CN101907513A - 声光可调谐滤光器衍射性能弱光测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声光可调谐滤光器衍射性能弱光测试系统及测试方法。该系统由单色光源系统、光信号调制系统、光学系统及光电探测系统组成。单色光源系统可生成波长连续可调的单色光束，通过光阑孔后由斩光器对其进行频率调制，交流光信号依次经由准直镜、起偏器、滤光片形成单波长准直偏振光，并垂直入射AOTF；由棱镜将会聚后的0级光及驱动后产生的衍射光折转不同方向，分别由两个光电探测器接收，从而分析AOTF的衍射性能。本发明装置原理简单、可操作性强，可满足AOTF测试连续波长的需求，同时通过自动控制软件可大幅提高测试效率。针对AOTF在弱光下的应用需求，利用锁相电路实现弱光条件检测，提高测试精度。该系统实现0级光和衍射光的独立测试，提高测试准确性。

Description

声光可调谐滤光器衍射性能弱光测试系统和方法

技术领域：

本发明涉及光学测量技术，具体指一种声光可调谐滤光器在弱光条件下衍射性能测试系统，它用来测量声光可调谐滤光器的衍射效率、光谱分辨率、旁瓣及二次谐波等衍射性能。

背景技术：

声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)是一种窄带可调滤光器，它是根据声光作用原理制成的分光器件。通过改变施加在晶体上射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描。目前该技术已广泛应用于非成像及成像光谱仪器。

AOTF的分光原理：如附图1、附图2所示，当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一定角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接透射过晶体，由此达到分光的目的。当晶体振动频率改变时，可透射单色光的波长也相应改变。各向同性和各向异性布拉格衍射都能用于滤光器件，但是采用各向同性晶体作滤光片实用性极差，它对于入射光的平行性要求苛刻(张角在千分之一弧度以内)，微小的偏差也会导致光谱通带显著加宽，而且不同波长对应的衍射角也不同，因此，AOTF都采用双折射晶体各向异性布拉格衍射。在各向异性AOTF中，入射到AOTF的光线入射角有一个小的改变δθ_i时，由于双折射量随角度的变化恰好补偿了因角度变化而引起的动量失配，所以仍能够保持动量匹配条件近似成立，声光衍射对入射光在一定角度内变化不很敏感，从而可以做成大角孔径的AOTF。

AOTF衍射性能包括衍射效率、光谱分辨率、旁瓣、二次谐波等，对AOTF衍射性能的测试需要实现全波段覆盖。

目前，国内对AOTF衍射效率进行测试的方法主要集中于采用连续宽谱段光源(例如卤钨灯)，通过光谱接收系统进行出射光的光谱特性测试，其测试装置示意图见附图3。首先光源准直，利用偏振片产生垂直偏振光入射，利用光谱仪接收到0级光光谱。设不加射频信号时0级光的光谱强度为I₀，加射频驱动后0级光最小值为I，衍射效率T＝(I₀-I)/I₀。在驱动功率固定的情况下，改变AOTF射频驱动频率，可进行光谱扫描。该方法的缺陷在于，该方法利用未驱动时与驱动时0级光的光谱强度的差值作为衍射光的光谱强度，这一过程将转化为其它能量形式的光强都认为是衍射光强，使得测试结果与实际AOTF的衍射效率会有差别。

另一种常用的测试技术是利用激光作为光源，该方法仅需要利用能量接收系统就可以方便的进行各级光能量的测量及计算，从而得出AOTF衍射效率。若使用单一波长的激光器无法满足AOTF连续谱段测试的需求，且该种测试方法对激光器能量的稳定性要求比较高。利用波长可调谐激光器配合分束镜既可以实现全波段的测试(图4所示)，同时测试精度较高。但是该方法也有其局限性，目前利用该方法测试衍射效率和光谱分辨率都是采用手动方式，效率偏低，若要检测旁瓣和二次谐波则需花费大量时间。同时激光能量强，无法反映AOTF在弱光条件下的衍射性能，对于满足应用需求也有局限性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种在弱光条件下测量声光可调谐滤光器衍射性能的系统，实现高效、高精度、全波段的测试。

