(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が球面で形成された環状の表面を有しているとともに、前記環状の表面の一部を含んでいる前面に入射した光を前記球面の中心を通り前記前面とは反対側の前記環状の表面の他部を含んでいる裏面から出射させ、この間に前記入射した光を絞る対物レンズと、
前記環状の表面に沿って前記環状の表面の連続する方向に伝搬する弾性波を励起する弾性波励起手段と、
前記対物レンズの前記前面に光を導く光導入手段と、
を具備しており、
前記対物レンズの前記環状の表面の曲率半径と、前記弾性波励起手段により励起され前記環状の表面に沿い前記環状の表面の連続する方向に伝搬する弾性波の伝搬方向と直交する方向の幅及び周波数と、の組み合わせが前記弾性波を集束させるよう選定されていて、
前記光導入手段により前記対物レンズの前記前面に光が導かれている間に前記弾性波励起手段により前記環状の表面に弾性波を励起し伝搬させ、前記対物レンズの前記裏面において前記対物レンズの内部を透過し絞られた光に前記伝搬し集束された弾性波を重ねて音響光学効果を発生させる、
ことを特徴とする音響光学素子。
【請求項２】
前記音響光学効果は、前記環状の表面近傍におけるラマンナス散乱又はブラッグ回折に基づく効果であり、前記光導入手段により前記対物レンズの前記前面に導かれ前記対物レンズの前記裏面から出射された光の偏向を行うことを特徴とする請求項１に記載の音響光学素子。
【請求項３】
前記音響光学効果は、前記環状の表面近傍におけるラマンナス散乱又はブラッグ回折に基づく効果であり、前記光導入手段により前記対物レンズの前記前面に導かれ前記対物レンズの前記裏面から出射された光のスイッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載の音響光学素子。
【請求項４】
前記音響光学効果は、前記環状の表面近傍におけるラマンナス散乱又はブラッグ回折に基づく効果であり、前記光導入手段により前記対物レンズの前記前面に導かれ前記対物レンズの前記裏面から出射された光の周波数変調を行うことを特徴とする請求項１に記載の音響光学素子。
【請求項５】
前記弾性波励起手段は、前記環状の表面に設けられていて櫛形電極を有している圧電素子か、前記環状の表面に設けられている磁歪素子か、前記環状の表面に前記弾性波を励起するための励起光を導く励起光導入手段か、前記環状の表面に前記弾性波を励起するための電子線を導く電子線導入手段か、を備えていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の音響光学素子。
【請求項６】
前記弾性波は、弾性表面波、擬似弾性表面波、ラテラル波又は回廊波であることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の音響光学素子。
【請求項７】
前記弾性波励起手段は、前記環状の表面に設けられている櫛形電極を有している前記圧電素子を備えており、
前記弾性波励起手段により励起される弾性波の伝搬方向に直交する方向の幅及び周波数に対応した幅と櫛間の距離とを前記櫛形電極が有している、ことを特徴とする請求項５に記載の音響光学素子。
【請求項８】
前記弾性波は前記環状の表面を周回し、１回周回した後の位相変化は２πの整数倍である、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の音響光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響光学素子に関し、特に詳細には、ボールレンズ等の球状光学素子の表面および表面直下に弾性波（弾性表面波、ラテラル波、擬似弾性表面波等）を伝搬させ、球上又は球内部において光と弾性波を相互作用させることにより、上記光学素子に光の制御機能（偏向、スイッチング、周波数シフトなど）を付加する音響光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールレンズなど球状光学素子は、小型化の容易さ、加工精度、集束性能などに優れ、微小光学素子として半導体レーザ光の集光、光ファイバ光学系とのカップリングなど、小型で高性能を要求される光学系に多く使用され、光通信、光応用計測、メカトロニクス、マイクロマシンなどの分野において必要不可欠な部品である。
