红外AOTF调谐关系及其衍射光波长特性研究

　　声光可调谐滤光器(Acousto optic tunablefilter ,简称AOTF)是近些年发展起来的一种新型分光器件.AOTF是建立在光学各向异性介质声光衍射原理上的电调谐滤光器,主要由声光晶体(如TeO2、PM)、压电换能器件和作用于压电换能器件的驱动信号所组成.通过对驱动信号的调谐能快速实时地改变输出光的波长.目前AOTF在光谱分析、成像技术及远程检测等领域得到越来越广泛应用[1].

　　1　非共线AOTF的工作原理[2]

　　图1描述了非共线AOTF声波矢量(kaco)、入射光波矢量(ki)和衍射光波矢量(kd)的关系,及其与晶体光轴(Z轴)的夹角关系.图1中单轴晶体o光和e光的波矢截面为圆和椭圆.

    根据动量匹配条件,当入射光为e光,衍射光为o光的矢量方程为:

　　入射光、衍射光波矢和声波矢分别为:ki=是介质对入射光的折射率;nd是衍射光的折射率;λ是光波在真空中的波长;faco是超声波频率,Vaco是超声波速.

　　引入角度量,式(1)可写成标量方程:

　　由介质的折射率曲面(图1)可知,入射光e光的折射率nie和衍射光o光的折射率ndo分别表示为:

　　将式(3)、(4)、(5)、(6)代入式(2)式得到非共线AOTF的调谐关系,当e光入射,o光出射时,关系式为:

　　2　红外AOTF性能测试

　　对美国NEOS公司生产的红外AOTF进行测试,其工作波长1.8 ~ 4μm;驱动频率20.7 ~46.5 MHz;入射角θi=28.76°;声速Vaco=744m/s.采用直接数字频率合成(DDS)技术,由计算机控制,可直接输出所要求的驱动频率.

　　2.1　驱动频率与衍射光中心波长的关系

　　将AOTF置入Nicolet2Nexus870光谱仪样品室(图2).波长从1.8μm到4μm连续变化的平行光入射到AOTF,以AOTF未加驱动频率时的背景光为基准,透过率设为100%;加一定的驱动频率时,0级光和两级衍射光的光强总和等于入射光强.衍射光峰值透过率大于100%,0级光相应波长位置的透过率低于100%,形成谱谷.在实际测试过程中,由于光谱仪探测器位置所限,测得-1级衍射光迭加部分0级光的光谱图(图3):谱峰的位置是-1级衍射光的波长为3.42um(抵消了部分0级光的-1级谱谷),谱谷的位置是+1级衍射光的波长为3.66um(对应部分0级光的+1级谱谷).

　　在同一驱动频率下,由公式(7)、(8)绘出入射角和衍射光波长关系曲线(图4).只有当AOTF的入射角满足等值点57.6°时,同一驱动频率两级衍射光波长才相同.小于57.6°时,衍射光e光波长大于o光波长,有明显差异.

　　在实测过程中,尽量保证AOTF与入射光线平行,此时入射光与晶体光轴的夹角约为28.76°,因此两级衍射光波长不等.

　　改变驱动频率得到驱动频率2衍射光e光中心波数关系曲线(图5).结果表明:红外AOTF驱动频率与衍射光的波数基本上呈线性关系,与理论曲线基本一致.