如附图5所示，本发明是以由溴钨灯(11)、单色仪(12)组成的单色光源系统(1)作为光源；单色光通过光阑孔(2)后由斩光器(31)对其进行频率调制形成交流光信号，并提供参考信号给锁相放大器(32)；调制后的光信号依次经由准直镜(4)、起偏器(5)、滤光片(6)形成单波长准直偏振光，并入射AOTF(101)；会聚镜(7)对透过AOTF(101)的0级光及驱动后产生的衍射光进行会聚，并由棱镜(8)将0级光和衍射光折转至两个方向，分别由第一光电探测器(91)接收0级光，第二光电探测器(92)接收衍射光。

具体方法：在不加射频驱动时，扫描单色波长，由第一光电探测器(91)接收0级光光谱强度I₀；在施加射频驱动下，固定驱动频率，扫描单色波长，由第二光电探测器(92)接收衍射光光谱强度I₁；AOTF衍射效率曲线计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\frac{I_1}{I_0}---\left(1\right)$

当衍射光光谱强度I₁最大为I_max时，

此时，对应的波长即为该驱动频率对应的衍射中心波长，

为该中心波长的衍射效率。当I₁/I₀下降为

时所对应的波长范围即为中心波长处光谱分辨率。

通过AOTF在该频率处的衍射效率曲线，即可直观的分析出AOTF是否存在旁瓣(旁瓣指在该频率对应中心波长附近存在幅值较小的高斯曲线)及二次谐波(二次谐波指在该AOTF的波长范围内，距离该频率对应的中心波长一定距离处存在的另一衍射波长)以及确定其波长位置。

单色光源系统1：由溴钨灯11和单色仪12组成。溴钨灯11可产生波长范围为300～2500nm连续光谱，单色仪光谱扫描间隔可达到0.005nm，光谱分辨率可达到0.1nm，可实现宽光谱范围内的全谱段扫描。

光阑孔2可控制入射光斑的大小。

光信号调制系统3由斩光器31、锁相放大器32组成。斩光器31对入射光进行频率调制形成交流光信号，并提供参考信号给锁相放大器32，使得探测器可以检测出弱信号，即实现弱光条件下AOTF衍射性能测试。

准直镜4将入射点光源扩束为准直光，起偏器5将准直光起偏为与AOTF设计的入射光相同的偏振态，滤光片6截止单色仪出射的二级及多级光谱，会聚镜7将透过AOTF的0级光及驱动时的衍射光聚焦。

棱镜8将0级光和衍射光折转方向，由第一光电探测器91和第二光电探测器92分别独立探测未驱动时的0级光光强和驱动后的衍射光光强，使得衍射效率计算时使用的均为真实测量值，可提高测试准确性。

本专利的优点在于：

1)本发明用连续单色光源作为入射光源，可满足AOTF高密度、小间隔波长测试的需求，波长覆盖范围广。

2)本发明使用锁相放大器实现弱光条件下的高精度测试。

3)本发明采用双路探测器，实现驱动后衍射光与未驱动时0级光的独立测量，提高测试准确性。

4)本发明使用自动控制软件可提高测试效率，测试结果直观化。

附图说明：

图1各向异性AOTF矢量图。

图2AOTF分光示意图。

图3是光谱仪法AOTF衍射效率测试系统示意图。

图4是可调谐激光器法AOTF衍射效率测试系统示意图。

图5是AOTF衍射性能弱光测试系统示意图。

具体实施方式：

下面是根据图5给出的本发明的一个较好实施例，用以说明本发明的结构特征和实施方法，而不是用来限定本发明的范围。

AOTF衍射性能弱光测试系统包括如下几个部分：

1)单色光源系统1：本实施方案中选用YOBIN YVON公司生产的HORIBA iHR320三光栅单色仪，配套使用LSH-T250溴钨灯、LPS250高精度稳流源。

2)光阑孔2：本实施方案选用大恒光电GCM-57可变光阑。

3)光信号调制系统3：本实施方案采用Terahertz Technologies公司生产的C-995斩光器，南京鸿宾微弱信号检测有限公司生产的锁相放大器。

4)准直镜4、会聚镜7、棱镜8：本实施方案中采用的准直镜和会聚镜均采用自行设计的消色差镜组，焦距均为120mm，材料为FK2/熔石英/FK2；棱镜使用直角棱镜，两反射面镀银膜。