【０００３】
上記の光学機器では、光の偏向、スイッチング、周波数シフトなどの制御が必要であり、この目的のため、弾性波と光の相互作用を利用した音響光学（Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ；ＡＯ）素子を使用する場合がある。しかし、ボールレンズなどを用いる微小光学系では、複数の素子間の相互配置の調整は容易でないため、単一素子に複数機能を集積して、素子数を極力減らすことが望ましい。また、今後一層整備が進む光通信系の省エネルギー運転や、エネルギー補給が困難なマイクロマシンのセンサ開発のため、消費電力の少ない高効率な光制御を可能にする音響光学素子が望まれている。
【０００４】
球面における弾性表面波と光の相互作用を用いた技術として、Ｔｓａｉらの報告がある。ここでは、半球上で表面に沿って伝搬する光と弾性表面波を相互作用させると、弾性表面波の周波数に依存した角度に光が回折するため、回折光の空間分布を計測することによって、弾性表面波の周波数スペクトルを測定している（Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ＬｉＮｂ０３  ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  ＲＦ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，”Ｐｒｏｃ．１９８４ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｐｐ．３５７−３６０，１９８４．）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記技術では、半球しかないので弾性表面波の無回折伝搬による多重周回は不可能であり、コリメート又は集束などの弾性波の状態を変更することも行われていない。また、球面を入射光と射出光をともなう空間光学系における光学素子として機能させることも開示されていない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、ボールレンズ等の微小な球状光学素子に弾性波を伝搬させ、音響光学素子としても機能させることによって、空間利用効率が高く、調整が容易で、効率も極めて高い音響光学素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる音響光学素子では、
少なくとも一部が球面で形成された環状の表面を有しているとともに、前記環状の表面の一部を含んでいる前面に入射した光を前記球面の中心を通り前記前面とは反対側の前記環状の表面の他部を含んでいる裏面から出射させ、この間に前記入射した光を絞る対物レンズと、
前記環状の表面に沿って前記環状の表面の連続する方向に伝搬する弾性波を励起する弾性波励起手段と、
前記対物レンズの前記前面に光を導く光導入手段と、
を具備しており、
前記対物レンズの前記環状の表面の曲率半径と、前記弾性波励起手段により励起され前記環状の表面に沿い前記環状の表面の連続する方向に伝搬する弾性波の伝搬方向と直交する方向の幅及び周波数と、の組み合わせが前記弾性波を集束させるよう選定されていて、
前記光導入手段により前記対物レンズの前記前面に光が導かれている間に前記弾性波励起手段により前記環状の表面に弾性波を励起し伝搬させ、前記対物レンズの前記裏面において前記対物レンズの内部を透過し絞られた光に前記伝搬し集束された弾性波を重ねて音響光学効果を発生させる、
ことを特徴としている。
【０００８】
表面上で弾性波と光とを相互作用させることにより、球面を有する光学素子に光の制御機能を付加することができる。特に、弾性波と光とを表面の同一部分に夫々集束することにより、光制御効率と応答速度を向上させることができる。
【０００９】
本発明の請求項２に係わる音響光学素子では、前記音響光学効果は、前記環状の表面近傍におけるラマンナス散乱又はブラッグ回折に基づく効果であり、前記光導入手段により前記対物レンズの前記前面に導かれ前記対物レンズの前記裏面から出射された光の偏向を行うことを特徴としている。
【００１０】
