高延迟波幅光弹性调制器

摘要

本发明涉及一种光弹性调制器，其由多个压电换能器激励，该多个压电换能器粘附在用于在多个单元中产生弹性波的光弹性条块的表面，每个单元由压电波节驱动器限定，在压电波节驱动器之间设置波腹驱动器。通过控制驱动器的相位和波幅，每个单元中的持续弹性波可由独立于相邻单元中的那些弹性波形成。生成的弹性波沿着该条块的光轴产生双折射，以使得沿着该轴传播并具有初相位的线性偏振光波，在穿过每个单元时经历相位延迟。可以控制这些单元，以使得每个驻波的相位在单元之间不会改变，并使得在光波穿过该条块传播时，光波的相位延迟单调递增，允许产生任意大的延迟。

说明书

技术领域

本发明总体涉及光弹性调制器，更具体地，涉及高延迟波幅光弹性调制器。

背景技术

双折射光学材料展现出随着入射光的偏振方向变化的折射率，并且双折射光学材料的特征在于折射率的最大和最小值之间的差值以及在于沿着与这些极值相应的主轴的偏振方向。延迟为在沿着主轴偏振的波之间引入的相位差，其由穿过双折射材料的传播导致，并且与双折射、光穿过材料所传播的距离以及光的频率成比例。在某些给定波长，它可表达为“波”(waves)；即，2п弧度的相位差乘以在给定(真空)波长的“波”数。

各向同性材料，诸如熔融二氧化硅和微晶ZnSe，不是双折射的，但是通过诸如机械应力的外界因素可引发成双折射。这被称为光弹性效应。在各向同性材料中，沿着一个方向的应变(以及相关的应力)可使沿着垂直方向的折射率以及没有应变方向的折射率改变到沿应变方向。这些方向为与应力引发的双折射相关的主轴。取决于线性偏振光的偏振方向是平行于还是垂直于应变的方向，线性偏振光遭遇这一个或另一个值的折射率。对于偏振的中间方向，电磁波可被分解成沿着主轴的两个分量，每个分量以对应于它所遭遇的折射率的相位速度传播。该相位速度上的差值导致两个分量之间的相位差(延迟)。当重新结合时，这导致了合成光的偏振态改变(例如参见，“Piezo-Optical Birefringence Modulators：New Use for Long Known Effect”by J.C.Kemp，J.Opt.Soc.Am.59，950-954(1969).)。

光弹性调制器(PEM)为利用光弹性效应来产生随时间变化的双折射的光学设备，该随时间变化的双折射可用于调制：(i)光的偏振态；或者(ii)光强度。压电换能器(PZT)可被用于施加机械应力到通常非双折射的材料上。由于压电换能器不具有内部移动部件，PZTs可以较高的频率工作；然而，以高频率工作(利用合理的驱动电压)可能仅仅产生较小的位移，除非使用谐振PEMs，其中以PEM的谐振频率施加的小驱动力可在PEM中产生较高的应力振荡波幅(例如参见，上文的J.C.Kemp)。

PEMs的常规应用需要小的延迟波幅，典型地小于特定波长(例如，熔融二氧化硅在可见光，以及ZnSe、Ge和Si在红外)处的一个波形。具有四分之一波的延迟波幅的PEM会将线性偏振的入射光转换成圆偏振光(在延迟的波峰和波谷处交替左右偏振)，在这些偏振之间的是椭圆偏振。如果在光路中引入四分之一波片(其增加固定的四分之一波的延迟)，全部延迟(PEM加上波片)会在零和二分之一波之间振荡，以及如果将正确定向的偏振器设置在光学系统的两侧，出射光的强度将在零和入射强度之间振荡，由此对单色光产生高速强度调制。例如参见，HINDS Instruments，Inc.of Hillsboro，Oregon的刊物“Photoelastic Modulators”，其中，透明的光弹性材料矩形条块附接在压电换能器上，以使得该条块沿着它的长尺寸振动，振荡的双折射效应的最大值为处于熔融二氧化硅条块的中心的最大值。

假定输入偏振器处于相对PEM光轴45°处，而输出偏振器可与输入偏振器平行或垂直于任择其一。

如上所述，可通过在两个具有互相正交偏振方向的线性偏振光波之间引入相位差，以及凭借设置在两个偏振器之间的光弹性调制器把该差值转化为光强度值来构建干涉仪。这样的干涉仪可用于傅立叶变换(FT)光谱仪(PEM/FT)(参见，在1990年2月27日授予Tudor N.Buican和John C.Martin的美国专利4,905,169“Method And Apparatus For Simultaneously Measuring Fluorescence Over A Multiplicity Of Spectral Channels”。)。

与利用最快的非PEM干涉仪可获得的几千次扫描/秒相比，PEM/FT光谱仪可提供每秒超过10⁵扫描干涉图/光谱；然而，很难获得在中红外(小于数十cm^-1)有用的光谱分辨率。如果将单个的PEM堆放在一起并被以同相驱动来使它们的延迟波幅相加，则利用多个穿过它的延迟波幅可获得少于10cm^-1的光谱分辨率(例如参见，在2005年11月29日授予Tudor N.Buican的美国专利6,970,278“Controlling Resonant Photoelastic Modulators”)。然而，由于光接口处的光损失，这样的系统具有有限的光通量(本发明者估计其在3-8％之间)，这限制了它在被分析的光强度较低的应用中的有用性。该限制在高强度光源可获得或者大孔径集光系统可被使用的应用中或许不重要。然而，在一些应用中，可获得的光的强度较小，且在对于超高速仪器可获得的短时间内只有很少的光子可被俘获。

