CN104568391A - 双光路切换互参考高精度aotf性能测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光路切换互参考高精度AOTF性能测试方法及装置。该测试方法利用光路切换组件实现探测光路±1级的稳定切换，并利用探测器旋转装置实现光路的稳定交替测试，有效消除光能不稳定性及能量计探头响应不一致等因素对测试结果的影响。该发明具有测试光路紧凑、测试步骤简明易操作、数据处理方法及流程明确等特点，在提高测试精度及***稳定性的同时可实现高效率测试。

Description

双光路切换互参考高精度AOTF性能测试方法及装置

技术领域：

本发明涉及光学测量技术，具体指一种双光路切换互参考高精度AOTF性能测试方法及装置，它用于实现高精度的声光可调谐滤光器性能测试。

背景技术：

声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)是一种新型的色散分光器件，其基于声光效应，通过射频可实现电调谐光谱滤波，因其全固态的结构而具有较好的力、热特性；因其电调谐光谱滤波而具有灵活的光谱选择性能；且具有光谱采样间隔可控，波长扫描快速等优点。非常适应光谱探测对灵活高效的数据获取要求，目前该项技术已广泛应用于非成像及成像光谱仪器设备当中。

AOTF的分光原理：如附图1所示，AOTF由声光介质(一般为TeO₂)、声波吸收器和换能器组成。当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，满足动量匹配的某一波长的光矢量与声波矢量将会在晶体内部产生非线性作用产生衍射光束，以一定的衍射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从晶体出射，由此达到分光的效果。当晶体振动频率改变时，衍射出单色光的波长也相应改变，从而实现电调谐光滤波。AOTF衍射性能包括衍射效率、光谱分辨率等，其性能与波长及晶体本身的参数有关，对AOTF衍射性能的测试通常需要实现全波段覆盖。

利用激光作为光源，采用能量接收***对零级及衍射光能进行测量及计算，从而得出AOTF的衍射效率，是可行手段之一。但该手段由于激光器的单色性限制无法满足对AOTF进行连续谱段测试的需求。利用波长可调谐激光器作为连续可调光源是另一种可行的解决方式(专利CN 101706361)，如图2所示，该方法通过光源的连续可调，并利用分束镜降低光能不稳定性对测试精度的影响，可以实现宽波段及较高精度的测试。但是该方法也存在局限性，主要表现为：(1)宽谱段测试时需要切换适应不同谱段的分束镜，同时为保证测试精度需要测试该分束镜的波长-分束曲线，费时费力；(2)当对AOTF器件的±1级中的某一级(如+1级)完成测试后，对另一级(如-1级)需要额外的安装夹器，并要重新调整光路，操作性及一致性较差；(3)基矢的偏差及分束镜自身的性能稳定性均将影响测试精度。专利(CN 103913297)提出利用声光器件自身特性实现光能参考的AOTF测试方法。如图3所示，该方法通过交换两个能量计的位置交替测量0级光和衍射光的光强，可有效消除光源的不稳定以及探测器响应不一致对测量的影响。但该方法所述的两个能量计位置交换过程将引入对准位置偏差，从而对测试精度造成影响；另外，能量计的位置交换及格兰棱镜切换±1级光的操作，也不可避免地引起后续测试光路的变化，对操作要求高且影响仪器稳定性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新颖的利用可切换组件实现双光路互参考的高精度AOTF分光器件性能测试方法及装置。

其中光路切换组件(反射动镜)实现±1级测试光路的稳定、便携切换；探测器旋转装置实现对双光路互参考交替测试。本发明可在有效消除了光能不稳定性及能量计探头响应不一致的影响情况下，实现±1级光路的快速切换测试的同时消除对后续光路***结构的影响。与现有技术相比，存在以下几方面的显著进步：1)提供一种新颖的测试方法及装置，旋转实现双光路的交互参考探测，形成相应的数据处理公式，消除光能不稳定性及能量计探头响应不一致引入的AOTF衍射性能测试误差；2)提供一种新颖的测试方法装置，实现AOTF±1级光衍射性能测试光路便携稳定的切换。该发明具有测试光路紧凑、测试步骤简明易操作、数据处理方法及流程明确等特点，在提高测试精度及***稳定性的同时可实现高效率测试。

