声光调制光谱相机的成像漂移

    1 引 言

    1922 年布里渊首次提出了光被声波衍射的理论，其物理模型是单级光衍射; 10 年后，Debye和 Sears、Lucas、Biguard 等人提出了多级光衍射模型［1-3］。由于当时所研究的材料仅限于各向同性介质，所以技术手段并不成熟。1967 年，W． R．Klein 和 B． D． Cook 对介质中的耦合波方程做出了完整的数值解［4］，并得出了拉曼-纳斯衍射和布拉格( Bragg) 衍射［5］两种理论模型。根据作用介质的不同，布拉格衍射分为正常布拉格衍射和反常布拉格衍射，声光可调滤波器( AOTF) 是依据反常布拉格衍射的同向互作用原理制成的［5-9］。1974 年，I． C． Chang 提出了非共线声光可调滤波器的设计思想［10］，这为声光器件的发展奠定了坚实的基础。

    按工作模式 AOTF 可分为共线和非共线。首个共线型 AOTF 是 Harris 和 Wallace 于 1969 年用铌酸锂晶体设计制成的。随后，利用 CaMoO4、水晶和 Ti3AsO3等晶体制成的 AOTF 器件也相继出现了。采用共线型 AOTF 模式时，入射光、衍射光和声波的传播方向相同。共线型 AOTF 虽然具有较大的入射角孔径和较高的分辨率，但其向量匹配关系要求声波波矢与光波波矢共线，满足这种条件的声光晶体并不多，另外这种器件在结构上相对复杂，因此其应用范围有限。1974 年，I． C．Chang 采用 TeO2材料首次研制成了非共线型AOTF，在设计和实用化方面为声光可调滤波器开创了新纪元。声光晶体 TeO2的问世，推动了声光可调滤波器的进一步发展。不过由于 TeO2材料本身的色散造成的图像漂移和模糊问题，阻碍了它的实际应用。

    我国对于 AOTF 的研究相对起步较晚，但在理论研究及光谱分析领域的应用研究上取得了一定的进展和突破。

    AOTF 是根据声光衍射原理制成的分光器件。由于超声波在光透明介质中传播时，介质的折射率会由于弹光效应表现出周期性变化，从而提供一个动态的相位光栅，使部分入射光向一个或多个方向衍射，改变超声波频率时，衍射光( 透射光) 波长也随之改变。但是，当 AOTF 应用于成像系统时，由于晶体外的衍射角是入射光波长的函数，当改变换能器输入的超声波频率时，晶体外的衍射角也相应改变。在光谱成像过程中，由于衍射角随入射波长的改变，造成了光谱图像在像面上位置的不同，即产生了光谱图像的漂移效应［10-13］，从而影响了 AOTF 的成像质量。

    AOTF 的工作机理使它拥有了诸多特点: 在较宽的光谱范围内快速调谐，保持高光谱分辨率的情况下输出较大的能量，有较高的成像分辨率，无移动部件结构等。AOTF 的这些的特性，使其在光谱成像领域中具有很大的发展潜能［14-15］。