作为对该问题的解决方案，PEM可由单个的、具有适当大小和形状的条块形光学材料件制成以便取代整堆单个PZT驱动的PEM。这可被认为将PEM以堆的形式放在一起，直到它们接触，然后移除接触窗口之间的接口，由此留下了一条带有多个沿其长度设置的PZT的光学材料，并且光沿着该条块的长轴传播。然而，在各个窗的等价物不再物理上被分离而是在该条块中互相直接接触时，该方法失败了，这是因为此时弹性波可以沿着该条块的长度传播。也即，从垂直于光传播方向的PZT传播的压缩波也将作为弹性波在光传播的方向上沿着该条块的长度传播。由于弹性波中的应力在该波的整个波长(周期)上积分为零，对总延迟的唯一作用将来自于条块长度除以弹性波的波长后小于一个波长的余数。实际上，来自于沿着该条块传播的弹性波的最大作用在于它的二分之一波长(这是因为，其给出了最大积分延迟，随后当余数增加超过弹性波的二分之一波长直到整个波长时，其渐渐降为零，接着当该条块的整个长度继续增加时重复该振荡模式)。因此，即使条块的长度增加，延迟也不会增加超过该限制。

如果沿着条块的长度设置弹性驻波，可获得同样的结果，这是因为相干涉弹性波传播通过零波幅点(波节)，以使得相邻的波腹(antinotes)总是以相反的相位振荡。因此，延迟在两个相邻波腹的长度；也即，两倍于相邻波节之间的间隔，或一个波长上的积分为零。奇数个波腹获得沿着条块轴的最大总延迟；也即，在两个相邻波节之间的距离或者二分之一波长上的积分。由在条块的端部处的反射产生的沿着条块长度的谐振弹性驻波不会改变此结论。

虽然本发明中的条块是三维(3-D)物体，其以用于弹性波的波引导的形式工作，该弹性波展现了仅仅沿着条块的长度传播的模式。因此，条块和在其中传播的弹性波表现的好像它们为一维(1-D)系统：因此，在整个说明书和权利要求中使用的用语“基本一维”表示这样的近似(参见，B.A.Auld，Acoustic Fields And Waves In Solids，Vol.II，2^nd Ed.，Krieger Publishing Co.，1990.)。

利用从沿着条块的长度的弹性驻波产生的双折射的低延迟、条块形的PEM已经被考虑距PZT的周围一定距离放置，其中光的路径传播过条块并垂直于它的长轴，并且由静态应力引起的扰动的静态双折射是已知的，该静态应力例如由将PZT粘附在光学元件上而引起。例如参见，“New Design For A Photoelastic Modulator”by J.C.Canit and J.Badoz，App.Opt.22，pp.592-594(1983)；“Low Frequency Photoelastic Modulator”by J.C.Canit and C.Pichon，App.Opt.23，pp.2198-2200(1984)；和D.Yang et al.in“Photoelastic Modulator：Polarization Modulation And Phase Modulation，J.Opt.(Paris)26，pp.151-159(1995)。

发明内容

因此，本发明的目的为提供一种细长的光弹性调制器，其中，偏振光在它的长度方向上传播并且所述偏振光的平行于调制器主轴的偏振方向经历随着光弹性调制器长度的增长而增加的积分延迟。

本发明的另一个目的为提供一种细长的光弹性调制器，其中，偏振光在它的长度方向上传播并且所述偏振光的平行于调制器主轴的偏振方向经历随着用于干涉测量法的光弹性调制器长度的增长而增加的积分延迟。

本发明的其它目的、优点以及创新的特征将部分地在随后的说明中阐述，且根据随后的示例对于本领域技术人员，其将部分在某种程度上变得显而易见或者可通过本发明的实践而被认识到。本发明的目的和优点可通过尤其在随附的权利要求中具体指出的手段和组合实现及获得。

为了实现上述以及其它目的，以及根据此处所体现及概括描述的本发明的目的，本文中的一种高延迟波幅光弹性调制器，其结合包括：光弹性元件，其具有第一端、相反的第二端、穿过第一端和第二端的光轴以及设置在第一端和第二端之间的表面；至少一个主动单元，其包括：两个间隔开的第一机械驱动器，其沿光轴粘附于所述表面并且相互之间具有第一选定距离；以及第二机械驱动器，其以距所述两个第一机械驱动器其中之一第二选定距离沿光轴粘附于所述光弹性元件的表面，并且在所述两个第一机械驱动器之间；第一装置，其用于驱动所述两个第一机械驱动器之一；第二装置，其用于驱动所述两个第一机械驱动器的第二个；第三装置，其用于驱动所述第二机械驱动器，其中，弹性驻波被产生，该弹性驻波沿着光轴在对应于每个所述两个第一机械驱动器的位置处具有波节，以及沿着光轴在两个波节之间具有波腹，并且被限制于所述至少一个主动单元，并且其中，沿着光轴在所述至少一个主动单元中在所述两个第一机械驱动器之间产生所引发的双折射；以及用于沿着光轴线性引导偏振光辐射的装置，该光辐射具有初始相位和平行于主轴的偏振方向，由此当光辐射沿着光轴在所述至少一个主动单元内传播时，光辐射的初始相位被单调延迟。