基本原理：如图1所示，根据声光互作用原理，当一束复色光通过AOTF时，该复色光分成两束线偏振光，即o光与e光。当射频驱动频率施加在晶体上后，其中e光发生衍射后，形成+1级衍射光(o光)及0级光；o光同时也发生衍射，形成-1级衍射光(e光)及0级光。利用待测AOTF晶体的o光衍射后的-1级光及0级光能总量与入射o光一致，e光衍射后的+1级衍射光及0级光能总量也与入射e光一致的特性，可以测试衍射性能。

测试方法及装置：

1)如图6所示，测试装置包括可调谐激光器1、中性密度滤光片2、小孔光阑3、格兰棱镜4、二维电动转台5、待检AOTF晶体及射频驱动器6、反射动镜7、探测器及探测器旋转装置8。

可调谐激光器1波长范围210nm-2300nm，功率40mW-80mW。

中性密度滤光片2衰减范围10％-80％。

小孔光阑3孔径范围在0.05mm-0.15mm。

反射动镜7反射率大于99％。探测器响应波长210nm-2300nm，旋转装置旋转角度范围0°-180°。

测试时，波长可调谐激光器1出射的激光光束先后通过中性密度滤光片2、小孔光阑3、格兰棱镜4后得到线偏振准单色激光并垂直入射AOTF6上，射频驱动器对AOTF6施加一定的射频驱动，调整反射动镜7的角度，使0级光和其中一级衍射光(如-1级)反射至探测器旋转装置，实现测试。

其中，探测器旋转装置(8)处于0°及180°时可实现第一能量计探头8.1和第二能量计探头8.2分别对0级光和-1级衍射光便携稳定切换交互探测，由(η为待检AOTF的衍射效率，E0为第一能量计探头8.1接收到探测器旋转装置处于0°时的0级光能量，E1为此时第二能量计探头8.2接收到的衍射光能量；E0'为第一能量计探头8.1接收到探测器旋转装置处于180°的衍射光能量，E1'为此时第二能量计探头8.2接收到的0级光能量)处理，通过双光路互参考探测消除光源不稳定性及能量计探头响应不一致的影响，实现声光可调谐滤光器衍射效率的高精度测试；

其中反射动镜7转动并结合格兰棱镜4的旋转角度改变入射光的偏振状态，实现AOTF-1级衍射光至+1级光及其探测光路的切换，完成对AOTF-1级衍射光效率的测试。

2)测试装置中反射动镜的位置及参数按如下方法确定，如附图4所示，设衍射角为β，反射镜中心离出射位置的距离为L，0级光线距探测器的垂直距离为H，M为两探测器的水平距离。当晶体衍射光为-1级时，反射镜的位置为A，与水平方向的夹角为α；当衍射光为+1级时，反射镜的位置为B，与水平方向的夹角为γ。两次反射动镜的旋转均恰好满足光路反射至两能量计探头的中心位置。则根据几何光学原理，应满足：

衍射角β，反射镜中心离出射位置的距离为L，0级光线距探测器的垂直距离H一旦确定，对于-1级衍射光，其与水平方向的夹角为α，满足α＞45°+β/2，M的大小由上式决定，当移动反射动镜时，其与水平方向的夹角γ满足如下方程：

tan(2α-90°)tan(2α-90°-β)+tan(90°-2γ)tan(β-90°+2γ)＝0

由此确定反射动镜的位置及两次旋转的角度。实现±1级衍射光切换及测量。

3)测试装置中探测器及探测器旋转装置8及第一能量计探头8.1、第二能量计探头8.2具备如下特点：探测器及探测器旋转装置8的转轴通过第一能量计探头8.1及第二能量计探头8.2光敏面的中心且与能量计探头8.1、8.2连线旋转形成的平面垂直，切换方便且可有效避免能量计交换产生的位置偏差；测试装置中的小孔光阑3尺寸小于探测器光敏面尺寸，进一步消除位置切换对测试的影响，实现光路及测量的稳定。