本発明の請求項３に係わる音響光学素子では、前記音響光学効果は、前記環状の表面近傍におけるラマンナス散乱又はブラッグ回折に基づく効果であり、前記光導入手段により前記対物レンズの前記前面に導かれ前記対物レンズの前記裏面から出射された光のスイッチングを行うことを特徴としている。
【００１１】
本発明の請求項４に係わる音響光学素子では、前記音響光学効果は、前記環状の表面近傍におけるラマンナス散乱又はブラッグ回折に基づく効果であり、前記光導入手段により前記対物レンズの前記前面に導かれ前記対物レンズの前記裏面から出射された光の周波数変調を行うことを特徴としている。
【００１２】
本発明の請求項５に係わる音響光学素子では、前記弾性波励起手段は、前記環状の表面に設けられていて櫛形電極を有している圧電素子か、前記環状の表面に設けられている磁歪素子か、前記環状の表面に前記弾性波を励起するための励起光を導く励起光導入手段か、前記環状の表面に前記弾性波を励起するための電子線を導く電子線導入手段か、を備えていることを特徴としている。
【００１３】
特に、励起光導入手段を用いて、パルス化または強度変調したレーザ光を照射すると、熱弾性効果により弾性波を発生することができる。このレーザ光として光通信や光演算用のレーザ光を用いると、電子素子を用いず、光だけを使用する音響光学素子を提供できる。
【００１４】
本発明の請求項６に係わる音響光学素子では、前記弾性波は、弾性表面波、擬似弾性表面波、ラテラル波又は回廊波であることを特徴としている。
【００１５】
光と相互作用する弾性波として、表面近傍にエネルギーの集中した、上記のモードを利用することにより、弾性波励起手段により励起された弾性波の大部分を効率良く光と相互作用させることができるので、効率の高い音響光学素子を提供できる。
【００１８】
本発明の請求項７に係わる音響光学素子では、前記弾性波励起手段は、前記環状の表面に設けられている櫛形電極を有している前記圧電素子を備えており、前記弾性波励起手段により励起される弾性波の伝搬方向に直交する方向の幅及び周波数に対応した幅と櫛間の距離とを前記櫛形電極が有している、ことを特徴としている。
【００２６】
本発明の請求項８に係わる音響光学素子では、前記弾性波は前記環状の表面を周回し、１回周回した後の位相変化は２πの整数倍である、ことを特徴としている。
【００２７】
このように構成されていることにより、共振状態が実現されるので、音響光学効果を低エネルギーで長時間継続させることができる。従って、高いエネルギー効率を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１から図３を参照して、本発明の実施の形態に係わる音響光学素子を説明する。先ず、図１を参照して本発明の第１の実施の形態の音響光学素子を説明する。図１の（Ａ）は音響光学素子の側面図であり、図１の（Ｂ）はこれの上面図である。音響光学素子は球状の対物レンズ２と、対物レンズ２の表面に設けられ、櫛形電極４を有している圧電素子（図示せず）とを備えている。圧電素子は対物レンズ２の表面に沿って伝搬する、弾性波を励起するための弾性波励起手段として用いられている。対物レンズ２は半径Ｒ１＝０．５ｍｍ、屈折率ｎ１＝１．７８、焦点距離ｆ１＝５７０μｍのＴａＦ３球レンズであり、基材として用いられている。ここで球レンズの半径Ｒ、屈折率ｎおよび焦点距離ｆの間には、ｆ＝ｎ・Ｒ／２（ｎ−１）の関係がある。対物レンズ２から距離をおいて、球状の補助レンズ６と光ファイバ８とが配設されている。対物レンズ２、補助レンズ６及び光ファイバ８はこの順に互いに離間して位置されている。補助レンズ６と光ファイバ８とは前記弾性波が伝搬する、対物レンズ２の表面に光を照射するための光導入手段として用いられている。補助レンズ６は半径Ｒ２＝１．８７５ｍｍ、屈折率ｎ２＝１．５１、焦点距離ｆ２＝２．７５ｍｍのＢＫ７球レンズである。光ファイバ８のコア及びクラッドの直径は夫々４８．４μｍ，１２５μｍである。補助レンズ６と光ファイバ８の端面との距離αは８７５μｍであり、補助レンズ６と対物レンズ２との距離βは９４５μｍである。対物レンズ２のワーキングディスタンスγは７０μｍである。
【００２９】
光ファイバ８の端面から出射した拡散光は補助レンズ６によりコリメートされる。補助レンズ６は、光ファイバ８の端面が補助レンズ６の焦点位置に位置されるように配置されている。このコリメート光は対物レンズ２の前面に入射し、対物レンズ２の内部を透過して前面とは反対側の裏面に導かれる。このとき、この光は上記コリメート光の光軸１０に沿って絞られる。この後、この裏面から出射して、図示しない物体表面、受光用光ファイバのコア等に集光される。対物レンズ２は、光軸１０が球状の対物レンズ２の中心を通るように配置されている。
