(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる周波数を有する一対の直交する偏光ビームを生成する装置であって、該装置は、
光軸（ｚ）を有する多面の異方性の光学的に活性な結晶であって、該異方性の光学的に活性な結晶は、左施性楕円偏光モードと右施性楕円偏光モードとを含む光ビーム伝播の固有モードを有しており、該異方性の光学的に活性な結晶は、該光軸に対する直交軸から小角だけほぼ異なる法線面を含む少なくとも１つの切子面を有している、結晶と、
該少なくとも１つの切子面に固定されたトランスデューサ手段であって、該トランスデューサ手段は、少なくとも１つの音響ビームを生成し、それを該異方性の光学的に活性な結晶に配向し、その結果、該少なくとも１つの音響ビームの伝播方向が該光軸に対する直交軸から小角だけほぼ異なるようにすることにより、該異方性の光学的に活性な結晶内に少なくとも１つの相互作用領域を提供し、該相互作用領域の幅は、該音響ビームの幅とほぼ同一の広がりを有している、トランスデューサ手段と、
該トランスデューサ手段を駆動することにより、少なくとも１つの所定の周波数を有する該少なくとも１つの音響ビームを生成する手段と、
所定の周波数ｆＬを有する照明の直線偏光された入力ビームを提供する手段と、
該入力ビームが該少なくとも１つの相互作用領域を少なくとも１回伝播するようにするように、該入力ビームを該異方性の光学的に活性な結晶に誘導する手段であって、小角ブラッグ回折および少なくとも１つの所定の周波数を有する該少なくとも１つの音響ビームにより、該入力ビームは、互いに直交に偏光され、かつ、周波数が変更される２つの発生ビームとして、該少なくとも１つの相互作用領域から発生し、該発生ビームは、わずかに発散し直交に偏光された発生ビームとして、ほぼ同一の広がりを有する経路に沿って該異方性の光学的に活性な結晶を介して伝播し続ける、手段と、
該発散する発生ビームを遮断し、該発生ビームが所定の角度の発散を有する経路に沿って該異方性の光学的に活性な結晶から離れて出力ビームとして進行するように、該発生ビームを制御する手段と、
該異方性の光学的に活性な結晶の切子面に固定された別のトランスデューサ手段であって、該切子面は、該光軸に対する直交軸から小角だけほぼ異なる法線面を有しており、該別のトランスデューサ手段は、別の音響ビームを生成し、それを該異方性の光学的に活性な結晶に配向し、その結果、該別の音響ビームの伝播方向が該光軸に対する直交軸から小角だけほぼ異なるようにすることにより、該異方性の光学的に活性な結晶内に別の相互作用領域を提供するように動作可能であり、該別の相互作用領域の幅は、該別の音響ビームの幅とほぼ同一の広がりを有しており、かつ、該入力ビームの進行方向にほぼ沿って配置されている、別のトランスデューサ手段と、
該別のトランスデューサ手段を駆動することにより、該別の音響ビームを別の所定の周波数で生成する手段と
を含み、
該入力ビームは、実質的にそのすべてが第２のビームに変換されるように、該少なくとも１つの相互作用領域に入り、該第２のビームは、それが小角ブラッグ回折により、該直交に偏光される発生ビームとして該異方性の音響的に活性な結晶を通ってさらに伝播する実質的に等しい強度の２つのビームに変換される該別の相互作用領域に入り、該発生ビームのうちの１つは、周波数がｆ（１）だけ変更され、該発生ビームのうちの１つは、周波数がｆ（１）±ｆ（２）だけ変更され、ｆ（１）は該少なくとも１つの音響ビームの該少なくとも１つの所定の周波数であり、ｆ（２）は該別の音響ビームの該別の所定の周波数である、装置。
【請求項２】
前記トランスデューサ手段は、該少なくとも１つの切子面に結合された少なくとも１つの圧電性トランスデューサを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記駆動する手段は、少なくとも１つの所定の周波数で電気信号を生成する安定化電気発振器と、該電気信号を受信し、該電気信号を増幅し、前記トランスデューサ手段に電力を供給する電力増幅器とを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記駆動する手段は、前記２つの発生ビームのうちの１つに変換される前記入力ビームの一部を選択的に制御するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記２つの発生ビームのうちの１つに変換される前記入力ビームの部分は、実質的に５０％である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記入力ビームは通常の偏光ビームとして前記少なくとも１つの相互作用領域に出入りし、前記２つの発生ビームのうちの１つは異常に偏光し、あるいはその逆もある、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記異方性の光学的に活性な結晶は、一軸性の光学的に活性な結晶を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記異方性の光学的に活性な結晶は、ＴｅＯ２、パラテルライト、ハロゲン化水銀、Ｈｇ２Ｃｌ２、Ｈｇ２Ｂｒ２、およびＨｇ２Ｉ２、ならびに石英を含む群から選択される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記異方性の光学的に活性な結晶の前記切子面のうち選択された１つに対し、該切子面のうちの該選択された１つを通る任意の音響パワーを吸収する吸収材料が提供される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記異方性の光学的に活性な結晶の前記切子面のうちの１つは、前記入力ビームを該異方性の光学的に活性な結晶に結合する入口切子面として機能し、該入口切子面は、それを通って該入力ビームを結合することを容易にするように反射防止コーティングされている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記出力ビームは実質的に平行である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記発散する発生ビームを遮断し、該発生ビームを制御する手段は、プリズム手段を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記プリズム手段は、異なる材料組成および光学特性を有する一対の切頭プリズムを含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記切頭プリズムの前記光学特性は、前記発散する発生ビームの波面の伝播方向の間の任意の差を補償するような特性である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記切頭プリズムの前記光学特性は、前記発散する発生ビームの波面の伝播方向とそれらの各エネルギー束ベクトルとの間の任意の差の影響を補償するような特性である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記切頭プリズムの前記光学特性は、前記音響ビームの速度の変化の影響と、前記出力ビームの相対的な伝播方向における温度による前記装置の材料の屈折率の変化の影響とを補償するような特性である、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記トランスデューサ手段および前記別のトランスデューサ手段は、一方の発生ビームが周波数ｆ（１）だけ変更され、かつ、他方の発生ビームが周波数ｆ（１）＋ｆ（２）だけ変更されるように、該異方性の光学的に活性な結晶の対向する切子面に固定されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記出力ビームは実質的に平行である、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記発散する発生ビームを遮断し、該発生ビームを制御する手段は、プリズム手段を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記プリズム手段は、異なる材料組成および光学特性を有する一対の切頭プリズムを含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記切頭プリズムの前記光学特性は、前記発散する発生ビームの波面の伝播方向の間の任意の差を補償するような特性である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記切頭プリズムの前記光学特性は、前記発散する発生ビームの波面の伝播方向とそれらの各エネルギー束ベクトルとの間の任意の差の影響を補償するような特性である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
複数のドライバのうちの少なくとも１つは、前記出力ビームの平均的な進行方向において熱的に引き起こされた変化を補償するように、周波数が選択的に変動される、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記複数のドライバの両方は、平均的な進行方向におけて熱的に引き起こされた変化と、前記出力ビームの伝播方向における差とを補償するように、周波数が選択的に変動される、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記出力ビームの平均的な進行方向において熱的に引き起こされた変化を補償する入力プリズム手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記多面の異方性の光学的に活性な結晶は、前記平均的な進行方向において熱的に引き起こされた変化を補償するように、分割されている、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、高回析効率で、単一の周波数の直線に偏光されたレーザビームを直交に偏光される２つの周波数成分を有するビームに変換するための装置に関する。より詳細には、本発明は、長さまたは光路長のいずれかにおける変化の極めて正確な測定を行う様々な電気光学的測定デバイスにおいて有用である光ビーム生成装置に関する。
【０００２】
長さ、距離、または光路長のいずれかにおける変化を測定するための光学干渉法の使用は、レーザ、光センサ、およびマイクロ電子光学における技術的進歩に起因するだけでなく、高精度測定、高精密測定に対するますます増加する需要にも起因して、顕著に増大してきた［Ｎ．Ｂｏｂｒｏｆｆ，”Ｒｅｃｅｎｔ  ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｍｅａｓｕｒｅｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，”    Ｍｅａｓ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  ４（９），  ９０７〜９２６    （１９９３年）を参照されたい］。使用される信号処理技術に基づいて、従来技術の干渉計は、概して２つのタイプ、すなわちホモダインまたはヘテロダインいずれかに、分類され得る。ヘテロダイン技術に基づく干渉計は、（１）低周波数のドリフトおよびノイズに感知しないため、および（２）干渉計の解像度をより容易に膨張させられるために、概して好適である。ヘテロダインタイプの干渉計内で、特に興味深いのは、２つの光学的振動数の使用に基づいた干渉計である。