4)测试装置采用宽谱段格兰棱镜及其旋转调整夹器切换并微调入射线偏振光相位，在提高光学效率的同时适应±1级衍射性能测试对光源的需求并降低偏振基矢偏差对测试精度的影响。

具体分析及说明：

1)测试时，调整波长可调谐激光器的波长，对AOTF6施加一定射频驱动，旋转格兰棱镜，旋转反射动镜至位置A，测试-1级衍射光的衍射效率。第一能量计探头8.1接收到的0级光能量为E₀，第二能量计探头8.2接收到的衍射光能量为E₁；将探测器旋转装置旋转180°，实现两能量计探头对两路光的光交替测量，即第二能量计探头8.2接收到的0级光能量为E₀'，第一能量计探头8.1接收到的衍射光能量为E₁'，衍射效率的计算公式如下：

$\mathrm{\η}=1-\frac{1}{\√\frac{E_1{E}_1^{\′}}{E_0{E}_0^{\′}}+1}---1-1$

分析如下：考虑到波长可调谐激光器1能量不稳定，同一型号的两个能量计探头的响应率也存在偏差，会降低测试结果的精度，通过上述探测器旋转装置实现两能量计探头对两路光的交替测量并通过上述公式计算可有效提高精度。

设对AOTF6施加一定射频驱动后，0级光的实际能量为e₀，衍射光的实际能量为e₁，其理想衍射效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}=\frac{e_1}{e_1+e_0}---1-2$

设激光器能量不稳定所造成的影响因子系数为β，第一能量计探头的响应系数为a，第二能量计探头的响应系数为a(1+Δx)，Δx为两个能量计探头响应不一致所产生的相对偏差。则两个能量计探头8.1、8.2获取的光能量响应为：E₀＝βae₀，E₁＝βa(1+Δx)e₁。保持驱动频率不变，旋转探测器旋转装置180°，两个能量计探头实现交替测量0级光和衍射光，二者获取的光能量为：E₀'＝βa(1+Δx)e₀，E₁'＝βae₁，根据衍射效率公式可得到：

${\mathrm{\η}}_1=\frac{E_1}{E_1+E_0}=\frac{\mathrm{\βa}(1+\mathrm{\Δx})e_1}{\mathrm{\βa}(1+\mathrm{\Δx})e_1+\mathrm{\βa}{e}_0}=\frac{(1+\mathrm{\Δx})e_1}{(1+\mathrm{\Δx})e_1+e_0}---1-3$

${\mathrm{\η}}_2=\frac{E_1^{\′}}{E_1^{\′}+E_0^{\′}}=\frac{\mathrm{\βa}{e}_1}{\mathrm{\βa}{e}_1+\mathrm{\βa}(1+\mathrm{\Δx})e_0}=\frac{e_1}{e_1+(1+\mathrm{\Δx})e_0}---1-4$

AOTF6衍射效率计算公式为：

$\mathrm{\η}=1-\frac{1}{\sqrt{\frac{E_1{E}_1^{\′}}{E_0{E}_0^{\′}}}+1}$

若不进行光路交换测试，此时衍射效率的极限误差为Δη′，可知：

Δη′＝η₁-η_real   1-5

进行光路切换交替测试后，此时衍射效率的极限误差为Δη″，可知：

${\mathrm{\Δ\η}}^{\′\′}=\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}=1-\frac{1}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}_1*{\mathrm{\η}}_2}{(1-{\mathrm{\η}}_1)(1-{\mathrm{\η}}_2)}}+1}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}---1-6$

由公式1-2、1-3和1-4可将公式1-5与1-6推导为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\η}}^{\′}={\mathrm{\η}}_1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}(1+\mathrm{\Δx})}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}(1+\mathrm{\Δx})+1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}$

