、音響レンズ５１０により集束される音響ビーム５１５を発生させる。この音響レンズ５１０は、ブロック５００の内側に、光学ビーム５４０の方向にほぼ１．２ｍｍの直径を有し、集束された光学ビーム５４０に垂直な方向に集束された光学ビーム５４０それ自身の直径と同程度のほぼ０．１ｍｍの直径を有する焦点領域を生じるアナモルフィックレンズである。集束された光ビーム５４０は、ブラッグ角でブロック５００の面に入射し、一方、音響ビーム５１５の中心軸は、ブロック５００の光学面(optical face)に垂直である。この場合のブラッグ角は、ほぼ０．１４５ラジアン（８．３度）である。音響ビーム５１５の集束された光ビーム５４０を横断する経過時間は、２４．５ｎｓであり、ほぼ４１ＭＨｚの変調バンド幅を与える。式７を用いると、集束された光ビーム５４０を５０％の深さ(depth)に変調するために必要とされる音響パワーが、ほぼ０．６５Ｗであることを示すことができる。これは、同様の性能の従来の音響光学変調器により必要とされるパワーよりも実質的に小さい。
【００５６】
コヒーレントなレーザレーダシステムで頻繁に必要とされる装置は、ターゲットの運動により起こされる戻り信号でのドップラ偏移を補償するための可変の周波数シフタである。もし、レーザレーダが、ほぼ１０μｍの波長で動作し、航空機を検出するために使用されるならば、運動する航空機から生ずるドップラ偏移は、１００ＭＨｚにもなりうる。この周波数偏移のための補償は、通常、ヘテロダイン受光器で局所的発振器レーザ(local oscillator beam)の周波数を変化させる音響光学装置により与えられる。周波数シフタは、通常、実質的な大きさのパワーを必要とするが、この大きさを、本発明による遅い光の装置を使用することにより大きく低減させることができる。
【００５７】
本発明の第４の好ましい実施形態によると、「遅い光」を用いる音響光学的な周波数シフタを、図６を参照して以下で説明されるように構成することができる。
【００５８】
図６を参照すると、各々が図４を参照して上述した装置と実質的に同一の２つの音響光学装置を有している、本発明の第４の実施形態による音響光学的な周波数シフタの断面図が与えられている。各々が図４のブロック４００と実質的に同一の２つのブロック６００、６０５は、それぞれ、それらに取り付けられている音響トランスデューサ６１０、６１５を有している。これらトランスデューサ６１０、６１５の各々は、共通のＲＦ信号ソース６２０から電力供給される。簡単のため、これら音響トランスデューサ６１０、６１５は、図６では、単一の装置として示されている。しかし、実際には、これら音響トランスデューサは、図４を参照して上述されたような、位相シフタ４４０ａ乃至ｄと類似した周波数依存性の位相シフタと関連したトランスデューサアレイ４４０ａ乃至ｄに類似のトランスデューサアレイを有している。このようなトランスデューサと位相シフタとのアレイの目的は、図４を参照して述べた目的と同一である。すなわち、音響周波数が変化されるにつれて、音響ビームと光ビームとの間の最適なブラッグ角を維持するように、ブロック６００、６０５内を伝播する音波の方向を案内することである。音響アブソーバ６２５、６３０が、トランスデューサ６１０、６１５からブロック６００、６０５内を伝播する音波を吸収するように設けられている。
【００５９】
使用に際して、ＲＦ信号ソース６２０が、周波数バンドの中心周波数に調整されている場合、コリメートされた単色レーザビーム６３５が、ブロック６００の表面に、ほぼブラッグ角の２倍で入射する。この周波数では、入射ビーム６３５は、中間ビーム６４０としてブロック６００から出て、この中間ビーム６４０が、次に第２のブロック６０５の面にほぼ垂直な角度で入射するように、回折される。このブロック６０５を伝播する音波は、次に、この中間ビーム６４０を回折し、出力ビーム６４５を形成する。ブロック６００、６０５内の音波により生ずる回折角は、等しく正反対であり、この結果、出力ビーム６４５は、入射ビーム６３５と平行に出るが、ＲＦ信号ソース６２０により発生された信号の周波数に依存して小さな量だけ変位される。ブロック６００、６０５からビーム６００、６５５として出る、光の回折されない部分は、それぞれ、音響アブソーバ６６０、６６５により吸収される。中間ビーム６４０と出力ビーム６４５との各々の周波数は、これらのそれぞれのブロック６００、６０５を通過すると、ソース６２０により発生されたＲＦ信号の周波数に等しい大きさだけ減少される。この結果、出力ビーム６４５の周波数は、入射ビーム６３５の周波数と比較して、ＲＦソース６２０により発生された信号の周波数の２倍だけ減少される。
【００６０】
