CN103900689B - 声光调制型宽谱段多通道偏振单色光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声光调制型宽谱段多通道偏振单色光源，该装置利用抛物面反光罩、共焦离轴抛物面反射镜和光阑提高了光能利用效率的同时减少了杂光的干扰；经分色片分束而成的可见、短波、中波红外三个波谱通过声光可调滤波器的调制，得到从可见到中波红外的宽谱段、多通道、可调谐偏振单色光源。该光源内部无移动部件，具有光谱特性稳定、线偏振特性高、小型化、低功耗、轻量型等优点，可以很好的满足野外环境的需求。

Description

声光调制型宽谱段多通道偏振单色光源

技术领域

本发明涉及一种多通道偏振单色光源，具体指一种基于声光可调滤光器分光的宽谱段、多通道、小型化的光谱可调谐偏振单色光源，适用于光谱检测、分析等相关领域。

背景技术

偏振单色光源不仅是实验室的理想光源，而且在摄影技术、医学研究、各向异性材料的显示、物质的分类和鉴别、产品质量的控制等领域也有着十分广泛的需求。从立体电影的拍摄和观看，到智能楼宇的设计和建设；从上海世博会开幕式令人心动的大屏幕投影技术，到眼科视网膜神经纤维层厚度的测量；从伦敦奥运会跳水运动首次实现水下境况的电视直播，到城市路面夜间行驶的普通汽车灯光，都和光的偏振特性、单色特性密不可分。获得单色光源的主要手段有激光器和单色仪。激光器是一种理想的单色、偏振光源，但激光器受其发射机理的限制，其波段比较单一，很难在宽波段范围实现可调谐，此外一些激光器需要高功率的泵浦源、水冷等复杂的配套设备，使其在室外的应用受到限制。单色仪使用广泛，如图3所示，单色仪光路主要有照明光源、狭缝、离轴抛物面反射镜M1、闪耀光栅、离轴抛物面反射镜M2，出射狭缝S2组成。光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物面镜的焦面上。从入射狭缝S1出射的光经过M1的反射平行照射到光栅上，光栅衍射的光经过M2会聚到出射狭缝S2上，由于光栅的衍射作用，各衍射后的单色光按波长依次排列，从出射狭缝出射，当步进电机带动光栅转动时，出射的光由短波到长波依次出现，从而宽谱段可调的单色光发生功能。

上述两种现有技术的缺点主要体现在以下几个方面：一、对激光器而言，其很难在宽波段范围内实现可调谐，且激光器需要较高的泵浦功率，不能满足室外需求；二、对单色仪而言，首先，其利用闪耀光栅分光，依靠步进电机的控制实现光谱的扫描输出，具有稳定性较差、需多次标定的缺点；其次，单色仪出射光源的线偏振特性差，要获得高消光比的单色光输出，需要附加其他的偏振器件；最后，单色仪整个装置笨重，且功耗较大，不能满足便携性及室外应用的需求。

发明内容

本发明针对光谱分析对稳定偏振单色光源的需求，克服上述现有技术的不足，利用AOTF独特的分光特性，以及小体积、无移动部件、电调制光谱的优点，得到宽波段、多通道、可调谐的偏振单色光源。

本发明的目的在于解决现有单色光源不能同时满足宽谱段光谱可调谐和线偏振特性要求的技术难题，同时实现仪器的小型化、便携性。

本发明所采用的技术方案如图2所示：光路由卤素灯宽谱光源1、抛物面反光罩2、第一反射镜3、孔径光阑4、第二反射镜5、第一分色片6、第一AOTF7、第二分色片8、第二AOTF9、第三AOTF10、主控电路11、电脑12组成。其工作方式如下所述：

卤素灯宽谱光源1发出的宽谱连续光依次被抛物面反光罩2和第一反射镜3反射，然后通过孔径光阑4空间滤波，继而被第二反射镜5准直成宽谱平行光；该平行光经过第一分色片6被分成可见与红外两束光，其中可见光反射后垂直入射第一AOTF7；红外光按原光路入射至第二分色片8，再分成短波红外与中波红外两束光，短波红外反射后垂直入射第二AOTF9，中波红外按原光路直入射第三AOTF10；主控电路11实现对第一AOTF7、第二AOTF9、第三AOTF10的驱动控制及卤素灯宽谱光源1的控制。由此实现可见到中波红外宽谱段的连续偏振光的光谱可调谐输出。