Δη″＝η-η_real＝0

附图5是η_real分别为0.1、0.3和0.5时，Δη(包括Δη′和Δη″)与Δx的关系曲线图(Δx取值范围在0-5％之间)。由附图可知：采用双光路切换能量计探头旋转装置交替测试的方法衍射效率的理论极限误差为0，与不进行交替测试的结果相比较，大大提高了测试精度。

本发明的优点在于：

1)基于AOTF晶体的特性，提供一种新颖的测试方法及装置，采用探测器旋转装置实现对双光路互参考交替测试；采用光路切换组件(反射动镜)实现±1级测试光路的稳定、便携切换；可在有效消除了光能不稳定性及能量计探头响应不一致的影响情况下，实现±1级光路的快速切换测试的同时消除对后续光路***结构的影响。

2)利用衍射效率公式对所得数据进行计算处理，通过理论误差分析得到衍射效率的理论极限误差为0，与现有技术及处理方法相比，大大提高了测试的精度，基于该模型的光路测试方法亦可以利用到其他光学测量领域中去，具有重要的应用价值和参考意义。

附图说明：

图1AOTF分光原理图。

图2可调谐激光器法AOTF衍射效率测试***示意图。

图3自参考声光可调谐滤光器高精度衍射性能测试装置。

图4反射动镜及探测器旋转装置示意图。

图5理论误差曲线图(η_real＝0.1、0.3、0.5)。

图6双光路切换互参考高精度AOTF性能测试装置示意图。

具体实施方式：

如下所述是根据图6给出的本发明的一个较好的实施例，用以说明本发明的结构特征和实施方法，而不是用来限定本发明的范围。

双光路切换互参考高精度AOTF性能测试装置包括如下几个部分：

(1)波长可调谐激光器1：本实施方法中选用EKSPLA NT342/1/UV波长可调谐激光器作为光源，该激光器可产生210nm-2300nm连续可调谐激光光束，输出功率50mW。

(2)中性密度滤光片2：本实施方案选用Spiricon中性密度滤光片。

(3)小孔光阑3：本实施方案选用大恒光电GCM-57可变光阑。

(4)格兰棱镜4：本实施方案中选用Thorlabs公司的GL15Glan-LaserCalcite Polarizers，消光比优于10000:1，光谱范围在350nm-2300n m之间，以实现宽谱段测试。

(5)二位电动转台5：本实施方案中选用联谊148×142二位电动转台。调节范围360°，电机的传动比1:360，标尺最小读数0.1°，电机整步运行分辨率0.005°。

(6)反射动镜7：本实施方案中选用茂丰光电银膜反射镜OQAg-12.7，波长覆盖可见光及红外，直径12.7mm，反射率大于99％。

(7)探测器及探测器旋转装置8：本实施方案选用美国Coherent公司EPM1000能量计探头，探头分别选用J4-09和J45LP-MB。选用定制型旋转固定镜架实现能量计探头的固定及旋转。

实施方案选用中电26所研制的短波红外AOTF6作为待测声光晶体，并取用其配套射频驱动器作为AOTF组件，短波红外AOTF波长范围900-2300nm。测试方法包含以下步骤：

1)选择波长可调谐激光器1的输出波长，调整二维电动转台5，激光光束先后通过中性密度滤光片、小孔光阑、格兰棱镜后垂直入射至AOTF6晶体上，通过旋转格兰棱镜调整格兰棱镜夹器并微调入射线偏振光相位使入射到晶体上的光为线偏振光(e光)；

2)射频驱动器对AOTF6施加相应频率的射频驱动，调整反射动镜至特定角度，探测器旋转装置置于0°，恰好使光路反射到两能量计探头的中心位置，由第一能量计探头8.1接收0级光能量，第二能量计探头8.2接收衍射光(o光)能量；

3)保持驱动频率不变，旋转探测器旋转装置180°，实现两探测器探头对光路的交替测试，即由第一能量计探头8.1接收衍射光(o光)能量，第二能量计探头8.2接收0级光能量；利用上述计算衍射效率的公式(1-1)计算AOTF的衍射效率；

4)对AOTF的+1级(o光)完成测试后，通过旋转调整格兰棱镜夹器并微调入射线偏振光相位，从而改变入射至AOTF6的线偏振光的偏振态，使衍射光切换至另一级(e光)，并旋转反射动镜至特定位置，重复上述步骤1-3，完成对e光衍射效率的测试。

本发明所涉及的AOTF衍射性能测试方法简单，光路紧凑，测试步骤简明易操作，稳定性强，相比传统的AOTF衍射效率测试方法，有效降低了激光光源能量波动引起的不稳定性和能量计探头响应率不一致对测试结果造成的影响，大大提高测试精度。通过引入反射动镜，能够实现±1级光路的快速切换测试的同时消除对后续光路***结构的影响。通过引入探测器器旋转装置，能够实现光路的交互参考探测，消除光能不稳定性及能量计探头响应不一致引入的AOTF衍射性能测试误差，有效避免了交换探头位置过程中引入的位置的偏差对测试结果的影响，操作简洁，可靠稳定；通过衍射效率计算公式对测试结果进行处理，进一步提高测试精度，减小测试误差。理论上是较为理想的声光可调谐滤光器高精度衍射性能测试装置。

Claims (4)

1.一种双光路切换互参考高精度AOTF性能测试装置，它包括波长可调谐激光器(1)、中性密度滤光片(2)、小孔光阑(3)、格兰棱镜(4)、二维电动转台(5)、待检声光可调谐滤光器及驱动装置(6)、反射动镜(7)、探测器及探测器旋转装置(8)、第一能量计探头(8.1)、第二能量计探头(8.2)，其特征在于：

波长可调谐激光器(1)出射的激光光束先后通过中性密度滤光片(2)、小孔光阑(3)、格兰棱镜(4)后得到线偏振准单色激光并垂直入射AOTF(6)上，射频驱动器对AOTF(6)施加一定的射频驱动，调整反射动镜(7)的角度，使0级光和如-1级的一级衍射光反射至探测器及探测器旋转装置(8)，实现测试。

2.根据权利要求1所述的一种双光路切换互参考高精度AOTF性能测试装置，其特征在于：所述的探测器及探测器旋转装置(8)的转轴通过其上的第一能量计探头(8.1)及第二能量计探头(8.2)光敏面的中心且与能量计探头(8.1、8.2)连线旋转形成的平面垂直。

3.根据权利要求1所述的一种双光路切换互参考高精度AOTF性能测试装置，其特征在于，所述的小孔光阑(3)的孔径小于探测器光敏面尺寸。

4.一种基于权利要求1所述的双光路切换互参考高精度AOTF性能测试装置的AOTF衍射效率的测试方法，其特征在于方法如下：

探测器旋转装置(8)处于0°及180°时可实现第一能量计探头(8.1)和第二能量计探头(8.2)分别对0级光和-1级衍射光便携稳定切换交互探测，衍射效率计算方法如下：

式中：E0为第一能量计探头(8.1)接收到探测器旋转装置处于0°时的0级光能量，E1为此时第二能量计探头(8.2)接收到的衍射光能量；E0'为第一能量计探头(8.1)接收到探测器旋转装置处于180°的衍射光能量，E1'为此时第二能量计探头(8.2)接收到的0级光能量，通过双光路互参考探测消除光源不稳定性及能量计探头响应不一致的影响，实现声光可调谐滤光器衍射效率的高精度测试；反射动镜(7)沿水平方向转动角度α或γ并结合格兰棱镜(4)的旋转角度改变入射光的偏振状态，实现AOTF由-1级衍射光至+1级光及其探测光路的切换，完成对AOTF-1级衍射光效率的测试；反射动镜(7)沿水平方向转动角度α或γ确定方法如下：

其中：β为AOTF衍射角，L为反射镜中心离出射位置的距离，H为0级光线距探测器的垂直距离，M为两探测器的水平距离，α满足α＞45°+β/2，γ满足方程：

tan(2α-90°)tan(2α-90°-β)+tan(90°-2γ)tan(β-90°+2γ)＝0 (3)由此确定反射动镜的位置及两次旋转的角度，实现±1级衍射光切换及测量。