特定の例では、ＲＦソース６２０は、１３５ＭＨｚの周波数に中心がある信号を発生し、これら信号の周波数を１１０ＭＨｚから１６０ＭＨｚの範囲にわたって変化させるように動作可能である。入射ビーム６３５は、１０．６μｍの波長で単色レーザであり、直径が５ｍｍである。この入射ビーム６３５のブロック６００での入射角は、０．２９１ラジアン（１６．７度）である。ブロック６００、６０５を有している遅い光の媒質は、実質的に図４を参照して上述された媒質と同一であり、各ブロックは、長さが２５ｍｍである。音響トランスデューサ６１０、６１５は、全体の長さ２５ｍｍの各々であり、ファブリペロエタロンの平面に平行な方向に５ｍｍの幅を有している。ブロック６００、６０５は、３０ｍｍ離されている。
【００６１】
式７を用いると、各ブロック６００、６０５で５０％の回折効率を生じるために必要とされる音響パワーがほぼ１．５Ｗであり、３Ｗの全体の音響パワーに対して２５％の全体の回折効率を与えることが計算される。ＲＦソース６２０は、５０ＭＨｚの範囲にわたって調整可能であるので、出力ビーム６４５は、周波数が２７０ＭＨｚの周波数を中心とする１００ＭＨｚの範囲にわたってシフトされる。
【００６２】
本発明の第５の好ましい実施形態によると、図７を参照して以下では改良された音響光学的な調整可能なフィルタが説明される。音響光学的な調整可能なフィルタは、光スペクトルから波長のナローバンドを選択し、音波の周波数を変化させることによりフィルタリングの中心周波数を変化させるように動作可能な装置である。これらの装置の性能は、音波と光との間の相互作用の効率に依存し、したがって、本発明の好ましい実施形態による遅い光の媒質を使用することにより改良されることができる。改良は、フィルタの角度視野と動作の最大波長とに関して達成可能である。この第５の実施形態による音響光学的な調整可能なフィルタは、３乃至５マイクロメータと８乃至１２マイクロメータとの大気の透過率ウィンドウ(transmission window)に対応して、特に、スペクトルの中赤外部分で効率的に動作することができる。
【００６３】
図７を参照すると、構成が図３を参照して上述されたブロック３００に類似している、複数の規則的に離間された平行なリフレクタを備えた、遅い光の媒質７００を有している改良された音響光学的な調整可能なフィルタの断面図が与えられている。動作に際して、離れた光源７０５が、入射ビーム７１０を形成する広いスペクトルの光を放射する。入射ビーム７１０は、偏光器７１５を介し、それから、プリズム７２０を介し、それから、角度が付けられた空気界面７２５を介して伝わり、遅い光の媒質７００を通過する中間ビーム７３０を形成する。規則的に離間された平行なリフレクタを有しているこの媒質７００は、中間光ビーム７３０が結晶のｚ軸に沿って異常波として伝播するように向き付けられたニオブ酸リチウムのような複屈折物質から形成されている。光は、遅い光の媒質７００から角度が付けられた空気界面７３５を介してプリズム７４０内へと出てそれから偏光器７４５を介して出力ビーム７５０を形成する。音響ビーム７５５は、典型的には１００乃至１５００ＭＨｚの範囲内の周波数で動作することができるラジオ周波数信号ソース７６５により駆動された縦波音響トランスデューサ７６０により遅い光の媒質内で発生される。トランスデューサ７６０からの音は、角度が付けられた空気界面で反射され、縦波から横波(shear wave)に変換され、この横波は、遅い光の媒質７００を通って伝播する中間光ビーム７３０と実質的に平行な方向の音響ビーム７３０として伝播する。媒質７００を通過した音響ビーム７７０は、角度が付けられた空気界面７３５から音吸収素材７７５に反射され、この音吸収素材により吸収される。
【００６４】
横波音響ビーム７７０と同一直線上を伝播する中間光ビーム７３０は、部分的に音響ビーム７７０から回折され、中間ビーム７３０と平行だが、この中間ビーム７３０の偏光に垂直な偏光を備えて伝わる光ビーム７３０ａを形成する。したがって、回折されたビーム７３０ａは、媒質７００からなる複屈折性の物質を正常波(ordinary wave)として伝播する。偏光器７４５は、この偏光器が、正常波の偏光の回折波７３０ａだけを通過させ、異常波(extraordinary wave)の偏光で伝播する中間光ビーム７３０を通過させない(reject)。したがって、出力ビーム７５０は、偏光器７４５の透過軸に沿って通過する(passing through)回折されたビーム７３０ａの成分を有している。回折された光ビーム７３０ａは、ＲＦソース７６５により発生される音波７５５の周波数だけ中間光ビーム７３０に対して周波数がシフトされている。この結果、出力ビーム７５０の周波数は、入射ビーム７１０の周波数とソース７６５からの音響周波数との和である。
【００６５】
入射ビーム７１０から出力ビーム７５０への効率のよい結合には、入射光ビーム７３０と、回折光ビーム７３０ａと、横波の音波(shear acoustic wave)７７０とが媒質７００内の相互作用領域にわたって位相整合されていることが必要とされる。このことは、  
【数１０】
2008537609.tif 000012
【００６６】
であることを必要とする。ここで、ｋｅ＝２πｎｅ／λは、媒質７００内での入射ビームの波数ベクトル、ｋｏ＝２πｎ０／λは、媒質７００内での回折光ビーム７３０ａの波数ベクトル、ｋａ＝２π／Λは、横波の音波７７０の波数ベクトルであり、ｎｅとｎｏとは、それぞれ、媒質７００の異常光線(extraordinary ray)の屈折率と、常光線(ordinary ray)の屈折率とであり、λ０は、真空中の光の波長であり、Λは、媒質７００中の音の波長である。位相整合のための必要条件により、中間ビーム７３０から回折ビーム７３０ａへ結合される波長範囲は、可視波長で典型的に１ナノメートル幅以下の狭い範囲に制限される。全ての他の波長は、効率的に結合されず、その結果、偏光器７４５から出力ビーム７５０へと出ない。
【００６７】
もし、媒質７００が、本発明による遅い光の構造が組み込まれていない複屈折物質であったならば、出力ビーム７５０で最大光強度を生じるために必要とされる音響パワーＰａは、  
【数１１】
2008537609.tif 000013
【００６８】
であることを示すことができる。ここで、ρは、物質（７００）の密度、Ｖは、この物質（７００）中での横波の音波（７００）、Ｌは、音響相互作用領域の長さ、ｐ４１は、物質（７００）の光弾性テンソル成分、Ａは、横波音響ビーム７７０の断面積である。出力ビーム７５０が最大の５０％よりも大きな強度を有する、出力ビーム７５０の全角度範囲Ψ（すなわち角度方向開口）は、ほぼ、  
【数１２】
2008537609.tif 000014
【００６９】
であることを示すこともできる。
【００７０】
式１１は、音響ビームの単位面積あたりの必要とされる音響パワーＰａ／Ａが、波長λ０の２乗に比例し、相互作用の長さＬの２乗に反比例することを示している。したがって、音響パワーの必要条件は、λ０が大きなスペクトルの赤外領域で大きくなる。式１１でλ０とＬとを式１２を用いて置き換えると、パワーの必要条件は、前記角度開口の２乗に比例して増加し、この結果、広い視野を備えた音響光学的な調節可能なフィルタは、大きな量の音響パワーを必要とすることが示される。しかしながら、図３を参照して既に上述されたように、例えば、規則的に離間され連続した部分的に反射性の複数の鏡を有する物質（７００）に遅い光の物質を組み込むことにより、鏡の間隔Ｌａが物質（７００）中でのレーザビームの半波長の整数（倍）にほぼ等しい、すなわち、Ｎを整数として、  
【数１３】
2008537609.tif 000015
【００７１】
の波長で音響光学的相互作用を大きく増加させることができる。この場合、出力ビームの最大を達成するための音響パワーの必要条件は、ほぼ因子（１−Ｒ）だけ減少される。ここでＲは、物質（７００）内に組み込まれている複数の鏡の反射率である。したがって、このような遅い光の構造を組み込むと、相互作用領域の長さＬが所定の量の音響パワーＰａに対して減少されることを可能にすることにより、音響光学的な調整可能なフィルタの角度開口を大きく増加させることができる。このことは、所定の量の音響パワーＰａに対して効率的にフィルタされることができ、したがって本発明のこの第５の実施形態による装置がスペクトルの赤外部分で効率的に作動されることを可能とすることができる最大波長λ０を大きく増加させることもできる。
【００７２】
このフィルタは、式１３により規定される狭い波長領域内でだけ効率的に動作するが、これらの領域を、複数の鏡の間の隔たりＬａを大きくすることにより、共に近く形成することができる。したがって、このフィルタは、小さな間隔により隔てられた規則的に離間された一連の複数の波長領域で動作する。代わりに、鏡の隔たりＬａをとても小さくすることができ、この場合、フィルタが効率的に動作する共振領域の波長範囲は、大きく、結果として、このフィルタは、複数の波長の間の非連続性がない大きな範囲にわたって調整することができる。
【００７３】
上述の装置の機能的な特性を変更せず、したがって本発明の目的とされる範囲から逸脱することなく、これらの音響光学装置を物理的に実現する際に複数の変形例を形成することができることが、関連技術の当業者には、明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】既知のタイプのフォトニック結晶に沿った断面図である。
