CN103453988A - 声光可调谐滤波器级联色散*** - Google Patents

声光可调谐滤波器级联色散*** Download PDF

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武晓东
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Abstract

本发明公开了声光可调谐滤波器级联色散***，包括第一光学***，所述第一光学***将光传输至声光可调谐滤波器，所述声光可调谐滤波器与精密射频驱动器连接，所述声光可调谐滤波器将光传输至第二光学***，所述第二光学***将光传输至二级色散元件，所述二级色散元件将光传输至第三光学***。本发明组成的探测***可实现多个波段光信号的并行测量，缩短了仅应用声光可调谐滤波方法选择窄带单色光，实现色散区间内光谱测量的时间。

Description

声光可调谐滤波器级联色散***
技术领域
本发明涉及一种色散***，具体涉及的是声光可调谐滤波器级联色散***。 
背景技术
声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter，AOTF)是根据声光效应原理制成的分光器件，具有对光进行调制、带宽滤波输出的特性。 
声光相互作用可用经典力学来描述，也可用量子力学来描述。当一列由射频信号经换能器转换的高频声波在一个光学弹性介质（声光晶体）中传播时，晶体内部的晶格会在声波的作用下发生局部的压缩或膨胀，这种晶体内部有规律的应力变化使得晶体内部各处的光学折射率产生周期性变化类似于形成了空间光栅。光波在声致光栅的作用下将发生衍射现象。 
基于上述声光效应的原理，当一束复色光通过一个高频振动的声光晶体时，某一波长的窄带光将会在晶体内部产生衍射，偏离一定角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接透射过晶体，由此达到分光的目的。当输入射频信号频率改变时，高频声波波长改变，可透射窄带光的波长也相应改变，这是AOTF分光的基本原理。AOTF器件结构是由晶体和键合在其上的换能器构成，换能器将高频RF驱动电信号（一般约为几十兆赫至二百兆赫之间）转换为在晶体内的超声波振动，超声波对声光介质产生了空间周期性的调制，其作用类似于衍射光栅。当入射光照射到此光栅后将产生衍射，其衍射光的波长与高频驱动电信号的频率有着对应的关系。因此，只要改变RF驱动信号的频率，即可改变衍射光的波长，进而达到了分光的目的。当连续或不连续改变RF驱动信号同时测量由AOTF偏离的光信号强度。最终可将RF频率与光波长对应起来，获得该波段的光谱。目前的技术水平已实现多个射频频率作用于AOTF器件实现分立多波长光的共线输出。 
目前采用AOTF器件及技术的光谱测量***，通过采用连续变化射频信号驱动AOTF器件实现波长连续变化的窄带光选择输出。通过探测器测量连续变化的各窄带光信号强度实现全光谱测量。射频变换为声波信号后在声光晶体中形成周期性折射率改变的作用时间（即声波穿越晶体的时间），限制了光谱单点信号采集速度，不可避免的存在目标谱段光谱测量相对较慢的问题。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供声光可调谐滤波器级联色散***，将由多个射频信号驱动的声光可调谐滤波器共线输出多波长光分离。 
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现： 
声光可调谐滤波器级联色散***，包括第一光学***，所述第一光学***将光传输至声光可调谐滤波器，所述声光可调谐滤波器与精密射频驱动器连接，所述声光可调谐滤波器将光传输至第二光学***，所述第二光学***将光传输至二级色散元件，所述二级色散元件将光传输至第三光学***。
进一步的，所述第一光学***包括第一光阑、起偏器、第一准直透镜、第二光阑和第一聚焦透镜，所述第一光阑、所述起偏器、所述第一准直透镜、所述第二光阑和所述第一聚焦透镜中心在同一轴线上，所述第一光阑和所述第二光阑为小孔光阑或狭缝。 
进一步的，所述第二光学***包括0级光遮挡片、第三光阑、第二准直透镜和第四光阑，所述第三光阑和所述第四光阑为小孔光阑或狭缝。 
进一步的，所述第三光学***包括第五光阑和第二聚焦透镜，所述第五光阑为小孔光阑或狭缝。 
进一步的，所述二级色散元件为棱镜或光栅。 
本发明的有益效果是: 
本发明组成的光谱探测***可实现多个波段光信号的并行测量，缩短了直接应用声光可调谐滤波方法选择窄带单色光测量色散区间内光谱的时间，本发明***的后端可采用PMT、APD等高灵敏高速响应器件作为光信号探测器与线阵CCD相比具有更高的信号灵敏度，同时采用本发明方法的光谱测量时间亦达到了光纤光谱仪的技术水平。
附图说明
图1为本发明的***结构框架图； 
图2为本发明中声光可调谐滤波器级联分光原理图；
图3为声光可调谐滤波器级联色散实现过程框图。