在本发明的另一方面且根据它的目标和目的，本文中的一种用于使穿过光弹性调制器中的电磁辐射产生高延迟波幅的方法，其包括如下步骤：利用两个第一机械驱动器和第二机械驱动器在光弹性元件中产生沿其光轴的弹性驻波，所述两个第一机械驱动器沿着光轴附接于所述光弹性元件的表面并以第一选定距离间隔开，该第二机械驱动器以距离其中一个第一机械驱动器选定距离的方式沿着光轴设置在第一机械驱动器之间，两个第一机械驱动器和第二机械驱动器形成主动单元，由此，弹性波中的波腹在波节之间被形成在光轴上，所述波节形成在光轴上对应于两个第一机械驱动器的位置处，在两个第一机械驱动器之间沿着主动单元的光轴产生双折射，并且弹性波被限制于所述单元；以及沿着光轴线性引导偏振光辐射，该光辐射具有初始相位和平行于第一主轴的偏振方向，由此当光辐射沿着光轴在主动单元内传播时，光辐射的初始相位被单调延迟。

在本发明的另一方面且根据它的目标和目的，本发明的干涉仪，其结合包括：光弹性元件，其具有第一端、相反的第二端、穿过第一端和第二端的光轴以及设置在第一端和第二端之间的表面；至少一个主动单元，其包括：两个间隔开的第一机械驱动器，其沿着光轴粘附于所述表面并且相互之间具有沿光轴的第一选定距离；以及第二机械驱动器，其以距所述两个第一机械驱动器其中之一第二选定距离沿光轴粘附于所述光弹性元件的表面，并且在所述两个第一机械驱动器之间；第一装置，其用于驱动所述两个第一机械驱动器之一；第二装置，其用于驱动所述两个第一机械驱动器的第二个；第三装置，其用于驱动所述第二机械驱动器，其中，弹性驻波被产生，该弹性驻波沿着光轴在对应于每个所述两个第一机械驱动器的位置处具有波节，以及沿着光轴在波节之间具有波腹，并且被限制于所述至少一个主动单元，并且其中，沿着光轴在所述至少一个主动单元中所述两个第一机械驱动器之间产生所引发的双折射；第一偏振器，其具有相对于所述光弹性元件的主轴方向45°的第一偏振轴；第二偏振器，其具有相对于主轴方向45°的第二偏振轴；以及用于沿着轴引导光辐射的装置，以使得光辐射穿过所述第一偏振器并在进入所述光弹性材料之前沿着第一偏振轴线性偏振出射，光辐射在所述光弹性材料中产生两个线性偏振分量，第一分量平行于所引发的双折射的主轴具有第一相位且第二分量垂直于第一分量并具有第二相位，当光辐射穿过所述至少一个主动单元传播时，第一相位被相对于第二相位单调延迟，并使得第一分量和第二分量穿过所述第二偏振器且以第三线性偏振光辐射和第四线性偏振光辐射的形式从其出射，第三线性偏振光辐射和第四线性偏振光辐射均具有平行于第二偏振轴的偏振方向，当在离开光弹性材料之后，第三光辐射和第四光辐射具有相对的相位延迟。

本发明的实施方式克服了以基频振荡的隔离谐振器堆的缺陷和限制，所述谐振器堆包括具有抑制光损失的昂贵的一组精致窗口的需求。本发明的实施方式的益处和优点包括但不限于，提供具有在任意高的双折射方面潜力的低光损光弹性调制器；也就是说，随着光弹性条块的长度的增加双折射增加，但是其可能对于具有大量压电换能器的非常长的条块具有所固有的复杂性、成本和低效率限制。

附图说明

合并于此的并形成说明书的一部分的附图阐明了本发明的实施例并与说明书一起用来解释本发明的原理。在附图中：

图1A为本发明光弹性调制器实施例的主动单元的示意图，其阐明了包括两个波节驱动器的单元在被限制于该单元的光轴上产生弹性波，两个波节驱动器分隔λ/2，波腹驱动器位于它们之间，以便于产生弹性波，其中，波节驱动器同相振荡并先于波腹驱动器π/2，而图1B示出了可能由单个源及两个反射壁产生的同样效果。

图2为多个图1A中所阐明类型的单元的侧视图的示意图，本文中它们以串联的方式设置，每个单元与相邻的单元共用一个波节驱动器，图2进一步示出压电换能器形式的波节及波节驱动器被粘附在细长光弹性条块的表面，并对于驱动器指明间距和相位，沿着条块的光轴产生具有对应于指明了驱动器间距和相位的驱动器位置的波节和波腹的弹性波，以使得当光经由其传播时延迟波幅增加。

图3为用于在图2中示出的大体一维细长光弹性介质中主动振动抵消的设备的侧视图的示意图，本文中，为了减少弹性波在单个单元之外的传播，每个波节驱动器为用于在波节处检测到信号时提供恢复信号的反馈回路的一部分。

