近红外光谱检测中声光可调谐滤光器性能研究

　　1　引　　言

　　声光可调谐滤光器(AOTF)是依靠改变其驱动电信号频率来达到选择光波长的目的。具有扫描速率快、无机械移动、可实现波长非顺序调谐、光谱调谐范围宽、入射光孔径角大等优点,越来越受人们的关注。特别是对于近年来急速成长的绿色光谱检测技术,AOTF已成为重要的分光器件。

　　近红外光谱测量系统需要从光谱中提取微弱的信息,这一特性要求光谱测量仪器具有较高的光谱分辨率和信噪比,因此作为分光系统核心器件的AOTF的性能就很重要。而旁瓣是AOTF的一个重要性能参数,旁瓣的大小直接影响分光的纯度,故旁瓣的研究对光谱纯度要求很高的近红外光谱检测有重要的实际意义。

　　如何切趾成为人们研究和关注的重点,大量的研究分析表明改变换能器形状可以切趾,并通过了实验验证。

　　2　理论分析

　　2.1　基本原理

　　声光可调谐波器原理如图1所示,它是根据声光衍射原理制成的分光器件,由晶体和键合在其上的换能器构成,换能器将电信号转移为在晶体内的超声波振动,超声波产生了空间周期性的调制,其作用象一块位相光栅。当入射光照射到此光栅后将产生布喇格衍射,其衍射光的波长与驱动电信号的频率有一一对应的关系,所以只要改变驱动电信号的频率,即可改变衍射光的波长,进而也就达到了分光的目的。

　　AOTF的衍射效率可以近似的由衍射强度的傅立叶变换的平方取得。如果衍射强度在光通道上分布是渐变的,即在中心最大,两端平滑下降,就可以达到抑制旁瓣目的[1]。而在其它的条件不变的情况下,光通道上的任一点衍射强度的平方和声强是成正比关系[2],因此如果声强在光通道上分布是渐变的,那么也就可以达到抑制旁瓣的目的。

　　大量研究表明改变换能器形状,可以改变声强的分布,从而达到切趾的目的。

　　2.2　光通道上声强计算和不同形状换能器声强分布

　　主要研究换能器在光通道上的声场。因为声强可以近似认为I∝ P 2,所以先讨论声压[3]。

　　如图3中,M是光通道上任一点,r0为M到换能器表面的垂直距离,ds(x,y)是换能器上的任一小面元,h是M到面元ds的距离。根据声压计算公式:

　　由(1)式可以知道,在光通道上任一M点声压为:

　　讨论中密度、幅值及频率都可近似看为和x,y无关,并忽略时间因子,故:

　　因为单片换能器的布拉格带宽和衍射效率相对的较小,故将换能器分为4片(1,2,3,4),可以更好地兼顾既有大的布拉格带宽,又有高的衍射效率;电极的设计是串联[4],所以2、3与1、4的电极是相反的,既位相相反。假设p1和p4是负的,那么p2和p3就是正的。故在M点的总声压为: