CN101718621A - 声光可调谐滤波器参数定标系统 - Google Patents

Abstract

声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter，AOTF)参数定标系统，由控制和处理计算机、光栅单色仪、汞氩气体光源、光路部分、精密电控转台、高精密射频驱动器、光电倍增管、CCD光强分布探测器、精密电控平移导轨组成，光路部分主要由反射镜、半透半反镜、格兰泰勒棱镜、准直透镜、光阑、聚焦透镜组成。本发明的定标系统完备，定标精度高，可对AOTF光束入射角、离轴角θ_a、角孔径δ、波长响应函数、波长频率调谐关系、偏转角β等参数进行自动定标，适用于AOTF产品的指标检验，AOTF光谱和成像特性研究，还可为AOTF光谱仪的集成提供技术参数。

Description

声光可调谐滤波器参数定标系统

技术领域

本发明涉及一种声光可调谐滤波器参数定标系统，可对声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter，以下简称AOTF)光束入射角、超声离轴角θ_α、角孔径δ、波长响应函数、波长频率调谐关系、偏转角β等参数进行自动定标，适用于AOTF产品的指标检验，AOTF光谱和成像特性研究，还可为AOTF光谱仪的集成提供技术参数。

背景技术

AOTF根据声光衍射原理制成，具有对光进行调制、偏转和滤波等方面的功能，其工作原理是依靠电信号频率的变化来达到波长选择的目的。AOTF光谱仪是一种新型的光谱仪器，具有微型、轻小、可编程等特点，在光谱分析领域中迅速得到广泛应用。由于AOTF自身的特点，在设计AOTF为核心的光谱仪系统时，需要精确知道AOTF的各类指标，尤其重要的是涉及光学设计的角孔径δ和偏转角β值，涉及光谱仪分光特性的AOTF光矢量入射角和超声离轴角θ_a值。

目前，国外参数定标系统为了实现AOTF不同参数的定标，常需要搭建各自不同的装置，几乎是一个参数一种装置，使得成本较高，自动化程度低；定标时采用半导体激光器作为单色光源，由于激光器谱宽不够窄，谱段分立，波段较少，使得定标精度不高，可用数据较少；由于波长响应函数等参数常与实际AOTF光谱仪的光学入射方式有关，例如光谱仪设计成同一视场光线平行入射AOTF和同一视场光线聚焦入射AOTF时，波长响应函数是不一样的，但国外并没有按实际光谱仪设计时的光束入射方式灵活设计定标光路。在国内，目前还没有出现完备的多参数定标系统，通常只对某个参数进行定标，而且集成AOTF光谱仪时往往采用AOTF理论设计值，加工制造AOTF时的误差一定程度上降低了AOTF光谱仪性能。

总之，目前国内外还没有可实现自动化、高精度、多参数定标AOTF的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种声光可调谐滤波器参数定标系统，以克服现有AOTF定标装置繁杂且不完备，定标精度不高，自动化程度较低等缺点，设计出一套可实现自动化、高精度、多参数定标AOTF的系统。

本发明的技术解决方案是：声光可调谐滤波器参数定标系统，其包括：

光栅单色仪和汞氩气体光源：作为系统的定标光源，位于系统最前端，光栅单色仪输出波长标准、连续可变的单色光，汞氩气体光源输出的光束具有分立状气体特征谱线；

光路部分：位于光栅单色仪和汞氩气体光源后端，由反射镜、半透半反镜、格兰泰勒棱镜、准直透镜、光阑和聚焦透镜按照上述前后次序组合而成，实现对入射光束的起偏、准直或者会聚；

一个光电倍增管：首先置于待定标AOTF的前面，测量入射AOTF光的光功率；然后置于待定标AOTF的后面，测量AOTF衍射光的光功率；

精密电控转台：位于光路部分后面，用于装载待定标AOTF器件，由内置的步进电机驱动，带动AOTF精确旋转；

高精密射频驱动器：与待定标AOTF器件相连，为AOTF提供射频驱动信号；

精密电控平移导轨：位于待定标AOTF后面，由内置的步进电机驱动，用于搭载并带动CCD光强分布探测器精密平移；

CCD光强分布探测器：置于精密电控平移导轨上，用于测量AOTF分光后的衍射光束和非衍射光束空间位置；

控制和处理计算机：分别于光栅单色仪、高精密射频驱动器、精密电控转台、精密电控平移导轨、CCD光强分布探测器相连，以控制光栅单色仪改变输出波长，控制高精密射频驱动器改变射频驱动信号的功率和频率，控制精密电控转台和精密电控平移导轨进行精确运动，从光电倍增管获取光功率值，从CCD光强分布探测器获取光束空间位置数据，并运行数据处理程序，得到AOTF的定标参数信息。