图4A为粘附于光弹性条块表面的波节或波腹驱动器的透视图的示意图，图4B示出了粘附于光弹性条块表面的相对的波节或波腹驱动器，以及图4C示出了粘附于光弹性条块表面的四个波节或波腹驱动器。

图5为适用于与本要求保护发明的光弹性调制器一起使用的干涉仪的一部分的实施例的透视图简图。

图6A示出了沿着光弹性材料的光轴(X方向)并具有波幅A₀、相位φ₀和频率ω₁的单个驱动器(源)的一维位置X₀，该单个驱动器(源)产生沿着X轴向左传播的波L(x，t)和向右传播的波R(x，t)，图6B示出了沿着光弹性材料光轴(X方向)的N个驱动器(源)的一维位置，每个驱动器具有波幅相位和频率ω，和产生的沿着X轴向左传播的波L(x，t)和向右传播的波R(x，t)，而图6C示出了沿着X轴的三个不等距的驱动器(源)的位置，其中，驱动器1位于距离驱动器2“a”的位置，且驱动器2位于距离驱动器3“b”的位置。

图7A阐明了间隔λ/4并相位相差90°(in quadrature)振荡的两个点振荡驱动器(源)，右边的源滞后左边的源π/2，而图7B示出了对于弹性波来说与固体反射壁的效果相同的源1的效应。

图8A为主动谐振单元中弹性驻波的波幅作为距离函数的曲线图，其中，波节驱动器位于±λ/4处，且波腹驱动器被设置在原点处，且具有0.5每波长的衰减系数，而图8B为对于相同源位置，弹性驻波的相位作为距离函数的曲线图。

图9A传统被动谐振器中弹性驻波的波幅作为距离函数的曲线图，其中，全反射壁被设置在±λ/4处且不存在衰减，而图9B为对于同样的构造弹性驻波的相位作为距离函数的曲线图。

图10A为对于宽度为图8A(a＝λ/2且b＝λ/2)中宽度两倍且衰减为0.5每波长的谐振单元的，在主动谐振单元中弹性驻波的波幅作为距离函数的图表，而图10B为对于相同源位置的弹性驻波的相位作为距离函数的图表。

图11A为对于宽度为图8A(a＝λ/8，且b＝λ/8)中宽度一半的谐振单元的，主动谐振单元中的弹性驻波的波幅作为距离函数的图表，而图11B为对于相同波源位置的弹性驻波的相位作为距离函数的图表。

图12A为对于1.2个半波的总声谐振(total acoustic resonance)单元长度(比基础谐振器长20％)的，并且衰减系数为0.5每波长，不对称主动谐振单元中的弹性驻波的波幅作为距离函数的图表，其中，源1和2分隔0.45个半波长，以及源2和3分隔0.75个半波长(x₁＝0.225λ；x₂＝0；x₃＝0.375λ)，而图12B为对于相同波源位置，弹性驻波的相位作为距离函数的图表。

具体实施方式

简单地说，本发明包括用于提供高延迟波幅光弹性调制器的设备和方法。在光弹性光学材料的连续细长条块中驱动机械振荡以使得条块中的紧邻域被近乎零振荡波幅(波节)的短区域分隔，并且相互独立，由此每个域中弹性波振荡的相位可被外部控制且不受相邻域的相位的影响。特别地，振荡的相位穿过波节时没有显著变化，而传播穿过条块的线性偏振光经受增加的相位延迟。在短的波节区域内，相位可改变符号；然而，振荡波幅在这些区域较小或为零，且对于传播的光的相位延迟带来的影响将会相应的小。

弹性波振荡可由准周期性间隔的压电换能器(PZT)的相控阵驱动，该压电换能器沿着在光弹性材料中的弹性波中形成波节和波腹的光弹性调制器(PEM)的表面粘贴。可产生谐振的弹性驻波。根据下面的详细描述，每个PZT的相位被控制。通过控制单个PZT的相位、波幅和间隔产生沿着条块的期望弹性波分布。沿振荡波幅消失处的大体一维系统的术语“波节”，传统上是指由以相反方向传播的波的抵消产生的驻波，且波可实际上传播过波节。在该情形下，波节为由波节驱动器产生的局部振荡的结果，该波节驱动器主动地自适应地抵消所有入射波的总和，这些可在标准振动抵消系统中发生。

大体上一维系统(诸如本条块形PEM)中的振动抵消是已知的。一个过程可利用波节驱动器的单个振动抵消控制器，而不用全局控制所有的波节。因此波节驱动器通过主动地阻止相邻波腹之间的弹性波传播来隔离波腹驱动器，由此起到在PEM阵列中类似物理分隔PEM的作用。波腹驱动器可由阵列控制系统控制，该阵列控制系统例如基于用于控制延迟波幅及其工作频率的“浮动波幅”法，所述频率不是必须为阵列中的单个PEM的谐振频率，正如在2005年11月29日授予Tudor N.Buican的美国专利6,970,278“Controlling Resonant Photoelastic Modulators”中所描述的。这确保了在波节之间的所有点以相同的频率和相位振荡，所有延迟结构性地相加。

正如在整个说明书和权利要求中所使用的，术语“波节驱动器”或“波腹驱动器”应指示至少一个驱动器，更具体地至少一个压电驱动器，该驱动器在沿着条块的长轴(光轴)的大体相同的位置，在条块的不同面或者在非矩形条块的等价物上，粘附在光弹性条块的表面上，并它们之间具有特定的相位关系。