【００３０】
上記光学系は、光ファイバ８の端面から出る拡散光を、２つの共焦点配置の球レンズによって集光する２球式共焦点光学系である。この光学系の用途は、狭隘なところで使えるファイバ型レーザ走査顕微鏡や描画装置のラスタ走査系として集束光の偏向を行うことや、光通信用光学系において、複数の光ファイバー列を対象とした光分岐及び光分波を行うこと等である。レンズを共焦点配置にする目的は、微小なコアから発散される光を最大の結合効率で最小のスポットに集束することである。
【００３１】
球上に励起された弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ；ＳＡＷ）が、球の赤道近傍の軌道に沿って減衰せずに何周でもまわり続けるという新規な現象が、レーザを用いて軸受球上に励起された弾性表面波の実験中に発見されたことが知られている（Ｋ．Ｙａｍａｎａｋａ，Ｈ．Ｃｈｏ  ａｎｄ  Ｙ．Ｔｓｕｋａｈａｒａ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６（２０００）２７９７）。この原因を解析した結果、球特有の幾何学的効果により波動の回折現象が抑制され、弾性表面波が集束またはコリメート状態で限られた幅の軌道に閉じ込められて伝搬するためであることが理論的に解明された（Ｋ．Ｙａｍａｎａｋａ，Ｈ．Ｃｈｏ  ａｎｄ  Ｙ．Ｔｓｕｋａｈａｒａ：電子通信学会技術研究報告．ＵＳ２０００−１４（２０００−５）４９．）。
【００３２】
この無回折伝搬による多重周回現象は、これが初めて発見されたレーザで励起された弾性表面波に限らず、圧電素子で励起された弾性表面波でも同様に観測されることが確認され、この現象を応用した球状の弾性表面波素子が提案されている（Ｙ．Ｔｓｕｋａｈａｒａ，Ｎ．Ｎａｋａｓｏ，Ｈ．Ｃｈｏ  ａｎｄ  Ｋ．Ｙａｍａｎａｋａ：電子通信学会技術研究報告．ＵＳ２０００−５５（２０００−９）３１．及びＹ．Ｔｓｕｋａｈａｒａ，Ｎ．Ｎａｋａｓｏ，Ｈ．Ｃｈｏ  ａｎｄ  Ｋ．Ｙａｍａｎａｋａ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７７（２０００）２９２６）。無回折伝搬による多重周回現象は、弾性表面波に限らず、回廊波やラテラル波と呼ばれる表面近傍に集中するバルク弾性波でも起こると考えられている。
【００３３】
本実施の形態の音響光学素子は上記の現象を利用している。上記圧電素子は、対物レンズ２の表面において光軸１０と直交する直径の一端に設けられている。圧電素子の両側には電力を供給するための電極４１が設けられており、この電極４１からは、図示しない電源に接続されているリード線４２が延びている。圧電素子により励起される弾性波は、弾性表面波、擬似弾性表面波、ラテラル波又は回廊波であり、上述したように、対物レンズ２の表面に沿って伝搬する。櫛形電極４は方向性電極であり、弾性波は一方向に伝搬する。後に示すように、弾性波の空間分布は、圧電素子により励起された直後の弾性波の、伝搬する方向に直交する方向の幅と、弾性波の波数（2π÷波長）と対物レンズ２の半径との積として定義される波数パラメータとにより決定できる。対物レンズ２の半径と、弾性波の上記幅及び上記波長から導かれる周波数との組み合わせは、前記表面において、前記弾性波を集束させるか、又はコリメートさせるかのいずれかの状態にするよう選定されている。櫛形電極４は上記弾性波の幅及び周波数に応じた形状を有している。櫛形電極４の幅は上記弾性波の重なり幅に対応して設計されており、櫛形電極４の櫛の間隔は上記弾性波の周波数に対応して設計されている。圧電素子により励起された弾性波は、図１の（Ａ）の矢印Ｆの方向に、裏面において光軸１０上まで伝搬し、ここで集束する。弾性波の集束した部分（集束部）に、光軸１０に沿って絞られた光が導かれ、ここで重なる。集束した弾性波は、対物レンズ２の中心を挟んで圧電素子と反対側まで伝搬し、圧電素子により励起された直後の音場に復元する。この後、前面側の光軸１０上まで伝搬してここで集束し、圧電素子まで伝搬して、もとの音場に復元する。以降、同じ経路に沿って集束と復元とを繰り返しながら周回する。
【００３４】
上述した波数パラメータの値を、対物レンズ２の裏面側の弾性波の集束部の大きさと、この集束部に重なる光のビーム径とが概ね等しくなるように設計すると、対物レンズ２の裏面側における弾性波と光の重なりが最大になる。これに対して、対物レンズ２の前面側では、光ビームは広がっており、弾性波は集束しているので、弾性波と光の重なりは小さい。また、弾性波は対物レンズ２の裏面の集束部で一方向に伝搬する。この結果、対物レンズを透過する光は、対物レンズ２の裏面側において音響光学効果が発生することにより一方向に回折されることで偏向され、同時に周波数や偏光状態の変調を受ける。また、この音響光学効果を利用して光のスイッチングを行うことができる。この音響光学効果は、弾性波と光の周波数比によってラマンナス散乱またはブラッグ回折となる。
【００３５】
弾性波と光とを表面の同一部分に夫々集束することにより、光制御効率と応答速度を向上させることができる。
【００３６】
弾性波を対物レンズ２の外周を周回する連続波とし、１回周回した後の位相変化を２πの整数倍とすることで、各周回の弾性波の位相が揃って強め合う。この結果、小さい消費電力で長時間継続して弾性波を伝搬させることができる。また、対物レンズ２を保持する側面には弾性波が伝搬しないように設計できるため、対物レンズ２を保持する保持部材１２により弾性波が散乱される現象も防止できる。球状物体の弾性波のこれらの特徴を利用することにより、高いエネルギー効率を実現するという利点が生まれる。
【００３７】
この利点は、今後一層整備が進む光通信系統の省エネルギー運転や、エネルギー補給が困難なマイクロマシンのセンサとして用いるとき、極めて有益であると考えられる。
【００３８】
本実施の形態で、弾性波励起手段として櫛形電極を有している圧電素子が用いられているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、磁歪素子を用いてもよい。
【００３９】
また、本実施の形態で、各部材の寸法Ｒ１，ｎ１，ｆ１，Ｒ２，ｎ２，ｆ２と、夫々の部材間の距離α，β，γは特定の値を有しているが、本発明はこれらの値に限定されるものではない。本実施の形態の作用効果を実現できる限りにおいて、適宜、変更することができる。
【００４０】
次に、図２を参照して第２の実施の形態の音響光学素子を説明する。本実施の形態の構成の大部分は、基本的に第１の実施の形態の構成の大部分と同じである。尚、本実施の形態において、第１の実施の形態の図１の（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明した構成部材と実質的に同一の構成部材は、第１の実施の形態の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４１】
図２は音響光学素子の側面図である。本実施の形態の構成が第１の実施の形態の構成と異なる点は、弾性波励起手段の構成である。本実施の形態では、第１の実施の形態の圧電素子の代わりに、対物レンズ２の同じ部分に光吸収性の薄膜４ａが設けられており、薄膜４ａの上方には励起光導入手段を構成している集光レンズ２０が配置されている。薄膜４ａと集光レンズ２０とは弾性波励起手段を構成している。第１の実施の形態の球状の補助レンズ６の代わりには両凸レンズ６ａが用いられている。両凸レンズ６ａを用いても球状の補助レンズ６と実質的に同様の作用効果が得られる。対物レンズ２の裏面側には受光用光ファイバ２１が図示されている。
【００４２】
パルス化または強度変調したレーザ光を集光レンズ２０により薄膜４ａに集光すると、熱弾性効果により弾性波が発生する。これを利用すると、第１の実施の形態と同様にして、音響光学効果を発生させることができる。
【００４３】
弾性波を励起するレーザを光通信や光演算に用いるレーザとすると、電子素子を用いない全光ＡＯ素子となり、電磁波妨害の強い環境や超高速が要求される用途に適用できる。
【００４４】
本実施の形態では、レーザ光を薄膜４ａに集光して弾性波を励起しているが、電子線導入手段を用いて電子線を対物レンズ２の表面に照射して弾性波を励起してもよい。
【００４５】