本发明偏振单色光源的工作原理如下所述：

1、额定功率20W，额定电压12V的卤素灯宽谱光源1置于焦距20mm、孔径20mm的铝制抛物面反光罩2的焦点；直径76.2mm、单焦长38.1mm、有效反射焦长76.2mm、离轴角90゜的第一反射镜3与直径25.4mm、单焦长12.7mm、有效反射焦长25.4mm、离轴角90゜的第二反射镜5共焦放置；直径0.5mm的孔径光阑4位于反射镜3、5的共同焦点位置。卤素灯宽谱光源1发出的宽谱连续光依次被抛物面反光罩2和第一反射镜3反射，然后通过孔径光阑4空间滤波，继而被第二反射镜5准直成宽谱平行光。

2、入射角45゜、厚度1mm、350nm-1000nm范围内反射率大于90％、波长大于1000nm范围内透过率大于85％的第一分色片6和入射角45゜、厚度为1mm、1000nm-2500nm范围内反射率大于90％、2500nm-5000nm范围内透过率大于90％的第二分色片8的结合使用，将卤素灯宽谱光源1发出的经过空间滤波的宽谱连续平行光依次分成350nm-1000nm、1000nm-2500nm、2500nm-5000nm三个连续波段。

3、350nm-1000nm范围内衍射效率85％的第一AOTF7在控制电路11及电脑12的控制下，对垂直入射的波长350nm-1000nm的光进行调制，实现350nm-1000nm范围内的多通道、可调谐、偏振单色光输出；1000nm-2500nm范围内衍射效率90％的第二AOTF9在主控电路11及电脑12的控制下，对垂直入射的波长1000nm-2500nm的光进行调制，实现1000nm-2500nm范围内的多通道、可调谐、偏振单色光输出，2500nm-5000nm范围内衍射效率80％的第三AOTF10在主控电路11及电脑12的控制下，对垂直入射的波长2500nm-5000nm的光进行调制，实现2500nm-5000nm范围内的多通道、可调谐、偏振单色光输出。

本发明的核心在于使用第一AOTF7、第二AOTF9、第三AOTF10实现光谱选择及偏振控制。AOTF的分光原理如图4所示，它是根据声光衍射原理制成的分光器件，由三部分组成，即声光介质、换能器阵列、吸声体。换能器将电信号转换为在晶体内的超声波振动，超声波使介质的折射率产生了空间周期性的调制，其作用像位相光栅。当满足布拉格衍射条件时，入射光照射到此光栅后将产生布拉格衍射，其衍射光的波长与驱动电信号的频率有着对应的关系，所以只要改变驱动电信号的频率，即可改变衍射光的波长。利用TeO₂制作的AOTF其+1、-1级衍射光为偏振比很高的(3000:1)的线偏振光，且能普遍用于可见到中波红外波段。通过改变第一AOTF7的驱动电信号，就可以在可见光波段获得可调波长的偏振、单色光源；通过改变第二AOTF9的驱动电信号，就可以在短波红外波段获得可调波长的偏振、单色光源；通过改变第三AOTF10的驱动电信号，就可以在中波红外波段获得可调波长的偏振、单色光源。

本发明的工作流程如图5所示，启动电脑中的控制软件以后，在软件内输入需要的波长信息，并按光功率要求设定卤素灯宽谱光源电流，系统将自动判定波长所处的波谱范围，将波长对应的偏压置于相应的AOTF获得所需波长的偏振光，若输出的光强不满足所需条件，则调节卤素灯宽谱光源的电流，重新获得光源输出。当所需要的波长不在系统的波谱范围之内时，系统会提示“输入错误，请重输入”。当前状态下使用完毕时，如需继续使用其他波长，则重新设定波长，重复上述过程，获得所需波长的光源输出，否则关机结束。

与现有技术相比，使用声光调制滤光器的多通道宽谱段、小型化、可调谐偏振单色光源具有以下显著优点：一、利用AOTF声光效应特性，产生正交偏振特性的波长可调的+1、或-1级衍射光，其消光比为3000：1，能实现高消光比的正交偏振光谱可调的单色光输出；二、宽谱段共反射前光路，并通过分色片实现多通道谱段分离，结合匹配的AOTF，实现宽谱段多通道的单色光输出；三、使用AOTF为主要分光器件，其非机械扫描的特性具有波长稳定性强、抗震性能好、环境适应性强等特点，且集成度高、体积小、重量轻、便于携带，适合外场恶劣环境应用。