所述的光路部分在移去聚焦透镜时，改变光阑的大小，输出宽度可变的光束；当加入聚焦透镜时，改变光阑的大小，输出会聚角可变的光束。

所述的CCD光强分布探测器利用光线自准直的方法，保证探测器的光敏面和精密电控平移导轨垂直。

本发明的原理是：标准波长光通过汞氩气体光源和由控制和处理计算机控制的光栅单色仪输出，经光路部分起偏、准直或者会聚后入射到AOTF窗口，高精密射频驱动器输出频率精确、功率稳定的信号驱动AOTF，使AOTF对入射光束进行光谱分光，得到的单色衍射光和复色非衍射光以角度β分开。表征AOTF主要性能的指标包括：AOTF超声离轴角；AOTF接受光的视场角大小，即角孔径；固定频率和功率下AOTF对各波段单色光的响应效率，即波长响应函数；驱动频率和衍射光波长的关系，即波长频率调谐关系；AOTF衍射光和非衍射光间的夹角，即偏转角度。系统通过改变入射角，入射光波长，驱动频率和功率等精确可控参数，测量AOTF的衍射效率和衍射光的空间位置，最终达到利用间接或者直接的方式定标AOTF主要参数的目的。

本发明与现有技术相比的优点在于：系统克服现有AOTF定标装置繁杂，定标精度不高，自动化程度较低等缺点，具有自动化、高精度、多参数定标AOTF等优势。具体的优点如下：

(1)利用单一系统实现了AOTF多种主要参数的自动定标，降低了人工的操作量和人为误差，具有较低的成本；

(2)利用汞氩气体光源代替传统的窄带激光器进行定标，在可用谱线数和精度方面更具优势，而且成本更低；

(3)光路系统具有灵活的结构，通过改变光阑大小、加入或者移除聚焦透镜，可改变平行光束宽度或者聚焦入射光束圆锥角，从而模拟实际AOTF光谱仪的光学入射方式，获得的定标参数更为准确。

附图说明

图1为本发明的系统结构框架图；

图2为本发明中待定标AOTF的工作原理图；

图3为本发明中定标AOTF最优入射角方法流程图；

图4为本发明中定标入射角孔径方法流程图；

图5为本发明中定标波长响应函数、波长频率调谐关系方法流程图；

图6为本发明中定标衍射光偏转角的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由控制和处理计算机1、光栅单色仪2、汞氩气体光源3、光路部分15、精密电控转台10、待定标AOTF16、高精密射频驱动器11、光电倍增管12、CCD光强分布探测器13、精密电控平移导轨14组成，光路部分15主要由反射镜4、半透半反镜5、格兰泰勒棱镜6、准直透镜7、光阑8、聚焦透镜9组成；本发明的定标系统采用控制和处理计算机1对与其相连接的光栅单色仪2、精密电控转台10、高精密射频驱动器11和精密电控平移导轨14进行控制，并从光电倍增管12和CCD光强分布探测器13采集数据，然后运行相应的数据处理程序，完成AOTF参数定标。首先，标准波长光通过汞氩气体光源3和光栅单色仪2输出，经光路部分15起偏、准直或者会聚后入射到AOTF窗口，高精密射频驱动器输出频率精确、功率稳定的信号对AOTF进行驱动，使AOTF对入射光束进行光谱分光，得到的单色衍射光和复色非衍射光以角度β分开。精确控制电控转台10转动，改变驱动信号频率，并利用光电倍增管12测量衍射光强度变化，确定AOTF的超声离轴角θ_a、入射光角度、波长频率调谐关系以及角孔径δ；光电倍增管12对衍射光和入射光光强进行测量，确定AOTF的波长响应函数；通过CCD光强分布探测器13和精密电控平移导轨14，实现偏转角β的精确测量；控制和数据处理过程通过计算机1自动实现；精密电控转台由控制计算机通过RS232串口控制步进电机驱动，由内部的圆光栅度盘精确测量转角，精度为2角秒，保证了AOTF入射角测量精度；光路部分的格兰泰勒棱镜具有较高的消光比和较好的透光率，保证入射到AOTF窗口的是偏振光，滤除其它偏振方向的杂散入射光。