5)起偏器5：本实施方案中采用Thorlabs LPNIR-100，1英寸，消光比＞100∶1。

6)滤光片6：本实施方案中采用1500nm～3000nm带通滤光片，透过率在60％以上，在测试AOTF波长1500nm以后使用。

7)光电探测系统9：本实施方案中采用Judson Technologies公司生产的InGaAs探测器。

本实施例选用中电26所研制的短波红外AOTF101及配套射频驱动器102作为AOTF组件，其中AOTF波长范围900～2400nm；使用DELL GX620型电脑103进行软件控制。调节单色光源1发射的单色光束通过光阑孔2、斩光器31、准直镜4、起偏器5、滤光片6后垂直入射AOTF101；由会聚镜7对0级光和衍射光会聚，并由棱镜8对两路光折转方向，并分别聚焦于两个光电探测器。对AOTF101不加驱动时，由第一光电探测器91在AOTF后接收0级光光强；对AOTF101施加驱动时，由第二光电探测器92在AOTF后接收衍射光能量。锁相放大器32接收斩光器31、光电探测系统9反馈的信号。自动控制软件控制单色仪波长扫描、锁相电路信号，并由上述计算衍射效率的公式(1)计算AOTF的衍射效率，生成衍射效率分析曲线，得出光谱分辨率、旁瓣及二次谐波情况。

如上所述，本测试装置的测试方法简单、可操作性强，能快速直观的反映AOTF的多项衍射性能，测试精度高、准确性高，是较为理想的弱光条件下AOTF衍射性能测试装置。

Claims (4)

1.一种声光可调谐滤光器衍射性能弱光测试系统，它包括单色光源系统(1)、光阑孔(2)、光信号调制系统(3)、准直镜(4)、起偏器(5)、滤光片(6)、会聚镜(7)、棱镜(8)、由第一光电探测器(91)和第二光电探测器(92)组成的光电探测系统(9)，其特征在于：所述的单色光源系统(1)发出的单色光通过光阑孔(2)后由光信号调制系统(3)进行频率调制；调制后的光信号依次经由准直镜(4)、起偏器(5)、滤光片(6)形成单波长准直偏振光，并垂直入射AOTF(101)；会聚镜(7)对透过AOTF(101)的0级光及驱动后产生的衍射光进行会聚，并由棱镜(8)将0级光和衍射光折转至两个方向，由第一光电探测器(91)接收0级光，第二光电探测器(92)接收衍射光；获取用于分析AOTF衍射效率、光谱分辨率、旁瓣及二次谐波等衍射性能的0级光光强I₀与衍射光光强I₁。

2.根据权利要求1所述的一种声光可调谐滤光器衍射性能弱光测试系统，其特征在于：所述的单色光源系统(1)由溴钨灯(11)和单色仪(12)组成，溴钨灯(11)可产生波长范围为300～2500nm连续光谱，单色仪光谱扫描间隔可达到0.005nm，光谱分辨率可达到0.1nm，可实现宽光谱范围内的全谱段扫描。

3.根据权利要求1所述的一种声光可调谐滤光器衍射性能弱光测试系统，其特征在于：所述的光信号调制系统(3)由斩光器(31)、锁相放大器(32)组成，所述的斩光器(31)对入射光进行频率调制形成交流光信号，并提供参考信号给锁相放大器(32)，使得探测器可以检测出弱信号，实现弱光条件下AOTF衍射性能测试。

4.一种基于权利要求1所述系统的声光可调谐滤光器衍射性能弱光测试方法，其特征在于包括以下步骤：

A.在不加射频驱动时，扫描单色波长，由第一光电探测器(91)接收0级光光谱强度I₀；

B.在施加射频驱动下，固定驱动频率，扫描单色波长，由第二光电探测器(92)接收衍射光光谱强度I₁；AOTF衍射效率曲线计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\frac{I_1}{I_0}---\left(1\right)$

当衍射光光谱强度I₁最大为I_max时，

此时，对应的波长即为该驱动频率对应的衍射中心波长，

为该波长的衍射效率；

C.当I₁/I₀下降为

时所对应的波长范围即为中心波长处光谱分辨率；

D.由该驱动频率下绘制衍射效率曲线，从中直接观察出AOTF是否存在旁瓣和二次谐波并确定其位置。

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