【０００３】
従来技術の２つの光学的振動数のヘテロダイン干渉計において、２つの光学的振動数は、次の技術の１つによって生成される。（１）ゼーマンスプリットレーザの使用、例えば、１９６９年７月２９日発行されたＢａｇｌｅｙらの米国特許第３，４５８，２５９号、Ｇ．Ｂｏｕｗｈｕｉｓ，    ”Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｅ  Ｍｉｔ  Ｇａｓｌａｓｅｒｓ，”    Ｎｅｄ．  Ｔ．  Ｎａｔｕｕｒｋ、３４、２２５〜２３２（１９６８年８月）、１９７２年４月１８日発行されたＢａｇｌｅｙらの米国特許第３，６５６，８５３号、およびＨ．  Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，”Ｒｅｃｅｎｔ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｕｓｉｎｇ  ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ    ｌａｓｅｒｓ，”  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、６（２）、８７〜９４（１９８４年）を参照されたい；  （２）１対の音響光学バラッグセルの使用、例えば、Ｙ．ＯｈｔｓｕｋａおよびＫ．Ｉｔｏｈ，”Ｔｗｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｓｍａｌｌ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ａ  Ｌｏｗ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｒａｎｇｅ，”    Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  １８（２），  ２１９〜２２４    （１９７９年）    Ｎ．Ｍａｓｓｉｅらの”Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  Ｆｌｏｗ  Ｆｉｅｌｄｓ  Ｗｉｔｈ  ａ  ６４−Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  ２２（１４），  ２１４１〜２１５１    （１９８３年），  Ｙ．ＯｈｔｓｕｋａおよびＭ．  Ｔｓｕｂｏｋａｗａ，  ”Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｔｗｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ  ｆｏｒ  Ｓｍａｌｌ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，”  Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  １６，  ２５〜２９  （１９８４年）、Ｈ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏの同書、Ｐ．Ｄｉｒｋｓｅｎらの１９９６年１月１６日に発行された米国特許第５，４８５，２７２号、Ｎ．Ａ．ＲｉｚａおよびＭ．Ｍ．Ｋ．Ｈｏｗｌａｄｅｒ，  ”Ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｌｏｗ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｉｇｎａｌｓ，”  Ｏｐｔ．  Ｅｎｇ．，  ３５（４），  ９２０〜９２５  （１９９６年）を参照されたい；（３）単一の音響光学ブラッグセルの使用、例えば、Ｇ．Ｅ．Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎの１９８７年８月４日発行された共有に係る米国特許第４，６８４，８２８号、Ｇ．Ｅ．Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎの１９８７年８月１８日発行された共有に係る米国特許第４，６８７，９５８号、Ｐ．Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書を参照されたい；または（４）２つの長手方向モードのランダムに偏光されたＨｅＮｅレーザの使用、例えば、Ｊ．Ｂ．ＦｅｒｇｕｓｏｎおよびＲ．Ｈ．Ｍｏｒｒｉｓ，  ”Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ  ｉｎ  ６３２８Å    ＨｅＮｅ  Ｌａｓｅｒｓ，”    Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  １７（１８），  ２９２４〜２９２９  （１９７８年）を参照されたい。
【０００４】
２つの光学的振動数を生成するためのゼーマンスプリットレーザの従来技術の使用に関して、このアプローチは、所定のレーザ（例えば、ＨｅＮｅ）にのみ適用可能であるように思われ、２つの光学的振動数間の周波数の差を約４ＭＨｚに制限する。このことで、測定される長さまたは光路長の変化の最大速度に制限を課す。加えて、ゼーマンスプリットレーザから利用可能な出力は、通常、１つのレーザ源が３〜６の軸などの複数の軸の測定のために使用される必要がある場合に重大な制限となり得る５００マイクロワットより少ない。
【０００５】
Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎによる共有に係る米国特許第４，６８７，９５８号における単一のブラッグセルの従来技術の使用に関して、ブラッグセル一軸結晶の光軸、入力光ビームの方向、および音響ビームの方向は、ほぼ同一線上である。回析効率は、米国特許第４，６８７，９５８号において低くあり得るように思われる。なぜなら、回析等によって引き起こされる入力ビームの方向における小さな変化が、結果的に受け入れ不可能な運動量の不整合になり得るからである。またＳｏｍｍａｒｇｒｅｎによる共有に係る米国特許第４，６８７，９５８号において、回析効率は、幾つかの異なるタイプの一軸結晶に対して低くあり得るように思われる。なぜなら、このグループの一軸結晶における主ブラッグ回析モードの効率は、一軸結晶の光軸と、光ビームの成分の方向の一方または他方、もしくは音響ビームの方向との間の角度のサインに比例しているからである。これら２つの潜在的な低回析効率の問題に、本発明においては直面しない。なぜなら、一軸結晶の光軸および音響ビームの方向が、ほぼ直角、すなわち小角度のブラッグ回析であるからである。
【０００６】
米国特許第４，６８７，９５８号におけるこれら２つの理由のうち後者から結果として生じる低回析効率の可能性を補償するために、ブラッグセルの一軸結晶の経路長が、増加され得る。しかし、この手順が、過度に長い一軸結晶に至り、今度は、このことで高価な装置の結果になり得るように思われる。また拡張された長さが、回析面に延ばされた幅、および直交に偏光されたビーム成分間の回析面においても増加された横方向の分離を有する回析されたビームに至り得る。
【０００７】
Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎによる共有に係る米国特許第４，６８４，８２８号における単一のブラッグセルの従来技術の使用に関して、装置は、切り離されそしてよりスペースを要する部品を有するように思われ、様々な部品の調整不良に敏感であり、複数の部品および複数の部品の要求された分離の結果として装置内の熱勾配により敏感であり、そして本発明ほど効率が良くない、すなわち、入力ビーム強度のほぼ５０％が、共有に係る米国特許第４，６８４，８２８号を用いて出力ビームへ変換される。
【０００８】
Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書の単一のブラッグセルの従来の使用に関して、効率はほぼ８０％に制限され、そして本明細書中に記載される本発明と対照的に２つの直交に偏光される出射ビーム成分を横切る、重大な一様でない強度分布が存在する。２つの直交に偏光される出射ビーム成分の幅を横切るこれらの一様でない強度分布は、干渉法についての一様でないビーム成分の強度の効果をさらに悪化させる負の相互相関係数を有する。
【０００９】
本明細書中に記載される本発明と比較して、Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書の単一のブラッグセルの装置からの２つの出射ビームの成分の両方において、概してより多くの偏光混光が存在する。なぜなら、Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書の装置は、通常のブラッグ回析モードを使用し、精度のある干渉計測定の実用性を制限するからである。
【００１０】
Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書の部品の分離を要求する単一のブラッグセル装置は、熱勾配に対するさらなる感度で調整不良に敏感である。
【００１１】
Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書の装置における２つのブラッグセルの従来技術に関して、装置は、Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書の単一のブラッグセルの装置より、多くの部品を有し、十分に分離され、より多くのスペースを必要とするため、２つの出射ビーム成分の各々において、概して偏光混光が存在する。なぜなら、Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書の２つのブラッグセルの装置は、通常のブラッグ回析モードを使用し、様々な部品の調整不良に敏感であり、複数の部品および複数の部品の要求された分離の結果として装置内の熱勾配により敏感であり、本明細書中に記載される本発明の装置ほど効率が良くない。すなわち、入力ビームの強度のほぼ６０％〜８０％が、Ｄｉｒｋｓｅｎらの同書の２つのブラッグセルの装置で出力ビームへ変換され、本明細書中で説明される装置で名目上１００％と比較して、２つの直交に偏光される出射ビーム成分を横切る、増加された一様でない強度分布を有し、そして２つの直交に偏光される出射ビーム成分の幅を横切る一様でない強度分布は、一様でないビーム成分の強度の効果をさらに悪化させる負の相互相関係数を有する。
【００１２】
最後に、２つの長手軸方向モードのランダムに偏光されたＨｅＮｅレーザの従来技術の使用は、レーザビームに、より好都合な費用効果のある形態で、２つの直交に偏光される周波数を提供するが、周波数の差は、複雑で高価な検出および処理電子工学が必要なほぼ５００〜６００ＭＨｚである。さらに、このような高周波数の差で開始することによって、解像度の拡大という作業が困難および高価になる。