本実施の形態の音響光学素子により励起された弾性表面波の音場の評価を以下に示す。図３はこの評価のために使用した実験装置の斜視図である。この図３を参照して実験装置の構成を説明する。この実験装置の構成は本実施の形態の音響光学素子の構成と基本的に同じである。尚、この説明において、本実施の形態の図２を参照して説明した構成部材と実質的に同一の構成部材は、本実施の形態の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４６】
この装置は、対物レンズ２の代わりに、表面が鏡面研磨された鋼球２ｃを用いており、集光レンズとして回転ステージ３０に保持されたシリンドリカルレンズ２０ｃを用いている。弾性波を励起するレーザ光にはパルス幅が５ｎｓｅｃのＮｄ：ＹＡＧパルスレーザが用いられている。このレーザ光３１の鋼球２ｃの表面上でのスポット形状は線状（スポット線３２）である。回転ステージ３０は、スポット線３２が鋼球２ｃの表面上で回転するように、レーザ光３１の光軸３３を回転軸としてシリンドリカルレンズ２０ｃを図３の矢印Ｒの方向に回転させる。シリンドリカルレンズ２０ｃと鋼球２ｃとの間にはピンホール３４が配置されており、これにより、スポット線３２の幅を変化させることができる。鋼球２ｃの直径は１５ｍｍであり、接触部分を最小限にするため鋭い３つの針１２ｃで支持されている。評価される弾性表面波が伝搬する面に対向する方向にはレーザ干渉計３５が配置されている。干渉計３５は２方向ステージ３６により保持されている。干渉計３５の感度は１０−１３ｍ／Ｈｚ１／２である。
【００４７】
ＹＡＧレーザ光を照射すると、上記スポット線３２から弾性表面波３７が励起される。弾性表面波３７は、スポット線３２の延びる方向と直交し、鋼球２ｃの表面を１周する伝搬経路３７ａに沿って伝搬する。弾性表面波３７が伝搬している鋼球２ｃの表面において、音場を評価したい部分（測定点３８）にＨｅＮｅレーザ光３９を照射すると、この光は弾性表面波３７により位相変調を受け反射される。この反射光をマイケルソン型の干渉光学系を有した干渉計３５に導入して参照光と重ね合わせると、位相変調が強度変調に変換される。この強度変調はフォトダイオードで電気信号として検出される。
【００４８】
スポット線３２の中心３２ａと測定点３８とは常に、鋼球２ｃの赤道線５０上にある。赤道線５０は水平面上にある。中心３２ａから伝搬経路３７ａに沿って角度φ１に対応する弧を形成するように進み、さらにここから伝搬経路３７ａと直交する方向に鋼球２ｃの表面に沿って角度θ１に対応する弧を形成するように進むと、赤道線５０上の測定点３８に至る。弾性表面波３７に対する測定点３８の位置はこれらの角度θ１，φ１で規定されている。
【００４９】
弾性表面波の音場を評価するため、上記フォトダイオードの検出信号振幅の角度θ１依存性を測定した。この角度θ１の変化は、励起用レーザビーム３１の光軸３３を鋼球２ｃの中心５１に合わせた後、線集光用のシリンドリカルレンズ２０ｃを回転させて行った。ここで、φ１＝９０°であり、シリンドリカルレンズ２０ｃを回転させると、スポット線３２が回転し、これにともない、弾性表面波３７の伝搬経路３７ａが、スポット線３２の中心３２ａと鋼球２ｃの中心５１とを結ぶ直線を軸として回転する。この結果、伝搬経路３７ａは測定点３８から赤道線５０と垂直な方向にずれるので、レンズの回転角θ１’は検出点３８の仰角、即ち角度θ１と同等となる。この方法を用いると、検出用の光学系を動かさないため、反射光量が常に最大の状態で計測でき、広範囲な仰角での音場測定に有利である。
【００５０】
図４には上記フォトダイオードの検出信号振幅に基づいて求めた球表面変位の時間依存性が示されている。音源の見こみ角θＡは２１．５°である。ここで、音源の見こみ角θＡは、スポット線を形成する弧に対する角度の１／２である。音源の見こみ角θＡはピンホール３４により調節される。信号は５００回平均した。線集光したレーザにより励起された弾性表面波が、多重周回する現象が観測された。Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…はそれぞれ右と左周りに夫々１，２，３…周回する弾性表面波である。励起された弾性表面波はほとんど減衰せず、３０回を超える多重周回が確認できた。一方、球内部を反射あるいは周回するバルク波（Ｐ）は、励起の初期に存在するが、その振幅は小さかった。
【００５１】
