声光可调谐滤光器的原理与应用

　　1 引言

　　从上世纪90 年代以来, 分光技术领域最引人瞩目的进展就是声光可调谐滤光器(Acousto- optic tun-able filter, 简称AOTF)的迅速发展和应用。AOTF 是一种基于各向异性晶体在声光互作用下的反常布拉格衍射效应制成的电可调谐滤光器, 能够根据施加给它的射频信号频率的不同对入射复色光进行衍射从而得到特定波长的单色光。由于其采用AOTF 作为分光器件, 能够在较宽的波长范围内提供快速的电可调谐光源, 因而在光谱分析类仪器中得到了广泛的应用。

　　2 AOTF 工作原理

　　声光可调滤光器是根据各向异性双折射晶体声光衍射原理制成, 其工作原理如图1 所示。它由双折射晶体、可调射频源、压电晶体换能器和吸声体组成。双折射晶体作为分光器件, 是声光可调滤光器的核心, 一般采用具有较高的声光品质因素和较低的声衰减的双折射晶体。常用的双折射晶体有TeO₂、石英和锗等, 而TeO₂由于具有较高的声光品质因素在AOTF中被广泛采用; 可调射频源对压电晶体换能器提供频率可调的高频电信号激励; 压电晶体换能器将高频的驱动电信号转换为在晶体内的超声波振动, 它一般是键合在晶体上的; 吸声体则是吸收通过晶体后的声波, 防止声波在晶体内发生多次重复反射。当对换能器施加一定频率的激励射频电信号时,压电晶体换能器将其转换成相应频率的超声波信号并耦合到双折射晶体中, 晶体的折射率随之发生周期性变化, 因而相当于晶体中形成了一个位相光栅, 光栅常量即为超声波的波长。光通过的时候发生反常布拉格衍射, 入射光波矢K_i、衍射光波矢K_d和声波矢K_a之间严格匹配动量三角形闭合条件:

　　其中各矢量的模为：

　　n_i为晶体对入射光的折射率, n_d为晶体对衍射光的折射率, 它们分别是入射光和超声波波面间的夹角θ_i、衍射光与超声波波面间的夹角θ_d的函数.f 为超声波的频率, λ为衍射光的波长, V 为超声波波速。在各向异性介质AOTF 中, 动量匹配条件示意图如下图2所示。

　　对于一定的声光介质和一定的传播方向( 即f,V、θ_i一定), AOTF 的器件调谐关系可以由下式表示:

　　其中, 为双折射引起的折射率差。

　　由式(1)可见, 经AOTF 衍射产生的单色光的波长λ和激励用的射频信号频率f 存在一一对应关系, 只要通过电信号的调谐即可实现快速、随机改变输出光要通过电信号的调谐即可实现快速、随机改变输出光的波长, 为光谱分析仪器提供了一种新的容易实现程序控制的滤光器件。