聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，包括第一光學系統(tǒng)，所述第一光學系統(tǒng)將光傳輸至聲光可調諧濾波器，所述聲光可調諧濾波器與精密射頻驅動器連接，所述聲光可調諧濾波器將光傳輸至第二光學系統(tǒng)，所述第二光學系統(tǒng)將光傳輸至二級色散元件，所述二級色散元件將光傳輸至第三光學系統(tǒng)。本實用新型組成的探測系統(tǒng)可實現(xiàn)多個波段光信號的并行測量，縮短了僅應用聲光可調諧濾波方法選擇窄帶單色光，實現(xiàn)色散區(qū)間內光譜測量的時間。
【專利說明】聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種色散系統(tǒng)，具體涉及的是聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)?！颈尘凹夹g】
[0002]聲光可調諧濾波器(Acousto-optic Tunable Filter,A0TF)是根據(jù)聲光效應原理制成的分光器件，具有對光進行調制、帶寬濾波輸出的特性。
[0003]聲光相互作用可用經典力學來描述，也可用量子力學來描述。當一列由射頻信號經換能器轉換的高頻聲波在一個光學彈性介質(聲光晶體)中傳播時，晶體內部的晶格會在聲波的作用下發(fā)生局部的壓縮或膨脹，這種晶體內部有規(guī)律的應力變化使得晶體內部各處的光學折射率產生周期性變化類似于形成了空間光柵。光波在聲致光柵的作用下將發(fā)生衍射現(xiàn)象。
[0004]基于上述聲光效應的原理，當一束復色光通過一個高頻振動的聲光晶體時，某一波長的窄帶光將會在晶體內部產生衍射，偏離一定角度從晶體中透射出來，未發(fā)生衍射的復色光則沿原光線傳播方向直接透射過晶體，由此達到分光的目的。當輸入射頻信號頻率改變時，高頻聲波波長改變，可透射窄帶光的波長也相應改變，這是AOTF分光的基本原理。AOTF器件結構是由晶體和鍵合在其上的換能器構成，換能器將高頻RF驅動電信號(一般約為幾十兆赫至二百兆赫之間)轉換為在晶體內的超聲波振動，超聲波對聲光介質產生了空間周期性的調制，其作用類似于衍射光柵。當入射光照射到此光柵后將產生衍射，其衍射光的波長與高頻驅動電信號的頻率有著對應的關系。因此，只要改變RF驅動信號的頻率，SP可改變衍射光的波長，進而達到了分光的目的。當連續(xù)或不連續(xù)改變RF驅動信號同時測量由AOTF偏離的光信號強度。最終可將RF頻率與光波長對應起來，獲得該波段的光譜。目前的技術水平已實現(xiàn)多個射頻頻率作用于AOTF器件實現(xiàn)分立多波長光的共線輸出。
[0005]目前采用AOTF器件及技術的光譜測量系統(tǒng)，通過采用連續(xù)變化射頻信號驅動AOTF器件實現(xiàn)波長連續(xù)變化的窄帶光選擇輸出。通過探測器測量連續(xù)變化的各窄帶光信號強度實現(xiàn)全光譜測量。射頻變換為聲波信號后在聲光晶體中形成周期性折射率改變的作用時間(即聲波穿越晶體的時間)，限制了光譜單點信號采集速度，不可避免的存在目標譜段光譜測量相對較慢的問題。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的以上問題，提供聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，將由多個射頻信號驅動的聲光可調諧濾波器共線輸出多波長光分離。
[0007]為實現(xiàn)上述技術目的，達到上述技術效果，本實用新型通過以下技術方案實現(xiàn):
[0008]聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，包括第一光學系統(tǒng)，所述第一光學系統(tǒng)將光傳輸至聲光可調諧濾波器，所述聲光可調諧濾波器與精密射頻驅動器連接，所述聲光可調諧濾波器將光傳輸至第二光學系統(tǒng)，所述第二光學系統(tǒng)將光傳輸至二級色散元件，所述二級色散元件將光傳輸至第三光學系統(tǒng)。[0009]進一步的,所述第一光學系統(tǒng)包括第一光闌、起偏器、第一準直透鏡、第二光闌和第一聚焦透鏡，所述第一光闌、所述起偏器、所述第一準直透鏡、所述第二光闌和所述第一聚焦透鏡中心在同一軸線上，所述第一光闌和所述第二光闌為小孔光闌或狹縫。
[0010]進一步的，所述第二光學系統(tǒng)包括0級光遮擋片、第三光闌、第二準直透鏡和第四光闌，所述第三光闌和所述第四光闌為小孔光闌或狹縫。
[0011]進一步的，所述第三光學系統(tǒng)包括第五光闌和第二聚焦透鏡，所述第五光闌為小孔光闌或狹縫。
[0012]進一步的，所述二級色散元件為棱鏡或光柵。
[0013]本實用新型的有益效果是:
[0014]本實用新型組成的光譜探測系統(tǒng)可實現(xiàn)多個波段光信號的并行測量，縮短了直接應用聲光可調諧濾波方法選擇窄帶單色光測量色散區(qū)間內光譜的時間，本實用新型系統(tǒng)的后端可采用PMT、AH)等高靈敏高速響應器件作為光信號探測器與線陣CCD相比具有更高的信號靈敏度，同時采用本實用新型方法的光譜測量時間亦達到了光纖光譜儀的技術水平。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型的系統(tǒng)結構框架圖；
[0016]圖2為本實用新型中聲光可調諧濾波器級聯(lián)分光原理圖；
[0017]圖3為聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散實現(xiàn)過程框圖。
[0018]圖中標號說明:1、第一光學系統(tǒng)，2、第二光學系統(tǒng),3、第三光學系統(tǒng),11、聲光可調諧濾波器，12、精密射頻驅動器，13、二級色散元件，21、第一光闌，22、起偏器，23、第一準直透鏡，24、第二光闌，25、第一聚焦透鏡，31、0級光遮擋片，32、第三光闌，33、第二準直透鏡，34、第四光闌,41、第五光闌,42、第二聚焦透鏡。
【具體實施方式】
[0019]下面將參考附圖并結合實施例，來詳細說明本實用新型。
[0020]聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，包括第一光學系統(tǒng)I，所述第一光學系統(tǒng)I將光傳輸至聲光可調諧濾波器11，所述聲光可調諧濾波器11與精密射頻驅動器12連接，所述聲光可調諧濾波器11將光傳輸至第二光學系統(tǒng)2，所述第二光學系統(tǒng)2將光傳輸至二級色散元件13，所述二級色散元件13將光傳輸至第三光學系統(tǒng)3。
[0021]所述聲光可調諧濾波器11由所述精密射頻驅動器12同時輸入n個不同中心頻率的窄帶射頻信號時，可共線輸出與輸入射頻信號中心頻率相匹配的n個中心波長的窄帶光。
[0022]所述精密射頻驅動器12可同時或分時輸出n個不同中心頻率的窄帶射頻信號。且n通道射頻信號輸出相互獨立，射頻功率可調，射頻頻率可獨立連續(xù)或不連續(xù)變化。
[0023]進一步的,所述第一光學系統(tǒng)I包括第一光闌21、起偏器22、第一準直透鏡23、第二光闌24和第一聚焦透鏡25，所述第一光闌21、所述起偏器22、所述第一準直透鏡23、所述第二光闌24和所述第一聚焦透鏡25中心在同一軸線上，所述第一光闌21和所述第二光闌24為小孔光闌或狹縫，第I光學系統(tǒng)實現(xiàn)光信號起偏、整形、準直或者會聚輸入聲光可調諧濾波器11。[0024]進一步的，所述第二光學系統(tǒng)2包括0級光遮擋片31、第三光闌32、第二準直透鏡33和第四光闌34，所述第三光闌32和所述第四光闌34為小孔光闌或狹縫，所述第二光學系統(tǒng)實現(xiàn)所述聲光可調諧濾波器11共線輸出信號的準直輸入所述第二光學系統(tǒng)。
[0025]進一步的，所述第三光學系統(tǒng)3包括第五光闌41和第二聚焦透鏡42，所述第五光闌41為小孔光闌或狹縫，所述第三光學系統(tǒng)實現(xiàn)所述聲光可調諧濾波器11級聯(lián)色散系統(tǒng)窄帶光空間分離輸出。所述第二聚焦透鏡42的孔徑角大于所述二級色散元件13在其聚焦波段色散的出射角，以保證同一分段光譜信號經同一聚焦透鏡收集。
[0026]進一步的，所述二級色散元件13為棱鏡或光柵，所述二級色散元件13可將通過所述聲光可調諧濾波器11共線輸出的n個中心波長的窄帶光色散為非共線的n個中心波長窄帶光，所述二級色散元件13色散作用方向與所述聲光可調諧濾波器11窄帶光共線出射方向正交。
[0027]參照圖1所示，從光源發(fā)出的復色光經過第一光闌21濾掉不滿足旁軸條件的光線。光線通過起偏器22變成與AOTF效率最大化方向一致的偏振光。第一準直透鏡23將入射光轉變成平行光，經第二光闌24濾掉雜散光線，后經第一聚焦透鏡25會聚進入AOTF窗口。精密射頻驅動器12輸出頻率精確、功率穩(wěn)定的驅動信號，經換能器生成超聲波信號注入聲光晶體中。光線在AOTF的聲光晶體中受到衍射作用實現(xiàn)光譜分光。當注入窄帶射頻驅動信號時，可得到I級窄帶衍射光信號偏離于0級光。0級光被0級光遮擋片吸收。I級窄帶衍射光經第三光闌32濾掉雜散光，由第二準直透鏡33轉換為平行光后在經第四光闌34濾掉雜散光輸入二級色散元件。
[0028]如圖2所示，當同時注入n個窄帶射頻驅動信號時，可得到共線輸出的n個I級窄帶衍射光。n個I級窄帶衍射光共線輸入到二級色散元件13時發(fā)生色散，n個窄帶光由于2次色散作用分立為n束窄帶光輸出。