如图2所示，本发明的待测器件AOTF由声光晶体21和换能器22构成。换能器22的作用是将电信号转换为在晶体内的超声波，超声波在晶体中传播时和入射光产生非线性效应，当满足布拉格衍射条件时，入射光将产生布拉格衍射，其衍射光的波长与电信号的频率有着一一对应的关系，所以只要改变电信号的频率，即可改变衍射光的波长。AOTF器件常根据平行切线原则设计，此时入射光矢量与光轴的夹角θ_in和离轴角θ_a满足确定的关系θ_in＝h(λ，θ_a)。但在通常情况下，由于入射光可从多个方向入射，而且离轴角θ_a是固定不变的，所以AOTF的波长频率调谐关系f＝g(θ_i，λ，θ_a)为当前光矢量入射角θ_i，离轴角θ_a和衍射波长λ的函数。在满足θ_in＝h(λ，θ_a)的入射条件时，AOTF的波长频率调谐关系变化为f＝g(h(λ，θ_a)，λ，θ_a)。AOTF工作时常以偏振光入射，因此需要用偏振器件对入射光进行起偏，出射AOTF的衍射光和非衍射光偏振方向相互正交。

如图3所示，本发明中的超声离轴角θ_a、光矢量入射角θ_i、波长频率调谐关系定标方法如下：离轴角θ_a和衍射波长λ_i固定时，频率和入射角的关系f＝g(θ_i)为一条开口朝上的抛物线，AOTF的工作原理决定了在抛物线最低点处，刚好满足θ_in＝h(λ，θ_a)的入射条件，设其最低点频率为f_i。控制光栅单色仪输出AOTF工作波段内的任意波长λ_i光束，调整光路部分中的光阑，并移除聚焦透镜，使波长λ_i光束变为平行的线偏振单色细光束输出并入射到AOTF窗口；控制精密电控转台以改变入射角θ_i，改变驱动频率，记录衍射光强极大值处的频率值，得到的f＝g(θ_i)曲线为抛物线，选取抛物线最低点频率f_i。改变衍射波长λ_i，重复上述过程，则可得到一系列的λ_i和f_i值。又因为AOTF的驱动频率和波长关系由f＝g(h(λ，θ_a)，λ，θ_a)决定，所以可以解出θ_a0，即为待定标AOTF的离轴角。

控制精密电控转台使入射光光轴方向和集成AOTF光谱仪光轴方向一致，通常选AOTF入射面的法线方向为光谱仪的光轴方向。利用汞氩气体光源作为入射光，改变驱动频率，记录光强最大时的驱动频率f_i，由于汞氩气体光源具有多个分立波长λ_i的谱线，因此同样得到一系列的λ_i和f_i值。此时AOTF的驱动频率和波长关系由f＝g(θ_i，λ，θ_a0)决定，从而可以解出θ_i0，即为待定标AOTF的当前光矢量入射角，f＝g(θ_i0，λ，θ_a0)即为定标完成的波长频率调谐关系。定标结果显示，实际精度可控制在1nm以内，具有很高的定标精度。

如图4所示，本发明中的角孔径定标方法如下：控制光栅单色仪，输出AOTF工作波段内的λ_i波长光束，调整高精密射频驱动器，使其输出频率为f＝g(h(λ_i，θ_a0)，λ_i，θ_a0)，在θ_i∈(-90°，90°)范围内控制精密电控转台旋转，用光电倍增管同步测量衍射光光强，则以入射角度为横坐标、衍射光强为纵坐标构成一条开口向下的曲线，取其半峰值全带宽(FWHM)作为AOTF角孔径δ_i；改变光栅单色仪波长，测量AOTF工作波段内的各个波长处的角孔径δ_i。

如图5所示，本发明中的波长响应函数如下：调节光路部分，旋转精密电控转台，使入射光光轴方向和集成AOTF光谱仪光轴方向一致，固定高精密射频驱动器的驱动频率f_i，逐步改变光栅单色仪波长，用光电倍增管测量衍射光和入射光强，两者的比值和光栅单色仪波长之间的关系即响应函数；在AOTF工作频率范围内改变驱动频率，测量各个频率f_i下的波长响应函数。光路部分透镜都采用消色差结构，通过改变光阑大小、加入或者移除聚焦透镜，可改变平行光束宽度或者聚焦入射光束圆锥角，从而模拟实际AOTF光谱仪的光学入射方式，这样设计的光路结构可以保证波长响应函数和衍射效率的测量准确性。