図５の（Ａ）及び（Ｂ）は、左回り１周目の信号Ｌ１と７周目の信号Ｌ７の波形を示す。Ｌ１は始めわずかに正になり、それから負になることから、励起機構はアブレーションと熱弾性の中間状態であることが分かる。弾性表面波の波形は７周回を重ねることにより、分散の影響により変化した。図５の（Ｃ）はウェーブレット変換により求めた分散曲線である。この図から、波数パラメータｍ＝３１．８（２ＭＨｚ）以下の場合は、分散が大きく現れることが分かった。
【００５２】
音源の見こみ角θＡ＝５．７°，２１．５°の場合について、弾性表面波の振幅分布を夫々Ｌ１の波形を用いて求める。図６はＬ１のスペクトル波形である。角度θ１が増加すると振幅は減少した。φ１＝３０°の広角では２０ｄＢ程度減少した。これより弾性表面波が帯状領域内に閉じ込められることが確認された。
【００５３】
図７は、１周目の信号Ｌ１の各周波数における振幅を、角度θ１に対してプロットした結果である。角度θ１の原点は、１０ＭＨｚの周波数成分の振幅が最大となる角度とした。ここで、振幅がθ１＝０°の半分となる角度(半角Ｈａｌｆａｎｇｌｅ)をθＦと定義する。θＡ＝２１．５°の場合（図７の（Ａ））、ｍ＝１５８．８（１０ＭＨｚ）ではθＦ＝１．９°であり鋭い集束ビームが得られた。ｍ＝３１．８（２ＭＨｚ）でも弱い集束ビーム（θＦ＝１３．４°）であった。θＡ＝５．７°の場合（図７の（Ｂ））、ｍ＝１５９．２（１０ＭＨｚ）では弱い発散ビーム（θＦ＝９．０°）であり、ｍ＝３１．８（２ＭＨｚ）では強い発散ビーム（θＦ＝３７．４°）であった。この結果により、弾性表面波の分布は半値開口角（音源の見こみ角θＡ）と波数パラメータにより決定できることが明らかとなった。理論値（実線）と比べると、２ＭＨｚから１０ＭＨｚの周波数範囲において低角（θ１≦θＦ）で良く一致した。
【００５４】
図７の（Ａ）のθＡ＝２１．５°，θ１＞θＦにおいて８ＭＨｚ以上の周波数範囲では、理論値にない大きなサイドローブが存在したが、このサイドローブはメインピークに比べて小さいため、音響光学効果には大きな影響は無いことが分かった。
【００５５】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述したことから明らかなように、本発明に従った音響光学素子においては、ボールレンズなどの微小な球状光学素子に弾性波を伝搬させ、音響光学素子としても機能させることによって、空間利用効率が高く、調整が容易で、効率も極めて高い音響光学素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態における音響光学素子の側面図、（Ｂ）は（Ａ）の音響光学素子の上面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態における音響光学素子の側面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態における音響光学素子により励起された弾性表面波の音場を評価するための実験装置の斜視図。
【図４】図３の実験装置で得られた球表面変位の時間依存性を示すグラフ。
【図５】（Ａ）は図４グラフのＬ１の部分拡大して示したグラフ、（Ｂ）はＬ７の部分拡大して示したグラフ、そして（Ｃ）は弾性表面波の群速度分散曲線図。
【図６】角度θ１を変化させた場合の弾性表面波の周波数スペクトル。
【図７】（Ａ）はθＡ＝２１．５°である場合、（Ｂ）はθＡ＝５．７°である場合における弾性表面波のＬ１の部分の振幅の角度θ１依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
２  対物レンズ（基材）
２ｃ  鋼球（基材）
４  櫛形電極（弾性波励起手段）
４ａ  薄膜（弾性波励起手段）
６  補助レンズ（光導入手段）
６ａ  両凸レンズ（光導入手段）
８  光ファイバ（光導入手段）
２０  集光レンズ（弾性波励起手段、励起光導入手段）
２０ｃ  シリンドリカルレンズ（弾性波励起手段、励起光導入手段）
【図１】
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【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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