【００１３】
結果的に、異なる周波数の直交に偏光されたビームを生成するための装置に、そのビームと、エネルギー束プロファイル間の所定の横方向の分離との間の所定の発散角度を提供することが、本発明の主たる目的である。
【００１４】
従来技術の特性を考慮して、部分的に同一空間にあるか、または実質的に同一空間にあるか、いずれかであるエネルギー束プロファイルを有する異なる周波数の直交に偏光された平行なビームを生成するための装置を提供することが、本発明のさらに別の目的である。
【００１５】
結果的に、直交に偏光の２つの光学的振動数を有するレーザビームを製造するための従来技術は、幾つかの用途に有用であるが、出願人に既知のどの技術も、商業的に実現可能な形態での技術性能に、極めて高い解像度に対して急速に変化する長さ（距離）の測定を必要とする用途を提供しない。
【００１６】
本発明の他の目的は、図面に関連して次の詳細な説明を読めば、明らかであり、以後の本明細書中に明らかとなる。
【００１７】
（発明の簡潔な要旨）
本発明は、直交に偏光された光ビームを、干渉計技術を使用して、長さまたは長さの変化の測定におけるような精密計測学の用途に使用することを提供するための装置に関する。直交に偏光された光ビームは、好適には平行であるが、有益には、ビーム間の発散の所定の角度を有し得る。本発明の幾つかの異なる実施形態は、光源からの単一周波数で直線に偏光された入力ビーム、好適には、周波数ｆLのレーザを、２つの直交に偏光された、好適には互いに周波数において異なる平行な出力ビーム成分を有する出力ビームへ変換するための電気光学的デバイスの形態で開示される。出力ビーム成分のエネルギー束プロファイルは、特定のデバイスの実施形態の詳細に従って、空間的に切り離されており、部分的に同一空間に広がり、または実質的に同一空間に広がり得る。入力ビームは、音響光学結晶を受ける小角度のブラッグ回析を介して入力ビームを回析する２つの音響ビームを受ける相互作用領域を通過するための、複数の切子面を有する異方性の光学的に活性な音響光学結晶へ導入される。この２つの音響ビームは、発散の小角度によって分離される２つの直交に偏光された内部ビーム成分を形成し、続いて、予想されるダウンストリームの用途に使用するために、音響光学結晶外で利用可能な外部ビーム成分になる。
【００１８】
実施形態のすべてにおいて、複数の切子面を有する音響光学結晶、または複数の面を有する異方性の音響光学結晶は、光軸ｚ、および光軸に対して小さな角度にある第一および第二の切子面を有する。音響光学結晶は、好適にＴｅＯ2を含む一軸結晶である。
【００１９】
トランスデューサー手段は、好適には、圧電トランスデューサーの形態であるが、２つの音響ビームを生成するための第一および第二の音響光学結晶の切子面に加えられ、この２つの音響ビームは概して光軸に垂直に伝播し、光学結晶内の２つの相互作用領域を提供し、光学結晶において、それぞれの相互作用領域の幅は、概して音響ビームの幅と同一空間である。２つの音響ビームについての波面ベクトルの方位は、好適には、ほぼ反対方向である。２つの音響ビームは、好適には、せん断波である。
【００２０】
トランスデューサーは、それぞれの電子発振器、および電子増幅器から、それぞれ周波数ｆ(1)および周波数ｆ(2)で電気信号を用いて駆動される。電気信号は、トランスデューサーを介して、２つの音響せん断波に変換され、そして音響せん断波は音響光学結晶の内側へ伝播し、２つの相互作用領域を形成する。
【００２１】
音響光学結晶の入射切子面における入力レーザビームの入射の偏光面および偏光角度は、外部ビームの成分の周波数が、第一の発振器の周波数ｆ(1)および２つの発振器の周波数の合計ｆ(1)＋ｆ(2)によって、レーザの周波数ｆLより両方とも高くか、両方とも低くあり得る。
【００２２】
入力レーザビームは、その所定の一部が小角度のブラッグ回析によって、第一の回析されたビームに変換されて、第一の相互作用領域を通って少なくとも１回伝播するように、音響光学結晶へ導入される。第一の回析されたビームは、最初の入力ビームから派生するが、入力ビームに対して直交に偏光され、そして第一の発振器の周波数ｆ(1)によって周波数が変更される。第一の回析されたビームは、その所定の一部が小角度のブラッグ回析によって、第二の回析されたビームに変換されて、第二の相互作用領域を通って少なくとも１回伝播する。第一の回析されたビームおよび第二の回析されたビームの回析されなかった部分は、わずかに発散する直交に偏光された出射ビームとして、経路にそって異方性音響光学結晶を通って伝播し続ける。出射ビームは、音響光学結晶から出射する際に干渉され、コリメート手段によって、好適に平行にされる。コリメート手段は、外部の複屈折素子の形態である。しかし、所望であれば、外部ビームは、ビーム間の発散の所定の角度を有するように、平行でなくてもよい。
【００２３】
直交に偏光された外部ビーム成分のエネルギー束プロファイル間の重複または空間的分離の度合は、音響光学結晶の屈折特性、音響光学結晶の複屈折性、音響光学結晶の音響的および光学的特性、音響光学結晶を通る出射ビームによって行われる移動の物理的経路の長さ、および外部の複屈折素子によって制御され得る。熱補償が、第一および第二の発振器の周波数の制御、および／または外部の複屈折素子の特性を介して提供され得る。
【００２４】
本発明の構造、動作、および方法論は、本発明に関する他の目的および利点と共に、各部分が、様々な図面のどこに現れても識別する割り当てられた参照符号を有する図面と関連して、詳細な説明を読むことによって最適に理解され得る。
【００２５】
（発明の詳細な説明）
本発明は、直交に直線偏光された光ビームを、干渉計技術を使用して、長さまたは長さの変化の測定におけるなどの精密計測学の用途に使用することを提供するための装置に関する。本発明の幾つかの異なる実施形態が、レーザなどの光源からの単一周波数の直交に直線偏光されたビームを含む入力ビームを、互いの周波数および入力ビームの周波数と異なる２つの直交に直線偏光された、好適には平行の出力ビームを実質的に含むビームへ変換するための電気光学デバイスの形態で開示される。出力ビームの伝播の方向は、好適には平行であるが、平行である必要はなく、そして出力ビームは、有益にそれ自体の所定の発散または収束角度を有し得る。加えて、出力ビームのエネルギー束プロファイルは、特定のデバイスの実施形態の詳細、および計測学または他の意図される用途の要求に従って、空間的に分離され、部分的に同一空間に広がり、または実質的に同一空間に広がり得る。
【００２６】
加えて、デバイスの温度変化に対する電気光学的デバイスの装置の所定の特性である低減された感度を要求する最終使用用途について、所定の熱効果の補償は、装置に使用される光学材料の屈折率の温度依存の利用、および／または装置内で行われる音響光学的回析に使用される音響ビームに対して、音響ビームの周波数に依存する音響ビーム波長の利用を通して実施形態において達成される。所定の熱効果は、装置の温度の出力ビームの伝播の平均的な方向への影響および出力ビームの伝播の方向の相違への影響を含む。出力ビームの伝播の平均的方向への装置の温度の影響は、本発明の実施形態の各々において補償され、そして出力ビームの伝播の方向の相違への装置の温度の影響は、本発明の所定の実施形態において補償される。補償は、最終使用用途の要求に応じて実施されてもよいし、実施されなてもよい。
【００２７】
詳細に、まず図面の図１ａ〜図１ｅを参照して、図１ａは、略図の形で、本発明のまず第一の好適な実施形態を示す。本発明の装置は、光学エネルギーの広範囲な放射源に対する用途を有するが、次の説明は、例によって、光学測定システムに関して行われる。本明細書中で使用されるように「光学エネルギー」という用語は、すべての周波数範囲の電磁エネルギーを含むが、これに限定されない。
【００２８】
第一の実施形態に従って、単一の周波数の直線に偏光された入力ビームを、２つの出力ビーム、および一連の疑似の二次的な出力ビームからなるビームへ変換可能な音響光学装置が提供される。入力ビームは、単一のビームからなる。出力ビームは、実質的に直線に、垂直に偏光され、好適には、伝播と同じ方向を有し、および好適に同一空間に広がるエネルギー束プロファイルを有する。出力ビームの周波数は、互いに異なり、および入力ビームの周波数とも異なる。この２つの出力ビームの強度は、実質的に等しく、そして出力ビームの結合された強度は、入力ビームの強度に実質的に等しい。加えて、両方の所定の熱効果の補償は、音響光学装置に使用される光学材料の屈折率の温度依存性の利用、および音響光学装置内で行われる音響光学的回析に使用される音響ビームへの音響ビーム周波数に依存する音響ビーム波長の利用の両方の利用によって、第一の実施形態において達成される。
【００２９】
図１ａを参照して、光ビーム源１５が、入力ビームを含むビーム１８を生成する。ビーム１８は、音響光学装置４０の音響光学変調器セル４７に入射し、出力ビーム３０ならびに３１および一連の二次的な出力ビームとして、装置４０から出射する。出力ビーム３０および３１は、実質的に直線に偏光される。
【００３０】
第一のサブセットの二次的な出力ビームの光源は、光学的に活性な異方性の結晶を含む音響光学変調器セル４７において、光ビームの伝播のための楕円に偏光された固有モードである。固有モードの音響光学変調器セル４７の楕円偏光、および光学活性異方性結晶のインターフェースにおいて反射されおよび屈折される光ビームの電界および磁界によって充足される必要のある境界条件は、第一のサブセットの二次的な出力ビームを生成する。二次的な出力ビームのこれらの所定のビームは、概して、第一の実施形態の装置内の強度を低減する。第一のサブセットの二次的なビームは、主に複屈折の切頭プリズム７０および８０の特性の故に、出力ビーム３０および３１の伝播の方向と異なる伝播の方向を有する。
【００３１】
入力ビーム１８は、音響光学変調器セル４７へ入射し、そして第一の音響ビームとの音響光学的相互作用を通して、中間ビームへ変換される。中間ビームの強度は、好適には実質的に入力ビーム１８の強度と同じである。中間ビームは次に、第二の音響ビームを通過する。中間ビームと第二の音響ビームとの音響光学的相互作用によって、中間ビームの一部は、出力ビーム３０および３１の一方として音響光学装置４０から出射するビームへ変換され、中間ビームの残りの変換されない部分は、出力ビーム３０および３１のもう一方として音響光学装置４０から出射する。
【００３２】
入力ビーム１８の中間ビームへの不完全な変換は、第二のサブセットの二次的な出力ビームを生成する。第二のサブセットの二次的なビームは、第一の実施形態の装置内の強度を低減し、そして出力ビーム３０および３１の伝播の方向と異なる伝播の方向を有する。
【００３３】
アブソーバー６８によって反射される第二の音響ビームの一部から結果的に生じる音響ビームの音響光学的相互作用、および入力ビーム１８の中間ビームへの不完全な変換の結果として残っている光ビームは、二次的なビームの第三のセットのビームを生成し得る。第三のセットの二次的なビームは、第一の実施形態の装置において、低減された強度、出力ビーム３０および３１の周波数と異なる周波数を有する。しかし、第三のセットの二次的なビームの伝播の方向は、出力ビーム３０および３１の伝播の方向に対して平行である。
【００３４】