【図２】向上した音響光学効果を利用する簡単な既知の音響光学装置に沿った断面図である。
【図３】本発明の第１の好ましい実施形態による、光学的な複数の共振器を備えている音響光学的な装置に沿った断面図である。
【図４】本発明の第２の好ましい実施形態による音響光学的なビームディフレクタに沿った断面図である。
【図５】本発明の第３の好ましい実施形態による音響光学的な変調器に沿った断面図である。
【図６】本発明の第４の好ましい実施形態による音響光学的な周波数シフタに沿った断面図である。
【図７】本発明の第５の好ましい実施形態による音響光学的な調整可能な光学フィルタに沿った断面図である。
【図１】
2008537609.tif 000016
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年10月1日(2007.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光された複数の光信号を受信するための光学入力部と、光学出力部とを備えている誘電性媒質内に分布している結合された複数の光学的共振器と、
受信された複数の光信号が前記複数の光学的共振器を通過する場合に、これら受信された光信号の伝播の方向に実質的に平行な方向に、前記複数の光学的共振器を介して伝播する、前記誘電性媒質内の横波の音波を発生させるために、この誘電性媒質の表面に取り付けられている少なくとも１つの音響トランスデューサと、
前記光学出力部から出力された光信号から、必要とされる偏向角の光を選択するための偏光器とを具備する調整可能な光学的なフィルタ。
【請求項２】
前記複数の光学的共振器の各々は、ファブリペロエタロンである請求項１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項３】
前記複数の光学的共振器は、フォトニック結晶により設けられている請求項１又は２に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項４】
前記複数の光学的共振器の各々は、平行な平面の面とこの平面の面の１つに設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとを有している、誘電材料からなる第１のプレートと、この第１のプレートの面と平行な誘電物質からなる同様な隣接するプレートの平面の面の１つに設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとから形成され、それぞれの前記コーティングを備えている複数の前記プレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている請求項１乃至３のいずれか１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項５】
前記複数の光学的共振器の各々は、第１の物質の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の異なる誘電物質からなる２つの隣接するプレートの間に配置されている前記第１の誘電物質からなるプレートにより形成され、これらプレートの各々は、平面の平行な面を有し、前記第１及び第２の誘電物質からなる交互の複数のプレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている請求項１乃至３のいずれか１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項６】
前記複数の光学的共振器を通過した音響エネルギーを吸収するように位置している音響アブソーバをさらに具備する請求項１乃至５のいずれか１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項７】
前記誘電性媒質への前記光学入力部は、傾斜された平面の面を有し、プリズムが、前記誘電性媒質とプリズムとの間の界面に隙間を残すように、前記傾斜された面に１つの面を平行にして取り付けられている請求項１乃至６のいずれか１に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項８】
前記傾斜された面は、前記トランスデューサにより前記誘電性媒質内に入射された縦波の音波を反射するように配置され、この結果、横波の音波を発生し、前記傾斜された面の傾斜角は、偏光された光信号が、前記プリズムを通過し前記隙間を横断すると、前記誘電性媒質に入り、前記横波の音波の伝播の方向と実質的に平行な方向に伝播するような傾斜角である請求項７に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項９】
前記誘電性媒質からの光学出力部は、他の傾斜された平面の面を有し、他のプリズムが、前記誘電性媒質とこの他のプリズムとの間の界面に隙間を残すように、１つの面が前記他の傾斜された面に平行になるように取り付けられ、この結果、前記複数の光学的共振器から出る音響的エネルギーが、前記誘電性媒質内で前記他の傾斜された面により反射される請求項７又は８に係る調整可能な光学的フィルタ。
【請求項１０】
誘電性媒質内に位置している結合された複数の光学的共振器と、この誘電性媒質の表面に取り付けられている少なくとも１つの音響トランスデューサとを有している音響光学モジュールを具備し、
前記少なくとも１つの音響トランスデューサは、前記複数の光学的共振器を通過する入射光信号に周波数シフトを与えるように、音波をこれら複数の光学的共振器内に入射させるように配置されている、光学的周波数シフタ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの音響トランスデューサは、前記音波の前記光に対する入射角がこの光の最大の回折のためのブラッグ条件を実質的に満たすように、前記音波を前記複数の光学的共振器内に入射させるように配置されている請求項１０に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１２】
前記光学的周波数シフタを通過する入射光信号に第１及び第２の周波数シフトを与えるように並べられて配置されている２つの前記音響光学モジュールを具備している請求項１０又は１１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１３】
前記複数の光学的共振器の各々は、ファブリペロエタロンである請求項１０、１１、又は１２のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１４】
前記複数の光学的共振器は、フォトニック結晶により設けられている請求項１０、１１、又は１２のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１５】
前記複数の光学的共振器の各々は、平行な平面の面と、１つのこの平面の面に設けられている部分的に透過性の反射性コーティングとを有している、誘電性物質からなる第１のプレートと、この第１のプレートと平行な誘電性物質からなる同様の隣接するプレートの１つの平面の面に設けられた部分的に透過性の反射性コーティングとにより形成され、それぞれの前記コーティングを備えている複数の前記プレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている請求項１０乃至１３のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１６】
前記複数の光学的共振器の各々は、第１の物質の屈折率と異なる屈折率を有する第２の異なる誘電物質からなる２つの隣接するプレートの間に配置されている第１の誘電物質からなるプレートにより形成され、これらプレートの各々は、平面の平行な面を有し、前記第１及び第２の誘電物質からなる交互の複数のプレートは、光学的に結合された複数の光学的共振器のブロックを形成するようにともに接着されている請求項１０乃至１２のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの音響トランスデューサは、前記複数の光学的共振器内に可変な角度で音波を入射させる位相トランスデューサのアレイとして動作可能な複数のトランスデューサ部材を有している請求項１０乃至１６のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１８】
音響レンズが、前記少なくとも１つの音響トランスデューサと複数の光学的共振器との間に配置され、この音響レンズは、前記複数の光学的共振器の近傍で実質的にコリメートされた音波を形成するように形状が取られている請求項１０乃至１７のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【請求項１９】
前記複数の光学的共振器を通過した音響エネルギーを吸収するように位置している音響アブソーバをさらに具備する請求項１０乃至１８のいずれか１に係る光学的周波数シフタ。
【国際調査報告】
2008537609.tif 000023
2008537609.tif 000024
2008537609.tif 000025