现在将详细参考本发明的实施例，其示例在附图中阐明。在附图中，相似的结构将用一样的附图标记指明。现在看图1A，示出了本发明的光弹性调制器一个实施例的主动谐振单元10的示意图，其阐明了包括两个波节驱动器(源)12，14的单元，两个波节驱动器分隔λ/2，波腹驱动器16位于它们之间，其中，波节驱动器同相振荡并先于波腹驱动器π/2，以使得弹性驻波18在光轴X，20上产生并被限制于该单元(以左行进波L(x，t)＝0和右行进波R(x，t)＝0示出)，其中λ为弹性波18a，18b的波长(分别示出以沿着该单元的距离为函数的持续弹性波的最大和最小波幅)，其由向光弹性材料发射具有基频ω的周期信号的驱动器产生，而图1B示出可由单个源16和两个反射壁22和24产生的没有波在腔外传播的条件。使得具有初始相位的至少一束线性偏振光沿着光轴20传播。

随着每个单元以这种方式被构造，当线性偏振光沿着光轴传播时，其经历双折射以至于产生单调相位延迟。将弹性波限制于每个主动单元允许相邻单元被单独控制，且至少在理论上相位延迟可被任意增加。这与在光弹性材料中产生的单个弹性驻波情形相反。在那里，当弹性波穿过波节传播时，弹性波改变符号(相位改变π)，以使得由每对相邻波腹产生的总延迟为零，且不管将条块制成多长，条块的总延迟不能超过由弹性驻波的半波(一个波腹)所产生的延迟。

图2为多个图1A中所阐明类型的主动谐振单元10a-10d的侧视图的示意图，本文中它们以串联的方式设置，每个单元与相邻的单元共用一个波节驱动器，并且形成本发明的光弹性调制器26的一个实施例。图2进一步阐明了波节驱动器12a-12e及波腹驱动器16a-16d，在图2中以压电换能器示出，被粘附在细长光弹性条块28的表面，并产生具有沿着条块光轴20分别对应于波节驱动器和波腹驱动器位置的波节和波腹的弹性波，其中，波节和波腹(波节驱动器和波腹驱动器)之间间隔λ/4(每个波节和波腹被以对应于波长λ的周期频率ω驱动)且波腹驱动器的相位比波节驱动器的相位滞后π/2以使得当光穿过光弹性材料传播时，沿着光弹性材料28的条块的长轴沿光轴20行进的光的延迟波幅增加。由于传感器12和16具有有形尺寸并通过一些必须限制精度的制造过程粘附，因此它们沿着光轴20的相应位置是近似的。然而，正如下文中将要说明的对弹性损耗及无损耗系统所做的分析，波节驱动器和波腹驱动器的位置和相关相位对于要被观测的效应仅仅需要近似，通过驱动器相位和波幅的适当调节来补偿位置误差。通过闭环控制，也可补偿可能产生相位变化的驱动器的频响变化。

信号发生器30用作用于将周期电信号提供给波节驱动器12a-12e以及波腹驱动器16a-16d的装置，相位延迟由相位延迟设备32引入。如上文所述，弹性驻波已经从粘附于条块形PEM表面的压电换能器沿着条块形PEM的选定光轴产生(例如参见上面已经表述过的J.C.Canit and J.Badoz)。在光弹性调制器26的单元10a-10d中的驻波的相位互相独立，且通过驱动电子器件可使得相位近似相等，由此确保当光沿着光弹性材料28的光轴20传播时，延迟波幅增加。光弹性材料28的横截面可具有任意形状，只要PZT可有效地粘附在所述光弹性材料的外表面上即可。然而，PZT更易于适配于具有扁平边的条块。

如上文所述的，由于沿着条块的期望振荡波幅分布通过控制单个PZT的相位(以及波幅)产生，因此压电换能器到条块形光学元件的(准)周期附接可被看作形成(超声)传感器的相控阵。因为交替的PZT在产生振荡的空间分布时具有不同的相位和作用，产生两个相互交叉的相控阵，一个由波节驱动器组成，另一个由波腹驱动器组成。

还如上文所述的，波节驱动器(具有用于驱动PZT的相关电子器件装置的PZT)可被当作振动抵消的示例。在一维系统中，或者在基本一维的系统中，主动振动抵消可通过反馈回路实现，该反馈回路被调节以便使由下游传感器检测到的信号波幅最小化。这导致通过由上游PZT驱动器产生的适当的波抵消入射波。相同的PZT可用作传感器和波发生器(驱动器)的功能。