光学活性で異方性結晶におけるビーム伝播用固有モードは、概して２つのモデル、すなわち、左施性回転楕円偏光モード（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ  ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｍｏｄｅ）、および右施性回転楕円偏光モード（ｒｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄ  ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｍｏｄｅ）を含む。左施性回転正一軸結晶（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ  ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｕｎｉａｘｉａｌ  ｃｒｙｓｔａｌ）での光ビーム伝播用の２つの固有モードは、左施性回転楕円偏光モードおよび右施性回転楕円偏光モードであり、ここで、固有モードの主軸は、常偏光ビームおよび異常偏光ビームの偏光方向と一致する。左施性回転楕円偏光ビームおよび右施性回転楕円偏光ビームの主軸は、それぞれ図１ａの平面に対して、かつ図１ａの平面内で直交する。
【００３５】
２つの固有モードの楕円率は等しい。以下、Θは
【００３６】
【数１】
0004149704.tif 000002
を示す。固有モードの楕円率ξ（Θ）は、
【００３７】
【数２】
0004149704.tif 000003
のように書かれ得（Ｊ．ＸｕおよびＲ．Ｓｔｒｏｕｄ、Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ：  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ、Ｄｅｓｉｇｎ、ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（Ｗｉｌｅｙ−Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）１９９２年の１．３節を参照）、ここでΔｎb（Θ）およびΔｎa（Θ）は、異方性結晶の光軸に関して、角度Θで伝播するビームに対して、それぞれ複屈折および光学活性に起因する屈折率の差異である。一軸結晶に対して、Δｎb（Θ）およびΔｎa（Θ）のΘ依存性は、角度Θの陽関数である。
【００３８】
Δｎb（Θ）の値は、一軸結晶では、
【００３９】
【数３】
0004149704.tif 000004
のように書かれ得、Δｎa（Θ）における近似式は、結晶族３、３２、４、４２２、６および６２２の場合、
【００４０】
【数４】
0004149704.tif 000005
のように書かれ得る。ここで、ｎrおよびｎlは、光軸に沿って伝播する光の光学活性によって生じる屈折率であり、ｎeおよびｎoは、それぞれ異常ビームおよび常ビームの屈折率であり、光軸に直交するように伝播する。式（２）および（３）の適用に対する結晶の例は、ＴｅＯ2結晶、パラテルライト（ｐａｒａｔｅｌｌｕｒｉｔｅ）、４２２結晶族に属するハロゲン化水銀、Ｈｇ2Ｃｌ2、Ｈｇ2Ｂｒ2およびＨｇ2Ｉ2の結晶、ならびに３２結晶族に属する石英の結晶である。
【００４１】
式（１）によって与えられる楕円率ξ（Θ）は、一軸結晶（例えば、パラテルライト）について十分な近似、すなわち、
【００４２】
【数５】
0004149704.tif 000006
のように、書かれ得る。
０．６３３μｍの光波長についての（ｎr−ｎl）と（ｎe−ｎo）の測定値に基づいて、パラテルライトについての式（４）によって表されるξ（Θ）は、
【００４３】
【数６】
0004149704.tif 000007
である。
【００４４】
角度Θ≦１０度、およびその他の光波長についての、パラテルライトにおけるξ（Θ）の値に関しては、ＸｕおよびＳｔｒｏｕｄ（前出）の表１．１を参照されたい。
【００４５】
ξ（Θ）の値は角度Θの値に強く依存しており、ξ（Θ）に対する減少した値は、より小さな値ではなくより大きな値に対応する角度Θの値を制限することによって影響を受けることが式（４）から明らかである。
【００４６】
複屈折結晶で伝播する光ビームについての波面ベクトルからのエネルギー束ベクトルの偏差（ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）は、複屈折結晶の周知の性質であり、光波面ベクトルのパスからビームの相対的変位を生じさせる。図１ａに示される音響光学装置では、ビームのエネルギー束ベクトルと音響光学モジュレータセル４７の光軸との間の角度ｒは、
【００４７】
【数７】
0004149704.tif 000008
であり、ここでΘは波面に対する法線（すなわち波面ベクトル）と音響光学モジュレータセル４７の光軸との間の角度である（例えば、Ｊ．ＢｅｎｎｅｔｔおよびＨ．Ｂｅｎｎｅｔｔ、「Ｄｏｕｂｌｅ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｃａｌｃｉｔｅ」、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）１９７８年の１０章７節を参照）。
【００４８】
式（６）の数学的操作によって、差異（ｒ−Θ）のタンジェントは、
【００４９】
【数８】
0004149704.tif 000009
のように表され得る。内部光ビームについて減少した楕円率に影響を与えることに対して、出力ビームに関連する、音響光学モジュレータセル４７部の光ビームについてのより小さな値ではなく大きな値のΘについての要求は、出力ビーム３０および３１の一方に対する他方の著しい側面変位を生じさせ得る。
【００５０】
ビーム３０と３１の一方に対する他方の相対側面変位、音響光学装置４０における内部光ビームの波面ベクトルの方向が異なるために生じる変位、および屈折媒体において伝播する光ビームについての対応する波面ベクトルからのエネルギー束ベクトルの偏角まで、本発明の第１実施形態においてハイレベルに補償される。これは、図１ａに示される切り取られたプリズム７０と８０を補償する設計が存在するためである。プリズム７０と８０の光軸は、それぞれ７１と８１であり、図１ｂの平面に直交する。
【００５１】
図１ｂは、音響光学装置４０を介した対応する波面ベクトルによって示されるように、概略的な形態で入力ビーム１８の詳細な伝播を示す。ここで音響光学装置４０は、異方性の音響光学結晶を含み、それゆえに入力ビーム１８と出力ビーム３０および３１との間の公称角は、音響光学セル４７および切り取られた補正プリズム７０および８０の設計によって特定される角度であり、実質的に０度であり、音響光学モジュレータセル４７および切り取られた補正プリズム７０および８０の方位における小さな変化に実質的に依存しない角度である。
【００５２】
光源１０、好適にはレーザは、単一で、安定した周波数を有し、直線偏光である光エネルギーのビーム１２を供給する。光源１０は、任意の種々のレーザであり得る。例えば、光源１０は、ビーム１２を生成するための、当業者に公知である任意の種々の従来技術（例えばＨｅＮｅなどのガスレーザ）で安定化される。例えば、Ｔ．Ｂａｅｒらの「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ０．６３３μｍ  Ｈｅ−Ｎｅ−ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｚｅｅｍａｎ  Ｌａｓｅｒ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、１９、３１７３−３１７７（１９８０年）、Ｂｕｒｇｗａｌｄらの１９７５年６月１０日に発行された米国特許第３，８８９，２０７号、Ｓａｎｄｓｔｒｏｍらの１９７２年５月９日に発行された米国特許第３，６６２，２７９号を参照されたい。あるいは、光源１０は、ビーム１２を生成するための、当業者に公知の種々の従来技術のうちの１つで安定化されるダイオードレーザ周波数であり得る。例えば、Ｔ．ＯｋｏｓｈｉおよびＫ．Ｋｉｋｕｃｈｉの「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ−ｔｙｐｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１６、１７９〜１８１（１９８０年）、ならびにＳ．ＹａｍａｑｇｕｃｈｉおよびＭ．Ｓｕｚｕｋｉの「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ａｎｄ  Ｐｏｗｅｒ  ｏｆ  ａｎ  ＡｌＧａＡｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ  ｂｙ  Ｕｓｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｏｇａｌｖａｎｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｋｒｙｐｔｏｎ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ＱＥ−１９、１５１４〜１５１９（１９８３年）を参照されたい。
【００５３】
光源１０に使用される特定デバイスは、ビーム１２の直径および偏角を判定する。例えば、ダイオードレーザなどのいくつかの光源に対して、後続の素子に対して適切な直径および発散をビーム１６に提供するために、例えば、従来の顕微鏡対物レンズなどの従来のビーム形成光学要素１４を使用する必要がある可能性が高い。例えば、光源１０がＨｅＮｅレーザであるとき、ビーム形成光学要素１４は必要であり得ない。素子１０および１４は、ビーム１６の光源を表すダッシュボックス１５内に示される。ビーム１６は１つの安定化された周波数ｆLを有し、直線偏光である。
【００５４】
偏光混合の潜在的な原因を除去するために、空間フィルタリングをビーム形成光に組み込む必要もあり得る。偏光混合の潜在的な原因は、ビーム１２の波面特性および音響光学装置４０の特性である。
【００５５】
ビーム１６の偏光平面は、例えば、位相波長板などの当業者に公知の技術を使用して、ビーム１６の軸の周囲で回転させられ、入力ビーム１８で構成されるビームを形成する。入力ビーム１８は、図１ａの平面に垂直である、直線偏光である。ビーム１８はさらに、光周波数ｆLを有する。
【００５６】
ビーム１８は、図１ａに示されるように、音響光学装置４０への入射である。音響光学モジュレータセル４７におけるビームの波面ベクトルのパスは、ビーム１８から生じており、図１ｂに示される。
【００５７】
音響光学モジュレータセル４７を介して移行する入力ビーム１８は、従来の各圧電気トランスデューサ４６および６６によって生成される第１および第２音響ビームに出合う。圧電気トランスデューサ４６および６６は、従来の各電力増幅器４３および６３からのそれぞれ電気出力４４および６４によって、駆動される。電気発振器４１と６１（図１ａを参照）は、周波数ｆ(1)およびｆ(2)の、それぞれ周波数安定化電気信号４２および６２を、各電源増幅器４３および６３に提供し、各電気出力４４と６４を生成する。各トランスデューサ４６および６６は、音響光学モジュレータセル４７に固定された単一素子または多重素子配列構成を含み得る。
【００５８】
第１および第２音響ビームは、好適には、せん断波タイプである。音響光学変調の分野の当業者に既知であるように、第１および第２音響ビームのせん断波は、図１ｂに示されるように、音響光学モジュレータセル４７に固定された圧電気トランスデューサ４６および６６のいずれかで生成され得るか、または適切に方向付けられたセル４７の表面または複数の表面から、適切に方向付けられた長手方向に音響波を反射することによって生成される第１および第２せん断波の一方または双方で生成され得る。
【００５９】
第１および第２音響ビームの波面ベクトルは、それぞれ図１ｂに、Ｋ(1)およびＫ(2)として示される。第１および第２音響ビームのエネルギー束の各境界はまた、各点線および一点鎖線によって図１ｂに示される。
【００６０】
音響光学変調の分野の当業者にとって周知である従来技術は、好適な分布で音響ビームを吸収するために使用される。ここで音響ビームは、望ましくない反射された音響ビームを減少させるために、および音響光学モジュレータセル４７内での温度勾配を実質的に下げるために、音響光学モジュレータセル４７の壁を介して伝わる。音響光学モジュレータセル４７の壁での音響ビームの吸収は、アブソーバー４８および６８によって行われる。音響ビームのアブソーバーの設計は、本発明の音響光学モジュレータの総体的デザインプロセスの一部を含む。
【００６１】
第１の実施形態の現在好適な音響光学モジュレータセル４７は、光学活性で図１ｂの平面で光軸５０を有する一軸結晶（例えば、パラテルライトまたは石英）で構成される。ここで一軸結晶は、圧電気トランスデューサ４６によって生成される第１音響波の波面ベクトルＫ(1)の方向に対する法線で角度Θ(1)a（図７を参照）をなす。（１）および（２）の上付きの値は、本明細書において、それぞれ第１および第２音響ビームに関連する量を示すために使用される。図１ｂの概略図は、音響光学モジュレータセル４７を示し、例えば、パラテルライトなど、左施性回転、正一軸結晶で構成される。
【００６２】
入力ビーム１８は、表面５４において入射角φ1で音響光学モジュレータセル４７に入り、ビーム２０および２０Ｓを形成する（図１ｃを参照されたい）。図１ｃに示されるビームの方向は、ビームの対応する波面ベクトルの方向である。ビーム２０および２０Ｓの間の角度は小さいが、例示のために図１ｃでは強調されている。表面５４は、入力ビーム１８のために反射防止コーティングされる。ビーム２０は、図１ｂおよび１ｃの平面に直交する偏光の各主軸を備えた左施性回転楕円偏光ビームである。
【００６３】
波面ベクトルＫ(1)を有する第１音響波を備えた入射ビーム２０の光弾性の相互作用のために、（例えば、Ｒ．Ｗ．Ｄｉｘｏｎ、「Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔ  ｉｎ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍｅｄｉａ」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ＱＥ−３、８５〜９３（１９６７年）、Ａ．ＹａｒｉｖとＰ．Ｙｅｈ、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｓ  ｉｎ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ（Ｗｉｌｅｙ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）、９章（１９８４年）、ＸｕおよびＳｔｒｏｕｄ（前出）を参照）、非回折ビーム２２Ｉおよび回折ビーム２２Ｄは、以下の関係がｊ＝１において満たされる場合に、小さな角度のブラッグ回折によって生成される。
【００６４】
【数９】
0004149704.tif 000010
ここで、ｎ(j)iおよびｎ(j)dは、それぞれ入射および回折ビームの屈折率であり、λ0は真空での光波長であり、Ｖ(j)（Θ(j)a）は音響ビームｊの音響速度である。非回折ビーム２２Ｉは、回折ビーム２２Ｄを形成するために回折されないビーム２０の残部である。回折ビーム２２Ｄは、図１ｂの平面に平行する偏光の主軸を備えた右施性回転楕円偏光ビームである。角度Θ(j)iおよびΘ(j)dは、それぞれ、ｊ＝１である場合の、音響波面ベクトルＫ(j)への法線と入射ビーム２０の波面ベクトルとの間の角度、および音響波面ベクトルＫ(j)への法線と回折ビーム２２Ｄの波面ベクトルとの間の角度である。Θ(j)1およびΘ(j)2の角度は、ｊ＝１である場合の、各入射ビーム２０および回折ビーム２２Ｄのための、音響光学モジュレータセル４７の光軸５０と、波面ベクトルｋ(j)iおよびｋ(j)dとの間の角度である。角度Θ(j)aは、音響波面ベクトルＫ(j)と、パラテルライトのｔ−Ｚ平面（ｔは「１１０」の方向を指す）にある音響波面ベクトルＫ(j)を備えた音響光学モジュレータセル４７におけるパラテルライトの「１１０」平面との間の角度である。正のθ(j)i、θ(j)d、Θ(j)1、Θ(j)2およびΘ(j)aの定義は、図７に示される。
【００６５】
ビーム２２Ｉおよび２２Ｄの波面ベクトル間の角度δ(1)である、（θ(1)i＋θ(1)d）は、ｊ＝１である場合に、以下の式によって与えられる小さな角度である。
【００６６】
【数１０】
0004149704.tif 000011
例示のために、角度δ(1)は、図１ｃで強調されている。
【００６７】
光学活性異方性結晶における、図１ｂの平面に直交する主な楕円軸である左施性回転楕円偏光ビーム、および図１の平面に平行な主な楕円軸である右施性回転楕円偏光ビームそれぞれの屈折率
【００６８】
【数１１】
0004149704.tif 000012
は、各式：
【００６９】
【数１２】
0004149704.tif 000013
によって与えられ、ここで
【００７０】
【数１３】
0004149704.tif 000014
であり、０．６３２８μｍの波長におけるパラテルライトの場合、
γ＝６．７６×１０-5（１４）
である。
【００７１】
ビーム２２Ｄの周波数は、ｆL＋ｆ(1)であり、ビーム２２Ｉの周波数はｆLである。さらに、電気出力４４は、回折ビーム２２Ｄの最大強度および対応する非回折ビーム２２Ｉの最低強度を達成するように調整される。ビーム２２Ｉは、その他の所定の２次出力ビームの光源である。
【００７２】
波面ベクトルＫ(2)を有する第２音響ビームを備えた入射ビーム２２Ｄの光弾性相互作用のために、非回折ビーム２４Ｉおよび回折ビーム２４Ｄは、式（８）および（９）によって与えられる関係がｊ＝２において満たされる場合に、小さな角度のブラッグ回折によって生成される。回折ビーム２４Ｄは、図１ｂの平面に直交する主な楕円軸を備えた左施性回転楕円偏光ビームである。回折ビーム２４Ｄは、ｊ＝２である場合に、式（１０）によって与えられる小さな角度δ(2)で、非回折ビーム２４Ｉの角度まで伝播する（図１ｃを参照されたい）。例示のため、角度δ(2)は、図１ｃで強調されている。ビーム２４Ｄの周波数は、ｆL＋ｆ(1)＋ｆ(2)であり、一方ビーム２４Ｉの周波数はｆL＋ｆ(1)である。
【００７３】
電気出力６４は、ビーム２２Ｄの５０％と実質的に同等な、回折ビーム２４Ｄの強度を達成するように調整される。したがって、非回折ビーム２４Ｉおよび回折ビーム２４Ｄの強度は、実質的に同等である。
【００７４】
ビーム２４Ｄは、結晶面５５によって屈折させられ、ビーム２６および第２ビーム２６Ｓとなり（図１ｄを参照されたい）、ビーム２６は、結晶面５６によって屈折させられ、ビーム２８となり（図１ｅを参照されたい）、ビーム２８は、面５７にて切り取られたプリズム８０を出射して、出力ビーム３０となる。例示のため、ビーム２６と第２ビーム２６Ｓとの間の小さな角度は、図１ｄにおいて強調される。表面５７は、表面５４と同様に反射防止コーティングされる。ビーム２６、２８および出力ビーム３０は、図１ｂおよび１ｄの平面に垂直である各偏光を備えた直線偏光ビームである。
【００７５】
回折ビーム２４Ｉは、結晶面５５によって屈折させられ、ビーム２７および第２ビーム２７Ｓとなり（図１ｄを参照）、ビーム２７は、結晶面５６によって屈折させられ、ビーム２９となり（図１ｅを参照）、ビーム２９は、面５７にて切り取られたプリズム８０を出射して、出力ビーム３１となる。例示のため、ビーム２７と第２ビーム２７Ｓとの間の小さな角度は、図１ｄにおいて強調される。ビーム２７、２９および出力ビーム３１は、図１ｂおよび１ｄの平面に平行である各偏光を備えた直線偏光ビームである。
【００７６】
各ビーム２４Ｄおよび２４Ｉの増幅器に対するビーム２６Ｓおよび２７Ｓの増幅器は、各ビーム２４Ｄおよび２４Ｉの楕円と実質的に同一であり、結晶面５５における入射および屈折されたビームに課された電磁気の境界状況の結果である。それゆえ、対応する所定の２次出力ビームの相対増幅器は、それぞれ実質的にξ（Θ24D）およびξ（Θ24I）であり、ここでΘ24DおよびΘ24Iは、それぞれ光軸５０とビーム２４Ｄおよび２４Ｉとの波面ベクトルとの間の角度である。ξ（Θ）の一般式が、式（１）および（４）によって与えられ、パラテルライトのξ（Θ）の式が式（５）によって与えられる。
【００７７】
所定の２次出力ビームに対応する所定の２次出力ビームの相対増幅器は、角度Θ24DおよびΘ24Iの設計を介して制御される。例えば、１０度のΘ24DまたはΘ24Iの値においては、対応する楕円は、
ξ（１０°）＝０．０３１  （１５）
である（式（５）を参照）。１０度に等しい角度Θ24DまたはΘ24Iに対する、所定の２次出力ビームの対応する所定の強度は、したがって、約０．９６×１０-3、または≒−３０ｄＢである。
【００７８】
表面５４におけるビーム１８および２０の入射および屈折の各角度は、式（８）および（９）が満たされるように選択される。ビームの伝播方向に関する、周知の反射および屈折特性は、
ｎi（φi）ｓｉｎφi＝ｎr（φr）ｓｉｎφr  （１６）
として表される境界条件に合致した相から生じ、ここで、ｎi（φi）およびｎr（φr）は、表面において入射ビームおよび反射された（屈折された）ビームの各屈折率であり、φiおよびφrは、入射および反射（屈折）の各角度である。
【００７９】
パラテルライトのｔ−Ｚ平面において伝播する音響ビームに対する波面ベクトルのパスから角度Δにおいてエネルギー束の大きな降下（ｗａｌｋ−ｏｆｆ）が概して存在する（ＸｕおよびＳｔｒｏｕｄ（前出）の表１．３を参照）。図１ｂで示され、そして式（１７）に非限定な例として次に与えられている仕様を有する音響光学変調セル４７の設計は、Θ(1)a＝３．４３度、Θ(2)a＝−２．９４度であり、対応する角度はそれぞれ、Δ(1)＝３１．８度、Δ(2)＝−２８．２度である。図１ｂから、２つの音響ビームのエネルギー束は、第１の実施形態の装置と重ならないことは明白である。
【００８０】
切頭プリズム７０と８０は、それぞれＰｂＭｏＯ4およびＴｅＯ2の結晶を含む。切り取られたプリズム７０と８０の光軸は、各図に示されるように図１ｂ、１ｄ、および１ｅの平面に直交する。インターフェース５５、５６および５７の相対的方位は、出力ビームが実質的に同一の広がりを有するように選択される。ビーム２４Ｉ、２４Ｄ、２６、２７、２８、２９、３０および３１用のエネルギー束ベクトルのパスは、図１ｅに示される。
【００８１】
