一种基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪

　　1　引　言

　　作为传统光谱仪的更新换代产品,以声光可调谐滤波器(AOTF)作为分光元件的光谱仪[1~3]引起人们的普遍关注。声光可调谐滤波器是利用声光衍射原理制成的分光器件,初期大多采用体器件的结构。我们在体器件的基础上,采用集成光学工艺,制成集成光学声光可调谐滤波器(IAOTF)[4]。同体声光可调谐滤波器器件相比,集成光学声光可调谐滤波器的结构更加紧凑,体积更加小巧,衍射效率可接近100%,带宽下降到几纳米(体声光可调谐滤波器通常为数十个纳米),并大大降低了所需的射频(RF)驱动功率(大约几十毫瓦,而体声光可调谐滤波器通常接近1 W)。在此基础上,研制成一种基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪。它是一种全固态装置,没有任何机械传动和调节机构,同传统的光谱仪相比,这种光谱仪具有很多优点,例如:光谱扫描速度快、重复测量容易,测量精度高等。

　　由于采用了集成光学器件,入射光可通过尾纤进行耦合,而不必采用任何形式的狭缝,也不存在衍射效应,因此大大降低了器件的光损耗。另外,这种光谱仪还具有稳定性强、调谐范围宽、无二级光谱以及易于与计算机连接进行扫描控制等优点。

　　2　理论分析

　　2.1　单级集成光学声光可调谐滤波器光谱仪的透过率及特征方程

　　单级共线型集成光学声光可调谐滤波器的结构如图1所示。当一束TM模的光波入射到集成光学声光可调谐滤波器的光波导中时,在声波作用下,会耦合出TE模光波。在集成光学声光可调谐滤波器的出射端有一个TE通偏振器,因此,透过率可以表达为[5]

　　式中Δn = nTM- nTE,这里nTM和nTE分别是TM模和TE模的有效折射率,fa和va为声波的频率和相速。适当调整声波强度,使得κL =π/2,在满足位相匹配条件,即Δβ=0时,ρ=1,达到最大值,此时,透射的峰值波长满足

　　如果波长偏离位相匹配条件,ρ下降,从而达到滤波的目的。当入射光是一系列具有不同波长的单色光波,例如波分复用器(WDM)网络中各信道的波长,那么随着声频的扫频,会出现一系列分离的光波峰值。根据这些峰值所对应的声频,可按(3)式求出相应的光波波长或频率,而且这些信道的信号强度与透过集成光学声光可调谐滤波器的相应光波的强度成正比。

　　如果入射光是连续光谱L(λ),则透过光强随声频的变化T(fa)是L(fa)和由(1)式所表示的点扩散函数的卷积,这里,L(fa)是将(3)式代入L(λ)所得到的函数。亦即

　　2.2　分辨本领

　　分辨本领是衡量光谱仪器性能优劣的重要参数。从(1)式不难得出该仪器的半极大值带宽为