图3为本发明的光弹性调制器26的实施例的侧视图的示意图，其在光弹性材料28的大体一维条块中采用主动振动抵消。特定的波节PZT(12a-12d)可作为驱动器和传感器运行。在一维系统中，如果波幅在传感器波节处为零，那么它在下游的任何位置都为零且PZT驱动器起到对从上游传播来的波的(全)反射器的作用。波节传感器处以及其下游处的波幅通常较小但不为零，这产生了有效的但不是全反射器。因此，如果非零信号被任何一个PZT 12a-12d检测到，各个独立的波节控制器34a-34d可分别在PZT 12a-12d上产生恢复信号，以便有效地抵消该信号。这也在基本一维的系统中获得。通过在隔离主动单元10a-10e中进行全局(global)相位和波幅控制的主动振动抵消装置的优点在于，控制是局部的并且因此可由独立分布的控制器阵列执行，每个操作仅仅基于由局部传感器或者至多从周邻的传感器检测到的误差信号。驱动器以及局部振动抵消电路的数量可与光弹性条块28的长度成比例。波腹控制器36a-36e可由全局控制器38控制。可替换的过程可为，提供用于接收来自每个传感器(所有单元)的误差信号的中央控制器，处理所有这些误差信号，并为每个PZT产生驱动波幅和相位。然而，该方法是麻烦的且不能很好地设定比例，这是因为用于中央控制器的输入和输出数量相对于谐振单元的数量成比例增加。

图4A-4C为光弹性条块28的透视图的示意图，该光弹性条块28具有分别粘附于其表面40的一个具有相位φ₁的PZT驱动器(12或16)，两个相反的PZT驱动器(具有相位φ₁的12或16以及具有相位φ₂的12′或16′)或者四个PZT驱动器(具有相位φ₁的12或16；具有相位φ₂的12’或16’；具有相位φ₃的12″或16″；以及具有相位φ₄的12″′或16″′)。示出了驱动器的对称且平面的布局，但是也可以设想其它的构造。压电换能器可对应于相反的面成对布局(图4B)，其中相位φ₁＝φ₂以使得可沿着条块的轴产生压缩波，或者相位可相差π，例如，φ₁＝φ₂+π，以使得可产生竖直偏振的剪切弹性波。同样的考虑可应用于图4C的φ₃和φ₄，在该情形中剪切弹性波被水平偏振。相位可互相具有选定的关系。作为示例，φ₁＝φ₂且φ₃＝φ₄，φ₁＝φ₃+π(两对PZT之间相位相反)，导致具有相反符号的横向的竖直以及水平的应力，其对于沿着条块的长轴传播的光会产生较大的双折射。

一旦对于每个波节驱动器和波腹驱动器，内相位关系被限定(诸如上文中确定的三个相位关系)，还余下一个自由相位参数。假设驱动器为PZT，余下的自由相位参数对应于在整个本说明书和权利要求中所使用的驱动器的“相位”。

图5中示出了以它的最基本形式的基于PEM干涉仪42，并包括第一偏振器44、光弹性调制器26以及第二偏振器46，其中E_in和E_out分别代表由第一和第二偏振器44和46的偏振方向所确定的输入和输出电矢量；n_x和n_y为光弹性材料28的主折射率和相对于偏振器的偏振方向成45°定向的相应主轴。进入光弹性调制器的线性偏振(离开第一偏振器之后的竖直偏振，P₁)光波被分解成两个线性偏振正交的光波，沿着x和y轴分别偏振。当两个波穿过光弹性调制器传播时，在它们之间引入相位延迟，这是因为它们中的每个经历了不同值的折射率n_x和n_y。在离开光弹性调制器26时，两个波穿过第二偏振器46，该第二偏振器仅仅透射沿着其偏振方向(P₂)的线性偏振分量。由于出射波现在具有由光弹性调制器引起的相同的偏振方向和相位差，因此它们可干涉。该相位差在时间上随着调制器中引发的双折射变化。例如参见，T.N.Buican，A.H.Carrieri，“Ultra-High Speed Solid State Spectroscopy and Applications for Chemical Defense，”Proceedings of the 24^th Army Science Conference，Orlando，Florida，2004，和已见前面所述的美国专利4,905,169。可提供适于为穿过PEM 26的光提供多个通道的镜片(图5中未示出)以用于从其获得较高的延迟波幅，仪器的分辨率随之增加。

静态双折射相移器(phase shifter)为具有等于PEM的延迟波幅的(固定，但可调的)双折射的光学元件，由此可提供使干涉图的原点移动一个完整波幅，以使得干涉图达到最大延迟(两倍于波幅)，从而采用此设置的傅立叶变换光谱仪的光谱分辨率加倍(也使干涉图的扫描时间加倍)。可选择地，PEM的静应力级别可通过将直流电压部件加到施加于PZT的电压上来控制，所述PZT用于在PEM中驱动应力波。

已经大体上描述了本发明，下面的示例将提供其更多的细节。

示例1

主动波约束：

图6A示出了产生沿着x轴在介质中传播的波的点波源，并且所述波具有波幅A(x)、相位φ(x)、角频率ω和衰减β。向区间左右传播的波假设为：

以及

其中，A₀＝A(x₀)，φ₀＝φ(x₀)分别为在波源处向左和右传播的波的波幅和相位，为波源处的两个波的复数波幅，ω为振荡的角频率，以及κ为复数波数κ＝ω/c-iβ＝2π/λ-iβ＝k-iβ，其中c为波沿着x轴的相速度，β为衰减系数，λ为弹性波的波长，以及k＝2π/λ为(实)波数。

图6B示出了一组定位在x_j(j＝1，…N)处的N个点波源，它们以相同的角频率ω振荡并且在它们各自的波源处产生具有波幅和相位A_j和φ_j的N个波，它们以衰减系数β穿过介质传播。向该组N个波源左边和右边传播的合成波为：

以及                     [1]