图中标号说明：1、第一光学***，2、第二光学***，3、第三光学***，11、声光可调谐滤波器，12、精密射频驱动器，13、二级色散元件，21、第一光阑，22、起偏器，23、第一准直透镜，24、第二光阑，25、第一聚焦透镜，31、0级光遮挡片，32、第三光阑，33、第二准直透镜，34、第四光阑，41、第五光阑，42、第二聚焦透镜。 
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。 
声光可调谐滤波器级联色散***，包括第一光学***1，所述第一光学***1将光传输至声光可调谐滤波器11，所述声光可调谐滤波器11与精密射频驱动器12连接，所述声光可调谐滤波器11将光传输至第二光学***2，所述第二光学***2将光传输至二级色散元件13，所述二级色散元件13将光传输至第三光学***3。 
所述声光可调谐滤波器11由所述精密射频驱动器12同时输入n个不同中心频率的窄带射频信号时，可共线输出与输入射频信号中心频率相匹配的n个中心波长的窄带光。 
所述精密射频驱动器12可同时或分时输出n个不同中心频率的窄带射频信号。且n通道射频信号输出相互独立，射频功率可调，射频频率可独立连续或不连续变化。 
进一步的，所述第一光学***1包括第一光阑21、起偏器22、第一准直透镜23、第二光阑24和第一聚焦透镜25，所述第一光阑21、所述起偏器22、所述第一准直透镜23、所述第二光阑24和所述第一聚焦透镜25中心在同一轴线上，所述第一光阑21和所述第二光阑24为小孔光阑或狭缝，第1光学***实现光信号起偏、整形、准直或者会聚输入声光可调谐滤波器11。 
进一步的，所述第二光学***2包括0级光遮挡片31、第三光阑32、第二准直透镜33和第四光阑34，所述第三光阑32和所述第四光阑34为小孔光阑或狭缝，所述第二光学***实现所述声光可调谐滤波器11共线输出信号的准直输入所述第二光学***。 
进一步的，所述第三光学***3包括第五光阑41和第二聚焦透镜42，所述第五光阑41为小孔光阑或狭缝，所述第三光学***实现所述声光可调谐滤波器11级联色散***窄带光空间分离输出。所述第二聚焦透镜42的孔径角大于所述二级色散元件13在其聚焦波段色散的出射角，以保证同一分段光谱信号经同一聚焦透镜收集。 
进一步的，所述二级色散元件13为棱镜或光栅，所述二级色散元件13可将通过所述声光可调谐滤波器11共线输出的n个中心波长的窄带光色散为非共线的n个中心波长窄带光，所述二级色散元件13色散作用方向与所述声光可调谐滤波器11窄带光共线出射方向正交。 
参照图1所示，从光源发出的复色光经过第一光阑21滤掉不满足旁轴条件的光线。光线通过起偏器22变成与AOTF效率最大化方向一致的偏振光。第一准直透镜23将入射光转变成平行光，经第二光阑24滤掉杂散光线，后经第一聚焦透镜25会聚进入AOTF窗口。精密射频驱动器12输出频率精确、功率稳定的驱动信号，经换能器生成超声波信号注入声光晶体中。光线在AOTF的声光晶体中受到衍射作用实现光谱分光。当注入窄带射频驱动信号时，可得到1级窄带衍射光信号偏离于0级光。0级光被0级光遮挡片吸收。1级窄带衍射光经第三光阑32滤掉杂散光，由第二准直透镜33转换为平行光后在经第四光阑34滤掉杂散光输入二级色散元件。 
如图2所示，当同时注入n个窄带射频驱动信号时，可得到共线输出的n个1级窄带衍射光。n个1级窄带衍射光共线输入到二级色散元件13时发生色散，n个窄带光由于2次色散作用分立为n束窄带光输出。 
提高声光光谱分析方法扫描速度的机理。AOTF在射频信号驱动下可分离与其频率相关的窄带光波。但是由于声光响应时间取决于声光晶体中声波在晶体中形成周期性折射率的作用时间，因此声光响应时间与晶体声速密切有关。其实现流程如图3所示，包括以下步骤： 
步骤1）确定待测光谱范围与分辨率；
步骤2）确定射频扫描范围与射频步进；
步骤3）确定光谱测量分割段数n和端点波长；
步骤4）查找器件光波长与射频频率映射表，确定各端点射频频率；
步骤5）在AOTF器件中输入n路以端点射频频率为起点的射频信号，同时以确定顺序与步进扫描；
步骤6）分别测量n路二级色散光束光强；
步骤7）查找映射表以扫描点描绘分段光谱；
步骤8）n段光谱首尾拼接合成整段光谱。
以二氧化碲为例，晶体内的声速约为650米/秒。量化过程举例如下： 
当晶体的光学作用长度为10mm时，器件的响应时间为0.01米除以650米/秒=1.54e-5秒约为15微秒。假设目标测量光谱宽度为400-640nm，分辨率为4纳米，共需采样60个点完成一次光谱测量过程。输入射频频率从140MHz-80MHz以1MHz的步进变化，采样一个点的声光响应时间为15微秒。所需时间为60×15微秒=900微秒。
以本发明所述方法，设同时输入的射频驱动信号数n=6。将6通道驱动信号频率设为140MHz、130MHz、120MHz、110MHz、100MHz、90MHz并以1MHz的步进递减，采样6个点的声光响应时间仍为15微秒，所需时间仅需为10×15=150微秒，为单点扫描探测方法用时的1/6。 
目前商用AOTF器件的多信号输入能力可达8个驱动信号共同作用于AOTF器件，使之输出8束不同波长的窄带共线信号。当8路共线输出光束被二级色散元件色散后将形成8各独立的光斑被探测器探测，相当于8路并行测量，声光扫描响应过程时间缩短为1/8。 

Claims (5)

1.声光可调谐滤波器级联色散***，其特征在于：包括第一光学***（1），所述第一光学***（1）将光传输至声光可调谐滤波器（11），所述声光可调谐滤波器（11）与精密射频驱动器（12）连接，所述声光可调谐滤波器（11）将光传输至第二光学***（2），所述第二光学***（2）将光传输至二级色散元件（13），所述二级色散元件（13）将光传输至第三光学***（3）。
2.根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器级联色散***，其特征在于：所述第一光学***（1）包括第一光阑（21）、起偏器（22）、第一准直透镜（23）、第二光阑（24）和第一聚焦透镜（25），所述第一光阑（21）、所述起偏器（22）、所述第一准直透镜（23）、所述第二光阑（24）和所述第一聚焦透镜（25）中心在同一轴线上，所述第一光阑（21）和所述第二光阑（24）为小孔光阑或狭缝。
3.根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器级联色散***，其特征在于：所述第二光学***（2）包括0级光遮挡片（31）、第三光阑（32）、第二准直透镜（33）和第四光阑（34），所述第三光阑（32）和所述第四光阑（34）为小孔光阑或狭缝。
4.根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器级联色散***，其特征在于：所述第三光学***（3）包括第五光阑（41）和第二聚焦透镜（42），所述第五光阑（41）为小孔光阑或狭缝。
5.根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器级联色散***，其特征在于：所述二级色散元件（13）为棱镜或光栅。
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