如图6所示，本发明中衍射光偏转角的定标方法如下：首先调整光束和精密电控平移导轨平行，然后利用光线自准直的方法，将光束打到光敏面上，调节CCD光强分布探测器的方向，使光束按原路返回，使光束和CCD光强分布探测器垂直，从而保证CCD光强分布探测器和精密电控平移导轨垂直；控制光栅单色仪输出波长为λ_i的单色光，调整精密电控转台和光路部分，使平行单色细光束平行入射至AOTF。将驱动频率调谐至与λ_i对应的频率f_i，衍射光斑和非衍射光斑在CCD光强探测器上的分布，并通过圆心提取的方法获取光斑位置，控制精密电控平移导轨平移固定距离X，再次提取两光斑位置，计算衍射光和非衍射光在CCD光强分布探测器上的位置变化Y1和Y2，则衍射光相对于非衍射光的偏转角度为β＝arctan(Y1/X)±arctan(Y2/X)，“±”符号取决于衍射光和非衍射光相对导轨的空间分布；然后改变光栅单色仪2的波长λ_i，测量AOTF波段范围内各λ_i下对应的偏转角度β_i。其中，精密电控平移导轨由控制计算机通过RS232串口控制步进电机进行驱动，位移精度为2.5um，重复定位精度＜3um；CCD光强探测器像元个数为1392×1040，像元尺寸为6.45×6.45um。由误差分析理论，该角度定标方法的不确定度小于0.01度，保证了衍射偏转角测量精度。

Claims (3)

1.声光可调谐滤波器参数定标系统，其特征在于：包括：

光栅单色仪(2)和汞氩气体光源(3)：作为系统的定标光源，位于系统最前端，光栅单色仪(2)输出波长标准、连续可变的单色光，汞氩气体光源(3)输出的光束具有分立状气体特征谱线；

光路部分(15)：位于光栅单色仪(2)和汞氩气体光源(3)后端，由反射镜(4)、半透半反镜(5)、格兰泰勒棱镜(6)、准直透镜(7)、光阑(8)和聚焦透镜(9)按照前后次序组合而成，实现对入射光束的起偏、准直或者会聚；

一个光电倍增管(12)：首先置于待定标声光可调谐滤波器(16)的前面，测量入射声光可调谐滤波器光的光功率；然后置于待定标声光可调谐滤波器(16)的后面，测量声光可调谐滤波器衍射光的光功率；

精密电控转台(10)：位于光路部分(15)后面，用于装载待定标声光可调谐滤波器(16)器件，由内置的步进电机驱动，带动声光可调谐滤波器精确旋转；

高精密射频驱动器(11)：与待定标声光可调谐滤波器(16)器件相连，为声光可调谐滤波器提供射频驱动信号；

精密电控平移导轨(14)：位于待定标声光可调谐滤波器(16)后面，由内置的步进电机驱动，用于搭载并带动CCD光强分布探测器(13)精密平移；

CCD光强分布探测器(13)：置于精密电控平移导轨(14)上方，用于测量声光可调谐滤波器分光后的衍射光束和非衍射光束空间位置；

控制和处理计算机(1)：控制光栅单色仪(2)改变输出波长，控制高精密射频驱动器(11)改变射频驱动信号的功率和频率，控制精密电控转台(10)和精密电控平移导轨(14)进行精确运动，从光电倍增管(12)获取光功率值，从CCD光强分布探测器(13)获取光束空间位置数据，并运行数据处理程序，得到声光可调谐滤波器的定标参数信息。

2.根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器参数定标系统，其特征在于：所述的光路部分(15)在移去聚焦透镜(9)时，改变光阑(8)的大小，输出宽度可变的光束；当加入聚焦透镜(9)时，改变光阑(8)的大小，输出会聚角可变的光束。

3.根据权利要求1所述的声光可调谐滤波器参数定标系统，其特征在于：所述的CCD光强分布探测器(13)的光敏面和精密电控平移导轨(14)垂直。

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