[0029]提高聲光光譜分析方法掃描速度的機理。AOTF在射頻信號驅動下可分離與其頻率相關的窄帶光波。但是由于聲光響應時間取決于聲光晶體中聲波在晶體中形成周期性折射率的作用時間，因此聲光響應時間與晶體聲速密切有關。其實現(xiàn)流程如圖3所示，包括以下步驟:
[0030]步驟I)確定待測光譜范圍與分辨率；
[0031]步驟2)確定射頻掃描范圍與射頻步進；
[0032]步驟3)確定光譜測量分割段數(shù)n和端點波長；
[0033]步驟4)查找器件光波長與射頻頻率映射表，確定各端點射頻頻率；
[0034]步驟5)在AOTF器件中輸入n路以端點射頻頻率為起點的射頻信號，同時以確定順序與步進掃描；
[0035]步驟6)分別測量n路二級色散光束光強；
[0036]步驟7)查找映射表以掃描點描繪分段光譜；
[0037]步驟8) n段光譜首尾拼接合成整段光譜。
[0038]以二氧化碲為例，晶體內的聲速約為650米/秒。量化過程舉例如下:
[0039]當晶體的光學作用長度為IOmm時，器件的響應時間為0.01米除以650米/秒=1.54e-5秒約為15微秒。假設目標測量光譜寬度為400-640nm，分辨率為4納米，共需采樣60個點完成一次光譜測量過程。輸入射頻頻率從140MHz-80MHz以IMHz的步進變化，采樣一個點的聲光響應時間為15微秒。所需時間為60X 15微秒=900微秒。
[0040]以本實用新型所述方法，設同時輸入的射頻驅動信號數(shù)n=6。將6通道驅動信號頻率設為 140MHz、130MHz、120MHz、IIOMHz、100MHz、90MHz 并以 IMHz 的步進遞減，采樣 6 個點的聲光響應時間仍為15微秒，所需時間僅需為10 X 15=150微秒，為單點掃描探測方法用時的 1/6。
[0041]目前商用AOTF器件的多信號輸入能力可達8個驅動信號共同作用于AOTF器件，使之輸出8束不同波長的窄帶共線信號。當8路共線輸出光束被二級色散元件色散后將形成8各獨立的光斑被探測器探測，相當于8路并行測量，聲光掃描響應過程時間縮短為1/8。
【權利要求】
1.聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，其特征在于:包括第一光學系統(tǒng)(I)，所述第一光學系統(tǒng)(I)將光傳輸至聲光可調諧濾波器(11 )，所述聲光可調諧濾波器(11)與精密射頻驅動器(12)連接，所述聲光可調諧濾波器(11)將光傳輸至第二光學系統(tǒng)(2)，所述第二光學系統(tǒng)(2 )將光傳輸至二級色散元件(13 )，所述二級色散元件(13 )將光傳輸至第三光學系統(tǒng)(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述的聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，其特征在于:所述第一光學系統(tǒng)(I)包括第一光闌(21)、起偏器(22)、第一準直透鏡(23)、第二光闌(24)和第一聚焦透鏡(25)，所述第一光闌(21)、所述起偏器(22)、所述第一準直透鏡(23)、所述第二光闌(24)和所述第一聚焦透鏡(25)中心在同一軸線上，所述第一光闌(21)和所述第二光闌(24)為小孔光闌或狹縫。
3.根據(jù)權利要求1所述的聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，其特征在于:所述第二光學系統(tǒng)(2)包括O級光遮擋片(31)、第三光闌(32)、第二準直透鏡(33)和第四光闌(34)，所述第三光闌(32 )和所述第四光闌(34 )為小孔光闌或狹縫。
4.根據(jù)權利要求1所述的聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，其特征在于:所述第三光學系統(tǒng)(3)包括第五光闌(41)和第二聚焦透鏡(42)，所述第五光闌(41)為小孔光闌或狹縫。
5.根據(jù)權利要求1所述的聲光可調諧濾波器級聯(lián)色散系統(tǒng)，其特征在于:所述二級色散元件(13)為棱鏡或光柵。
【文檔編號】G01J3/28GK203465000SQ201320522401
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權日:2013年8月26日
【發(fā)明者】王策, 武曉東 申請人:中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所
專業(yè)數(shù)控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