部分主动约束，在其中没有弹性波在该组波源的一侧传播，对应于方程1中的外部合成波的仅仅其中之一恒等(identically)抵消。例如，如果没有向左传播的外部波，L(x，t)＝0，于是，以向量表示为，

$\left(\begin{array}{ccc}{e}^{-\mathrm{i\kappa }{x}_1}& ···& e^{-\mathrm{i\kappa }{x}_N}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ ···\\ A_N\end{array}\right)=0---\left[2\right]$

该向量方程对于N≥2具有非零解。

为了使N个波源向左和向右的波都恒等消失，方程1中的两个和必须等于零，或者以向量表示为，

2×N的复数指数矩阵由N个波源的位置，波源振荡的频率，以及介质的衰减系数确定。N个复数波幅是未知的；对于N≥3，方程2总是存在非零解；对于两个波源，相应2×2矩阵的行列式必须等于零，以便存在非零解。非零解为N个波源中的每个提供需要的波幅和相位，以使得弹性波被主动地约束在该组波源内；也就是说，没有波逸出到波源1的左边或波源2的右边，且L(x，t)和R(x，t)＝0。

示例2

主动反射器：

对于N＝2，方程2可被写成：

就波幅和相位而言，等价于和φ₂-φ₁＝k(x₂-x₁)+π。两个波源的波幅和相位之间的这些关系导致没有波传播到源1的左边。特别地，对于四分之一波长的波源间距，x₂-x₁＝λ/4并且没有衰减(β＝0)，对于约束至向左的条件为A₁＝A₂＝A(波幅相等)以及φ₂-φ₁＝-π/2；也就是说，第二波源必须相对第一波源在相位上滞后π/2。

图7A示出了相位相差90°振荡且间隔π/4的两个这样的点波源，其中，第二波源在相位上滞后第一波源π/2。因此，向波源左边的波消失了，而右传播波具有在无衰减的情形下为两个波源波幅之和的波幅，假设没有衰减，波源结构性地(constructively)叠加。于是，在波源区间外，两个点波源等价于在右边的单个波源以及左边第一波源处的固体壁。左边波源阻止向左传递、在它和右边波源之间产生驻波、并增加向右行进的波的波幅。如图7B所示的，以相对于波源2相称的波幅和相位振荡的波源1在功能上等价于反射壁或镜，该壁或镜阻止由波源2产生的波超过波源1传播。该虚拟的“主动镜”(active mirror)效应是已知的且被用于上述的主动噪声抵消。

示例3

隔离的主动谐振单元：

如果方程2a具有非零解，于是在包含波源的区域外部传播的两个波都消失且弹性波被约束在一有界区域内，该有界区域在正确条件下，将起到虚拟主动谐振器的作用。这被称为主动谐振单元，或ARC。

对于两个波源N＝2，当且仅当2×2指数矩阵的行列式等于零，矢量方程2a才具有非零解：

其当且仅当β＝0(没有衰减)且x₂-x₁＝nλ/2(设置在x₁和x₂处两个镜子的标准驻波条件)时成立。换句话说，如果振荡要被限制于由两个波源限定的区域，则对于N＝2的主动波限制需要严格的几何及传播条件。几何条件与用于两个镜子之间的标准谐振腔的几何条件相同；进一步，如果存在非零衰减系数，即使波源被精确地定位，振荡也不会被限制。

然而，如果N＞2，下面可以观察到，这些几何及传播条件不再代表约束条件，且振荡的限制可通过调节驱动器参数波幅和相位来实现，这可通过纯电子装置实现。

图6C示出了最简单的这样的情形，N＝3，其中，具有复数波幅A₁、A₂和A₃的三个波源被分别设置在x₁＝-α、x₂＝0和x₃＝b处。根据方程2，将振荡限制在区间(-a，b)需要

或者

其中，

$A_1=-\frac{\sin \left(\mathrm{\kappa b}\right)}{\sin \left(\kappa (a+b)\right)}{A}_2$以及$A_3=-\frac{\sin \left(\mathrm{\kappa a}\right)}{\sin \left(\kappa (a+b)\right)}{A}_2---\left[3a\right]$

或者

$A_2=\frac{\sin \left(\kappa (a+b)\right)}{\sin \left(\mathrm{\kappa b}\right)}{A}_1$以及

这是三波源被限制的解，因为它限定了两波源的波幅和相位相对于第三个波源的波幅和相位(一个任意波幅和相位)的比。如果存在衰减(β≠0)，则方程3b中的分母永远不等于0，非零解总是存在，其具有一个任意波幅和相位并且没有波幅等于0。在没有衰减的情形下，可证明解仍旧存在，即使三个波幅中的一个可能等于0，该系统因此回到N＝2的情形，则可能存在两个任意波幅。