ビーム２２Ｉから由来する２次の出力ビームの第２のサブセットは、ビーム１６の周波数と同じ周波数を有している。２次の出力ビームの第２のサブセットの伝播方向は、出力ビーム３０および３１の伝播方向とは異なる。２次の出力ビームの第２のサブセットのより強いビームの強度は、ビーム２２Ｄについての最大強度とビーム２２Ｉについての対応する最小強度を得るための電気的出力４４の調節の結果として、入力ビーム１８の強度の１％のオーダーの公称値を有する。２次の出力ビームの第２のサブセット第２のより強いビームは、例えば、パラテルライトにおける対応するΘ≒１０度について、入力ビーム１８の強度の０．００１％のオーダーの公称値を有する［式（５）を参照］。２次の出力ビームの第２のサブセットは、さらに、２次のビームの第２のサブセットが切頭プリズム７０および８０を通過した結果として、出力ビーム３０および３１の伝播方向とは、０．０１ラジアンのオーダーで異なる伝播方向を有している。２次の出力ビーム第２のサブセットについての説明された特性の基礎が、図１ｄ、図１ｅおよび図１ｆに示されている。従って、出力ビーム３０および３１の２次の出力ビームの第２のサブセットの強度による汚染は、入力ビーム１８の強度の＜＜１０-4％または＜＜−６０ｄＢである。
【００８２】
ビーム２０Ｓから由来する２次の出力ビームの第１のサブセットは、入力ビーム１８の周波数と同じ周波数を有している。ビーム２０Ｓから由来する２次の出力ビームの第１のサブセットのより強いものの強度は、それぞれのξ（Θ）の自乗のオーダーの値を有しており、パラテルル石におけるΘ≒１０度の対応する値について、入力ビーム１８の強度の０．１％のオーダーの強度である［式（５）を参照］。ビーム２０Ｓから由来する２次の出力ビームの第１のサブセットの第２のより強いビームの強度は、例えば、パラテルル石におけるΘ≒１０度の対応する値について、入力ビーム１８の強度の１０-4％のオーダーの公称値を有している［式（５）を参照］。ビーム２０Ｓから由来する２次の出力ビームの第１のサブセットの伝播方向は、ビーム２０Ｓから由来する特定の２次のビームが切頭プリズム７０および８０を通過した結果として、出力ビーム３０および３１の伝播方向とは、０．０１ラジアンのオーダーで異なる伝播方向を有している。従って、出力ビーム３０および３１の、ビーム２０Ｓから由来する２次の出力ビームの第１のサブセットの強度による汚染は、入力ビーム１８の強度の＜＜１０-4％または＜＜−６０ｄＢである。
【００８３】
第１および第２の音響ビームにおいて使用されるせん断波についての速度は、１００ｐｐｍ／℃のオーダーの温度係数を有している。この温度感受性は、式（８）および式（９）を満たすために必要な条件をもたらし、また、出力ビーム３０および３１の伝播方向にも影響する。第１の音響ビームおよび第２の音響ビームの音響的速度の温度感受性の影響は、第１の実施形態において、２つの異なった手順で補償される。
【００８４】
第１の音響ビームの音響的速度の温度感受性は、出力ビーム３０および３１の伝播方向における実質的に等しい温度感受性をもたらす。第２の音響ビームの音響的速度の温度感受性は、微小角δ(2)における温度感受性に影響し、その結果、出力ビーム３０および３１の伝播方向の間の角度の温度感受性をもたらす。
【００８５】
第１および第２の音響ビームの音響ビーム速度の温度感受性の影響と、装置４０に使用される光学材料の屈折率の温度感受性が出力ビーム３０および３１の伝播方向の平均の方向に及ぼす影響とは、第１の音響ビームの周波数ｆ(1)の制御によって補償される。後述する式（１７）で与えられる非限定的な設計例について、所望の補償を達成するために必要な、温度に伴うｆ(1)の変化は、Δｆ(1)／ΔＴ＝−１．０２ｋＨｚ／℃である。周波数ｆ(1)の制御は、出力ビーム３０および３１の伝播方向の実質的な平均の方向における変化を検出し（検出システムは図示されていない）、伝播方向の実質的な平均の方向における検出された変化をｆ(1)のサーボ制御のためのフィードバック信号を生成するために使用する（サーボ制御システムは図示されていない）ことによって実現される。ｆ(1)の制御のための代替的な手順は、音響光セル４７に熱的に接触している温度感受性素子、例えば、サーミスタ（ｔｅｒｍｉｓｔｏｒ）（図示されていない）によって、音響光セル４７の温度における変化を検出し、音響光セル４７の温度における検出された変化は、周波数ｆ(1)における所定の変化を達成するために使用される。
【００８６】
第２の音響ビームの音響的速度の温度感受性の影響、すなわち、出力ビーム３０および３１の伝播方向の差に与える影響は、比較的大きい温度感受性のある個々の屈折率を有する複屈折結晶、例えば、ＰｂＭｏＯ4を、切頭プリズム７０のために選択することによって補償される。
【００８７】
第１および第２の音響ビームの音響的速度の温度感受性の正味の影響と、第１の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感受性が出力ビーム３０および３１の伝播方向に与える影響とは、第１の実施形態において、１０-9ｒａｄ／℃のオーダーのレベルにまで実質的に補償される。
【００８８】
具体的な、しかし非限定的な設計例は、ＴｅＯ2を含むモジュレータセル４７について、以下の仕様を有する。
【００８９】
λ0＝６３３ｎｍ
ｆ(1)＝４２ＭＨｚ
ｆ(2)＝２０ＭＨｚ
Θa(1)＝３．４２９度        （１７）
Θa(2)＝−２．９４１度
φ1＝２０．５２８度
φ2＝２１．３４２度
素子７０のプリズム角度＝２．９００度
素子８０のプリズム角度＝５．２１８度
光学軸５０と表面５５の法線との間の角度＝２．９００度。
【００９０】
ビーム１８のビーム３０および３１への名目上１００％の変換に関して、第１の実施形態の好適な動作モードはまた、レーザ光源１０と戻りビームとの間の結合に関して、第１の実施形態がレーザ光源１０の効率的なアイソレータであるようなモードである。戻りビームは、出力ビーム３０および３１と、音響光学装置４０を通ってレーザ光源１０に戻る２次の出力ビームとの反射された、および／または散乱された成分を含む。
【００９１】
音響光学装置４０は、ビーム１８が受けた変換と、周波数シフトの方向が逆であるという点（Ｒ．Ｗ．Ｄｉｘｏｎ，ｉｂｉｄ．を参照）を除いて類似した態様で、戻りビームの成分を変換する。その結果、音響光学装置４０から入力ビーム１８と反対方向に実質的に平行に出る戻りビームの１次成分は、戻りビーム成分の元のビーム（ｐｒｏｇｅｎｉｔｏｒ  ｂｅａｍ）および音響光学装置４０に入る際のその戻りビーム成分の伝播方向に依存して、光源１１０の周波数に関して、＋ｆ(1)、＋２ｆ(1)、＋（ｆ(1)＋ｆ(2)）または＋２（ｆ(1)＋ｆ(2)）のいずれかで周波数シフトされる。
【００９２】
レーザ光源１０のレーザキャビティモードに結合する戻りビーム成分は、ビーム１８と同じ周波数、従って、レーザキャビティモードと同じ周波数を有している成分である。レーザ光源１０に結合する戻りビーム成分の元のビームは、ビーム２２Ｉと、ビーム１８の表面５４で反射された部分とである。ビーム１８の反射された部分は、角度φ1の大きさを選択することによって、レーザ光源１０から分離される。戻りビーム成分のうち、元のビームとしてビーム２２Ｉを有している成分の強度ＩReは、
ＩRe＝（１−η）2ＲＩI    （１８）
と表すことができ、ここで、ＩIは、ビーム１８の強度であり、Ｒはビーム２２Ｉの伝播方向と逆の伝播方向で音響光学モジュレータセル４０に反射および／または散乱されて戻るビーム２２Ｉの割合であり、（１−η）は、ビーム２２Ｉの強度のビーム２０の強度に対する比である。第１の実施形態の好適な動作モードにおいて、アンプ（ｐｏｗｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）４３の電気的出力４４は、入力ビーム１８の強度に対する、ビーム３０および３１の足し合わされた強度が、好適には１００％の公称値になるように調節される。従って、好適な動作において、（１−η）の典型値は、
【００９３】
【数１４】
0004149704.tif 000015
であり得る。
従って、本発明の第１の実施形態は、２つの周波数のジェネレータの従来技術よりも、典型的には（１−η）2の因数（ｆａｃｔｏｒ）、すなわち、３〜４の倍率のオーダーの因数で、周波数シフトされない戻りビーム成分に関して、レーザ光源１０の分離を改善する。因数Ｒの影響が一般に本発明の第１の実施形態と従来技術の２つの周波数ジェネレータとで共通であることに留意して、因数Ｒの影響は、比較において省略された。
【００９４】
本発明の第２の実施形態が、概略の形態で、図２に示されている。本発明の第２の実施形態に従うと、単一波長の直線偏光された入力ビームを２つの出力ビームと一連のスプリアスの２次出力ビームとから構成されるビームに変換することのできる音響光学装置が提供される。入力ビームは、単一のビームから構成される。出力ビームは、実質的に直線的に、直交して偏光され、好適には同じ伝播方向を有し、好適には同一の広がりを持つエネルギー束プロファイルを有する。出力ビームの周波数は互いに異なり、入力ビームの周波数とも異なる。２つの出力ビームの強度は実質的に等しく、出力ビームの足し合わされた強度は入力ビームの強度に実質的に等しい。さらに、特定の熱的効果の両方の補償が、第２の実施形態において、音響光学装置を構成する光学材料の屈折率の温度依存性を利用することによって、達成される。
【００９５】
第２の実施形態には、第１の実施形態のある要素と同じ要素番号を有する複数の要素を含む。第１の実施形態の要素と同じ番号を有する、図２に示される第２の実施形態のその複数の要素の説明は、第１の実施形態の同じ番号が振られた要素についてした説明と同じである。例えば、第２の実施形態の入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源の説明は、第１の実施形態の入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源についてした説明の対応する部分と同じである。
【００９６】
音響光学装置１４０は、第１の実施形態の音響光学装置４０の要素と、図２に示される切頭プリズム９０とを備える。第２の実施形態では、発振器４１の周波数ｆ1は固定されており、音響光学モジュレータセル４７の中での第１および第２の音響ビームの速度の温度感受性の影響と、音響光学装置１４０を構成する光学部品の屈折率の温度感受性の影響との補償は、プリズム９０の屈折率の温度感受性を利用することによって達成される。プリズム９０の具体的な、しかし非限定的な設計例は、以下の仕様を有する。すなわち、ＬｉＮｂＯ3から構成されており、１．５７度のプリズム角度と、図２の面に直交する光学軸９１（図２参照）とを有する。
【００９７】
第１および第２の音響ビームの音響的速度の温度感受性の正味の影響と、第２の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感受性が出力ビーム３０および３１の伝播方向に与える影響とは、第２の実施形態において、１０-9ｒａｄ／℃のオーダーのレベルにまで実質的に補償される。
【００９８】
第２の実施形態の残りの説明は、第１の実施形態についてした説明の対応する部分と同じである。
【００９９】
本発明の第３の実施形態が、概略の形態で、図３に示されている。本発明の第３の実施形態に従うと、単一波長の直線偏光された入力ビームを２つの出力ビームと一連のスプリアスの２次出力ビームとから構成されるビームに変換することのできる音響光学装置が提供される。入力ビームは、単一のビームから構成される。出力ビームは、実質的に直線的に、直交して偏光され、好適には同じ伝播方向を有し、好適には同一の広がりを持つエネルギー束プロファイルを有する。出力ビームの周波数は互いに異なり、入力ビームの周波数とも異なる。２つの出力ビームの強度は実質的に等しく、出力ビームの足し合わされた強度は入力ビームの強度に実質的に等しい。さらに、特定の熱的効果の両方の補償が、第３の実施形態において、音響光学装置を構成する光学材料の屈折率の温度依存性を利用することによって、達成される。
【０１００】
第３の実施形態には、第１の実施形態のある要素と同じ要素番号を有する複数の要素を含む。第１の実施形態の要素と同じ番号を有する、図３に示される第３の実施形態のその複数の要素の説明は、第１の実施形態の同じ番号が振られた要素についてした説明と同じである。例えば、入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源の説明は、第１の実施形態の入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源についてした説明の対応する部分と同じである。
【０１０１】
音響光学装置２４０は、それぞれ光学軸５０Ａおよび５０Ｂを有する２つの音響光学モジュレータセル４７Ａおよび４７Ｂを備える。非限定的な設計例として、光学軸５０Ａおよび５０Ｂは、図３に、モジュレータセル４７Ｂの入口の面に直交する光学軸５０Ｂに平行なベクトルとして示されている。第３の実施形態では、発振器４１の周波数ｆ1は固定されており、モジュレータセル４７Ａおよび４７Ｂの中での音響ビームの速度の温度感受性と、音響光学装置２４０を構成する光学部品の屈折率の温度感受性との影響の補償は、プリズム角度を構成するモジュレータセル４７Ａの屈折率の温度感受性を利用することによって達成される。
【０１０２】
モジュレータセル４７Ａおよび４７Ｂは、ともに、モジュレータセル４７Ａ（図３参照）にプリズム角度を導入するためにプリズム部が取り除かれた、第１の実施形態のモジュレータセル４７と機能的に等価である。その他の点では、モジュレータセル４７Ａおよび４７Ｂの説明は、第１の実施形態のモジュレータセル４７の説明の対応する部分と同じである。
【０１０３】
第１および第２の音響ビームの音響的速度の温度感受性の正味の影響と、第３の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感受性が出力ビーム３０および３１の伝播方向に与える影響とは、第３の実施形態において、１０-9ｒａｄ／℃のオーダーのレベルにまで実質的に補償される。
【０１０４】
第３の実施形態の残りの説明は、第１の実施形態についてした説明の対応する部分と同じである。
【０１０５】
装置の温度が出力ビームの平均の伝播方向に及ぼす影響は、本発明の第４、第５および第６の実施形態のそれぞれにおいて、補償される。しかしながら、装置の温度が出力ビームの伝播方向の差に及ぼす影響は、本発明の第４、第５および第６の実施形態において、補償されない。
【０１０６】
本発明の第４の実施形態が、概略の形態で、図４に示されている。本発明の第４の実施形態に従うと、単一波長の直線偏光された入力ビームを２つの出力ビームと一連のスプリアスの２次出力ビームとから構成されるビームに変換することのできる音響光学装置が提供される。入力ビームは、単一のビームから構成される。出力ビームは、実質的に直線的に、直交して偏光され、好適には同じ伝播方向を有し、好適には同一の広がりを持つエネルギー束プロファイルを有する。出力ビームの周波数は互いに異なり、入力ビームの周波数とも異なる。２つの出力ビームの強度は実質的に等しく、出力ビームの足し合わされた強度は入力ビームの強度に実質的に等しい。
【０１０７】
さらに、装置の温度が出力ビームの平均の伝播方向に及ぼす影響は、第４の実施形態において、音響光学装置で行われる音響光学的回折において使用される音響ビームの音響ビーム周波数への、音響ビーム波長依存性を利用することによって、補償される。しかしながら、装置の温度が出力ビームの伝播方向の差に及ぼす影響は、第４の実施形態において、補償されない。
【０１０８】
第４の実施形態は、第１の実施形態のある要素と同じ要素番号を有する複数の要素を含む。第１の実施形態の要素と同じ番号を有する、図４に示される第４の実施形態のその複数の要素の説明は、第１の実施形態の同じ番号が振られた要素についてした説明と同じである。例えば、第４の実施形態についての入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源の説明は、第１の実施形態の入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源についてした説明の対応する部分と同じである。
【０１０９】
図４に示されるように、第４の実施形態は、音響光学装置３４０と、入力ビーム１８と、入力ビーム１８の光源とを含む。音響光学装置３４０は、図４に示されるように、切頭プリズム８２と、切頭プリズム７０および８０を除いた第１の実施形態の音響光学装置４０とを含む。
【０１１０】
切頭プリズム８２は、第１の実施形態の切頭プリズム７０および８０の機能のいくつかを実行する。そのようないくつかの機能は、伝播方向に関して、出力ビームからスプリアスビームを分離することと、出力ビームを好適には実質的に平行な伝播方向と、好適には同一の広がりを持つエネルギー束プロファイルとを有するようにすることとである。具体的な、しかし非限定的な設計例の音響光学装置３４０は、ＴｅＯ2を含む第１の実施形態のモジュレータセル４７についての式（１７）で与えられたのと同じｆ(1)、ｆ(2)、Θa(1)、Θa(2)およびφ1の仕様を有する。さらに、φ2＝８．７４５度であり、光学軸５０とモジュレータセル４７の出口表面の法線との間の角度は、４．０００度であり、ＴｅＯ2から構成される切頭プリズム８２は、７．７１６度のプリズム角度と、図４の面に直交する光学軸８３（図４参照）とを有する。切頭プリズム８２は、最小の偏向角を生成するように設計される。
【０１１１】
第１および第２の音響ビームの音響的速度の温度感受性の正味の影響と、第４の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感受性が出力ビーム３０および３１の伝播方向の平均の方向に与える影響とは、第４の実施形態において、発振器４１の周波数ｆ(1)を制御することによって、１０-9ｒａｄ／℃のオーダーのレベルにまで実質的に補償される。第４の実施形態に与えられた非限定的な設計例について、１０-9ｒａｄ／℃のオーダーの補償を達成するために必要な、温度に伴うｆ(1)の変化は、Δｆ(1)／ΔＴ＝１．８６ｋＨｚ／℃である。
【０１１２】
第１および第２の音響ビームの音響的速度の温度感受性の補償されない影響、すなわち、第４の実施形態の装置の光学部品の屈折率の温度感受性が、第４の実施形態において出力ビーム３０および３１の伝播方向の差に与える影響は、１．７６μｒａｄ／℃である。
【０１１３】
第４の実施形態の残りの説明は、第１の実施形態についてした説明の対応する部分と同じである。
【０１１４】
本発明の第５の実施形態が、図５に図面として示される。本発明の第５の実施形態によれば、単一周波数の直線偏光された入力ビームを、２つの出力ビームおよび一連のスプリアスな２次出力ビームを含むビームに変換することができる音響光学装置が提供される。入力ビームは単一ビームに含まれる。出力ビームは、実質的に線形であり、直交する偏光であり、好適には伝播と同一の方向を有し、また好適には、同一の広がりを持つエネルギー束プロファイルを有する。出力ビームの周波数は他の１つと異なり、また、入力ビームの周波数と異なる。２つの出力ビームの強度は実質的に等しく、出力ビームの組み合わされた強度は実質的に入力ビームの強度と等しい。
【０１１５】
さらに、出力ビームの伝播の平均の方向上の装置の温度の影響の補償は、本発明の第５の実施形態では、音響光学装置に使用される光学材料の屈折率の温度感度の活用によって補償される。しかし、出力ビームの伝播の方向の違いでの装置の温度の影響は、第５の実施形態では補償されない。
【０１１６】
第５の実施形態は、第２の実施形態および第４の実施形態の特定のエレメントと同じエレメント番号を有する複数のエレメントを含む。第２の実施形態および第４の実施形態の複数のエレメントと同じ番号と共に図５に示す第５の実施形態の複数のエレメントの開示内容は、第２の実施形態および第４の実施形態の同じ番号のエレメントの所与の開示内容と同じである。例えば、第５の実施形態の入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源の開示内容は、第２の実施形態の入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源の所与の開示内容の関連箇所と同じである。
【０１１７】
第５の実施形態は、図５に示す音響光学装置４４０と、入力ビーム１８と、入力ビーム１８の光源とを含む。図５に示すように、音響光学装置４４０は、切頭プリズム９０と、第４の実施形態の音響光学装置３４０のエレメントとを含む。
【０１１８】
第５の実施形態の切頭プリズム９０は、第２の実施形態の切頭プリズム９０と同じ機能を果たす。特定の、しかしそれに限定されない設計例の音響光学装置４４０は、音響光学装置３４０の所与のそれに限定されない設計例と同じ詳細を有し、プリズム角２．８５度のＬｉＮｂＯ3を含む切頭プリズム９０の所与のそれに限定されない設計例と同じ詳細を有する。切頭プリズム９０の光軸は、図５の平面と直交する。
【０１１９】
第１および第２音響ビームの音響速度の温度感度の正味の影響、および出力ビーム３０および３１の伝播の方向の平均の方向上の第５の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感度の影響は、切頭プリズム９０の屈折の各屈折率の温度依存により、１０-9ｒａｄ／℃レベルのオーダーで第５の実施形態では実質的に補償される。
【０１２０】
第５の実施形態において、第１および第２音響ビームの音響速度の温度感度の補償されない影響、および出力ビーム３０および３１の伝播の異なる方向上の第５の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感度の影響は、１．７６μｒａｄ／℃である。
【０１２１】
第５の実施形態の残りの開示は、第２および第４の実施形態の所与の開示の関連箇所と同一である。
【０１２２】
本発明の第６の実施形態が図６に図面として示される。本発明の第６の実施形態によれば、単一周波数直線偏光された入力ビームを、２つの出力ビームおよび一連のスプリアスな２次出力ビームを含むビームに変換することができる音響光学装置が提供される。入力ビームは単一ビームに含まれる。出力ビームは、実質的に線形であり、直交する偏光であり、好適には伝播と同様の方向を有し、また好適には、同一の広がりを持つエネルギー束プロファイルを有する。出力ビームの周波数は他の１つと異なり、また、入力ビームの周波数と異なる。２つの出力ビームの強度は実質的に等しく、出力ビームの組み合わされた強度は実質的に入力ビームの強度と等しい。