示例4

形成驻波的条件：

如果a＝λ/4以及b＝λ/4，用于形成具有对称设置在两个间隔λ/2波节之间的波腹(参见图1)的驻波的条件为，波腹驱动器(波源2)滞后波节驱动器(波源1和3)π/2；根据方程3b，如果波腹驱动器的波幅A₂在延迟另外π/2的λ/4距离上衰减，并叠加到在λ/2上衰减并延迟π的第一波节驱动器波幅A₁上，波幅A₃的精确抵消发生在另一波节驱动器处。类似地，精确抵消发生在第一波节驱动器处。当β→0时，波腹驱动器或波源的波幅也趋于零，这是因为，没有衰减，波腹处的非零驱动波幅会产生不会消除并因此泄露出谐振单元的波。在这些条件下，由波节驱动器产生的同相且等波幅的波精确地在波节处相互抵消，而在波腹处结构性地叠加，于是不需要波腹驱动器。这是方程3b的分母等于0的情形。当波节驱动器精确定位在±λ/4处而波腹驱动器设置在原点处时，可示出即使具有高的衰减系数(0.5每波长)，在主动谐振单元内，相位几乎从-π/2没有变化(参见图8B)，而合成驻波被限制在波节驱动器之间并具有在波腹驱动器处有最大波幅的波腹(参见图8A)。这些结果与那些对于两个全反射壁之间的基本模式驻波的结果几乎不可区分(参见图9A和9B)。

如果谐振单元为上述两倍宽，具有a＝λ/2以及b＝λ/2，所有的驱动器是同相的，且波腹驱动波幅至少为波节波幅的总和(当没有衰减时相等，当出现衰减时波幅高于所述总和)。对于这个例子给定相位延迟和衰减，波如同所要求的在波节处以及在区间外部抵消，其中波节精确位于±λ/2处，甚至具有0.5每波长的高衰减(参见图10A和图10B)。可显示在声谐振单元内的相位除了在接近波腹驱动器处之外，在大约-π/2附近几乎不变化(参见图10B)。进一步，振荡相位的符号在整个单元上不变，尽管在同样长度的谐振器中驻波的相位会在原点处改变符号且总延迟的和为零。

现在假设声谐振单元的宽度为前面驱动器的波幅和相位可从方程3b获得的宽度的一半宽，即a＝λ/8以及b＝λ/8。而且，如前所述，即使具有0.5每波长的高衰减系数，振荡仍被限制到谐振单元(参见图11A)并且波节间的相位几乎没有改变(参见图11B)。因此，本发明的实施例产生了操作主动谐振单元，其中，弹性驻波被限制在谐振单元之内且相位在间隔除了半个波长的波节之间几乎没有变化。也就是说，如果该被动驻波条件在主动谐振单元的形式上得不到满足，则适于本发明目的的驻波可通过适当选择波节和波腹驱动器之间的相位和波幅关系来实现。

示例5

通用(generic)波源的设置：

求方程3b，其中波源1和2间隔0.45个半波长以及波源2和3间隔0.75个半波长(x₁＝0.225λ；x₂＝0；x₃＝0.375λ)，整个声谐振单元长度为1.2个半波(比基本谐振器长20％)，以及衰减系数为0.5每波长，其中，波幅在两个波长上通过“e”因子减小，图12A和12B中示出的波幅和相位曲线从波节驱动器1和3的复数波幅获得。

上述结果表明：(a)与有两个波源的情形相比，所述情形如果该两个波源被精确间隔λ/2而没有衰减其仅仅限制振荡，在没有约束壁或反射表面的情形下，主动谐振单元外部的波幅为零；以及(b)在声谐振单元内部的振荡相位不改变符号且几乎不变化，其意味着沿着声谐振单元的轴的延迟会结构性地相加。

这是本发明的相控阵驱动概念的说明，因为它表明，振荡可通过主动装置被有效地限制到长的、连续的1维介质的界线明确的区域，尽管限定且驱动声谐振单元的三个驱动器被如此定位：(i)不对称地；(ii)以不同于那些建立传统谐振所需要的距离；以及(iii)所述波在传播介质中被强力吸收。

由于系统的线性，相邻的主动谐振单元可共用波节驱动器，这是因为该波节的复数波幅仅仅为相邻波节中每个所需要的复数波幅的总和。这阐明了由PZT相控阵驱动的虚拟ARC堆(图2-4)的概念，在所述相控阵中，波节和波腹驱动器交替。

由于κ-为非零衰减的复数，则方程4的分母不为零，并且，给定波腹波源2的复数波幅，波节波源1和3的复数波幅总是存在唯一解，以使得振荡被限制于这两个波节之间的区间。因此，如果局部噪声/振动抵消电路被用于波节驱动器而不是利用方程3a，b中的计算得到值(参见，图3)，则对于噪声抵消控制器总是收敛于唯一的波幅和相位(方程3a，b中的值)。

由于波节驱动器振荡的相位和波幅可被调节以与由方程3a和3b给定的值相匹配，从而将振荡限制在声谐振单元内是可能的。噪声/振动的抵消是驱动器相控阵的一个实施例。不完全振荡限制/声谐振隔离也可是有用的。也就是说，例如，如果10％-20％的波幅通过波节被泄露出，条块形的光弹性调制器的总性能可能以满效率的80％-90％起作用，并且仍旧会使得傅立叶变换光谱仪能产生极好的分辨率。

为了解释和说明的目的，已经提出了本发明的上述说明，且本发明的上述说明并不是穷尽的或者并不意欲将本发明限于所公开的确实形式，且显而易见地，根据上述教导，许多变型和变化是可能的。所述实施例被选择和描述以便最佳地解释本发明的原理和它的实际应用，由此以便使得本领域的其它技术人员能最佳地将本发明利用成各种实施例形式和各种变型以适应所考虑的特定应用。其意图在于本发明的范围由所附的权利要求限定。