【０１２３】
さらに、出力ビームの伝播の平均の方向上の装置の温度の影響の補償は、本発明の第６の実施形態では、音響光学装置を含む光学材料の屈折率の温度依存の活用によって補償される。しかし、出力ビームの伝播の方向の違いにおける装置の温度の影響は、第６の実施形態では補償されない。
【０１２４】
第６の実施形態は、第３の実施形態および第４の実施形態の特定のエレメントと同じエレメント番号を有する複数のエレメントを含む。図６に示す第６の実施形態の複数のエレメントの開示内容は、第３の実施形態および第４の実施形態の同じ番号のエレメントの所与の開示内容の関連箇所と同じである。例えば、第６の実施形態の入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源の開示内容は、第３の実施形態の入力ビーム１８および入力ビーム１８の光源の所与の開示内容の関連箇所と同じである。
【０１２５】
第６の実施形態は、図６に示す音響光学装置５４０と、入力ビーム１８と、入力ビーム１８の光源とを含む。図６に示すように、音響光学装置５４０は、モジュレータセル４７Ｂおよび４７Ｃと、切頭プリズム８２と、切頭プリズム７０および８０を除く第３の実施形態の音響光学装置２４０の特定のエレメントとを含む。
【０１２６】
第６の切頭プリズム８２は、第３の実施形態の切頭プリズム８２と同じ機能を果たす。第６の実施形態のモジュレータセル４７Ｃの機能は、第３の実施形態のモジュレータセル４７Ａの機能と同じである。特定の、しかしそれに限定されない設計例の音響光学装置５４０は、第４の実施形態の音響光学装置３４０の所与のｆ(1)、ｆ(2)、Θa(1)、Θa(2)、φ2についての記述と同一の記述を有する。さらに、φ1＝５．３６６度であり、光軸５０Ｃとモジュレータセル４７Ｃの入口表面の法線との間の角度は１１．３０度であり、光軸５０Ｃはモジュレータセル４７Ｃの出口表面の法線と平行であり、光軸５０Ｂと光軸５０Ｃとは平行であり、光軸５０Ｂはモジュレータセル４７Ｂの入口表面の法線と平行であり、光軸５０Ｂとモジュレータセル４７Ｂの出口表面の法線との間の角度は４．０００度である。
【０１２７】
第１および第２音響ビームの音響速度の温度感度の正味の影響、および出力ビーム３０および３１の伝播の方向の平均の方向上の第６の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感度の影響は、モジュレータセル４７Ｃの各屈折率の温度依存により、１０-9ｒａｄ／℃レベルのオーダーで第６の実施形態では実質的に補償される。
【０１２８】
第６の実施形態において、第１および第２音響ビームの音響速度の温度感度の補償されない影響、および出力ビーム３０および３１の伝播の異なる方向上の第５の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感度の影響は、１．７６μｒａｄ／℃である。
【０１２９】
第６の実施形態の残りの開示内容は、第３および第４の実施形態の所与の開示内容の関連箇所と同一である。
【０１３０】
出力ビームの周波数ｆ(2)の違いが可変であり得る最終用途のためのアプリケーションに対して、第１および第２音響ビームの速度の温度感度、および出力ビームの伝播の方向の違いにおける音響光学装置の光学材料の屈折率の温度感度の影響は、ｆ(2)の制御により補償され得ることは、当業者には明らかである。続いて説明する本発明の第７、第８および第９の実施形態において、出力ビームの伝播の方向の違いは、ｆ(2)の制御により補償される。
【０１３１】
第７の実施形態の開示内容は、周波数ｆ(2)が制御され、それにより出力ビームの伝播の方向の違いが補償されること以外は、本発明の第４の実施形態の関連箇所と同一である。周波数ｆ(2)の制御の開示内容は、第１の実施形態の周波数ｆ(1)の制御の所与の開示内容と同じである。第１および第２音響ビームの音響速度の温度感度のネット影響、および出力ビーム３０および３１の伝播の方向上の第７の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感度の影響は、１０-9ｒａｄ／℃レベルのオーダーで第７の実施形態では実質的に補償される。
【０１３２】
第７の実施形態では、それに限定されない設計例は、Δｆ(1)／ΔＴ＝２．７５ｋＨｚ／℃およびΔｆ(2)／ΔＴ＝１．４７ｋＨｚ／℃であること以外は、実施の形態４の所与のそれに限定されない設計例と同じである。
【０１３３】
第７の実施形態の残りの開示内容は、第４の実施形態の所与の開示内容の関連箇所と同一である。
【０１３４】
第８の実施形態の開示内容は、周波数ｆ(2)が制御され、それにより出力ビームの伝播の方向の違いが補償されること以外は、本発明の第６の実施形態の関連箇所と同一である。周波数ｆ(2)の制御の開示内容は、第１の実施形態の周波数ｆ(1)の制御の所与の開示内容と同じである。第１および第２音響ビームの音響速度の温度感度の正味の影響、および出力ビーム３０および３１の伝播の方向上の第８の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感度の影響は、１０-9ｒａｄ／℃レベルのオーダーで第８の実施形態では実質的に補償される。
【０１３５】
第８の実施形態では、それに限定されない設計例は、Δｆ(2)／ΔＴ＝１．４７ｋＨｚ／℃および光軸５０Ｃとモジュレータセル４７Ｃの入口表面の法線との間の角度が１６．７１度であること以外は、実施の形態６の所与のそれに限定されない設計例と同じである。
【０１３６】
第８の実施形態の残りの開示内容は、第６の実施形態の所与の開示内容の関連箇所と同一である。
【０１３７】
第９の実施形態の開示内容は、周波数ｆ(2)が制御され、それにより出力ビームの伝播の方向の違いが補償されること以外は、本発明の第５の実施形態の関連箇所と同一である。周波数ｆ(2)の制御の開示内容は、第１の実施形態の周波数ｆ(1)の制御の所与の開示内容と同じである。第１および第２音響ビームの音響速度の温度感度の正味の影響、および出力ビーム３０および３１の伝播の方向上の第９の実施形態の装置の光学材料の屈折率の温度感度の影響は、１０-9ｒａｄ／℃レベルのオーダーで第９の実施形態では実質的に補償される。
【０１３８】
第９の実施形態では、それに限定されない設計例は、Δｆ(2)／ΔＴ＝１．４７ｋＨｚ／℃であることおよびプリズム角４．２２度のＬｉＮｂＯ3を含む切頭プリズム９０の所与のそれに限定されない設計例であること以外は、実施の形態５の所与のそれに限定されない設計例と同じである。
【０１３９】
第９の実施形態の残りの開示内容は、第６の実施形態の所与の開示内容の関連箇所と同一である。
【０１４０】
最終用途のアプリケーションにおいて、音響光学装置は温度制御環境下に置かれ得ることは、当業者にはさらに明らかである。温度制御環境の温度制御の程度は、音響光学装置の材料の屈折率の温度感度の影響、および第１および第２音響ビームの音響音速の温度感度の影響が最終用途のアプリケーションにおいて重要でない程度である。本発明の第２の実施形態の音響光学装置は、例えば、周波数ｆ(1)が固定周波数に設定された特定の最終用途のアプリケーションに用いられ得る。
【０１４１】
本発明の技術に基づいて、開示された実施形態がいくらか改変され得ることは当業者には明らかである。例えば、音響光学モジュレータセル４７は、トランスデューサ４６および６６の製造を容易にするために２つのセルに分けられ得、または表面ボンディングが必要な他の外部層に分けられ得る。これは、トランスデューサ４６および６８の間から始まりアブソーバー４８および６６の間で終結する垂直ギャップであるスプリットの発生により、容易に成される（図１ａ参照）。従って、ギャップは、反射損失を低減することによって、処理能力を高めるために、反射防止コーティングが提供された２つの対向する表面を有するように形成される。従って、２つのセルの配列は、周知の態様で成され得る固有のビーム配列を維持するために、２つの間のわずかな垂直の置き換えを必要とする。トランスデューサが対向する面に向かうように光駆動クリスタルを付加する必要が無いことは、また明らかであるべきである。それらは同じ面にあり得、周波数差は減じるよりは付加される。さらに、２つの相互作用領域は、有用な効果を得るために絶対必要不可欠ではないことは明らかである。これは、第１のトランスデューサをオフにすることにより第１の相互作用領域が相互作用する装置の動作を考えることにより、容易に認識され得る。
【０１４２】
本発明の他の改変は、請求項に規定される本発明の範囲内でそれらの技術に従って成されることは当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】    図１ａは、レーザ光源とレーザビームの出力を直交に直線偏光された光ビームへ変換する音響光学的変調器セルを組み合わせて示す本発明の第一の実施形態の装置の見取り図である。
【図１ｂ】    図１ｂは、セルを通しての光ビームの伝播をより詳細に示す図１ａの音響光学的変調器セルの拡大略図である。
【図１ｃ】    図１ｃは、図１ｂの音響光学的変調器セルの切子面の１つにおける様々な光ビームの挙動をより詳細に示す拡大略図である。
【図１ｄ】    図１ｄは、図１ｂの音響光学的変調器セルの別の切子面における様々な光ビームの挙動をより詳細に示す拡大略図である。
【図１ｅ】  図１ｅは、図１ｂの音響光学的変調器セルのさらに別の切子面、および外部複屈折素子における様々な光ビームの挙動をより詳細に示す拡大略図である。
【図２】  図２は、レーザ光源とレーザビームの出力を２つの直交に直線偏光された光ビームへ変換する音響光学的変調器セルを組み合わせて示す本発明の第二の実施形態の装置の概略図である。
【図３】  図３は、レーザ光源とレーザビームの出力を２つの直交に直線偏光された光ビームへ変換する音響光学的変調器セルを組み合わせて示す本発明の第三の実施形態の装置の概略図である。
【図４】  図４は、レーザ光源とレーザビームの出力を２つの直交に直線偏光された光ビームへ変換する音響光学的変調器セルを組み合わせて示す本発明の第四の実施形態の装置の概略図である。
【図５】  図５は、レーザ光源とレーザビームの出力を２つの直交に直線偏光された光ビームへ変換する音響光学的変調器セルを組み合わせて示す本発明の第五の実施形態の装置の概略図である。
【図６】  図６は、レーザ光源とレーザビームの出力を２つの直交に直線偏光された光ビームへ変換する音響光学的変調器セルを組み合わせて示す本発明の第六の実施形態の装置の概略図である。
【図７】  図７は、図１ｂの音響光学的変調器セルの光軸および音響ビーム、入射光ビーム、および回析された光ビームに関する波面ベクトルの相対的方位を示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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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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