附图说明

图1为水平传播光的偏振特性的标识。

图2为光源组成示意图。

图3为典型光栅分光单色仪的示意图。

图4为AOTF分光的示意图。

图5为光源工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明采用以下主要器件：

1.卤素灯宽谱光源：光源采用德国欧司朗照明有限公司的HalogenDisplay/OpticLamp，型号为64258，其额定功率20W，额定电压12V。

2.抛物面金属反光罩：选用铝质材料加工定做，其焦距20mm，口径20mm。

3.第一反射镜：第一反射镜选用北京茂丰光电科技有限公司的离轴抛物面镜，型号为OQALM76.2-002，其主要参数为直径76.2mm，单焦长38.1mm，有效反射焦长76.2，离轴角90゜。

4.孔径光阑：孔径光阑为金属圆孔光阑，孔径直径0.75mm。

5.第二反射镜：第二反射镜选用北京茂丰光电科技有限公司的离轴抛物面镜，型号为OQALM25.4-001，其主要参数为直径25.4mm，单焦长12.7mm，有效反射焦长25.4mm，离轴角90゜。

6.第一分色片：第一分色片采用THORLABS公司的分色镜，型号为FM203，其主要参数为，入射角45゜，厚度1毫米，350nm-1000nm的反射率大于90％，波长大于1000nm的透过率大于85％。

7.第一AOTF：第一AOTF使用美国CTI公司成产的声光可调谐滤波器(AOTF)，其型号为97-01776-01，主要参数为，波长范围为350nm-1000nm,衍射效率85％。

8.第二分色片：第二分色片采用THORLABS公司的二向色镜，型号为DMLP1200高通二向色镜，其主要参数为，截止频率2500nm，1000nm-2500nm范围的反射率大于90％，2500nm-5000nm范围的透过率大于90％。

9.第二AOTF：第二AOTF使用美国CTI公司成产的声光可调谐滤波器(AOTF)，其型号为97-01608-01，主要参数为，波长范围为1000nm-2500nm,衍射效率90％。

10.第三AOTF：第三AOTF使用美国CTI公司成产的声光可调谐滤波器(AOTF)，其型号为97-02405-01，主要参数为，波长范围为2500nm-5000nm,衍射效率80％。

11.主控电路为自制电路板，有电源、数控等模块组成。

12.电脑采用联想公司生产的台式电脑，其型号为联想Eraser异能者D305。

本发明主要工作原理如图2所表述：

1.卤素灯宽谱光源1发出的宽谱连续光依次被抛物面反光罩2和第一反射镜3反射，然后通过孔径光阑4空间滤波，继而被第二反射镜5准直成宽谱平行光；

2.该平行光经过第一分色片6被分成可见与红外两束，其中可见光反射后垂直入射第一AOTF7；红外光按原光路入射至第二分色片8，再分成短波红外与中波红外两束光，短波红外反射后垂直入射第二AOTF9，中波红外按原光路直入射第三AOTF10；

3.主控电路11实现对第一AOTF7、第二AOTF9、第三AOTF10的驱动控制及卤素灯宽谱光源1的控制。最终实现可见到中波红外宽谱段的连续偏振光的光谱可调谐输出。

本发明的工作流程如图5所示，启动电脑中的控制软件以后，在软件内输入需要的波长信息，并按光功率要求设定卤素灯宽谱光源电流，系统将自动判定波长所处的波谱范围，将波长对应的偏压置于相应的AOTF获得所需波长的偏振光，若输出的光强不满足所需条件，则调节卤素灯宽谱光源的电流，重新获得光源输出。当所需要的波长不在系统的波谱范围之内时，系统会提示“输入错误，请重输入”。当前状态下使用完毕时，如需继续使用其他波长，则重新设定波长，重复上述过程，获得所需波长的光源输出，否则关机结束。

Claims (1)

1.一种声光调制型宽谱段多通道偏振单色光源，它由卤素灯宽谱光源(1)、抛物面反光罩(2)、第一反射镜(3)、孔径光阑(4)、第二反射镜(5)、第一分色片(6)、第一AOTF(7)、第二分色片(8)、第二AOTF(9)、第三AOTF(10)、主控电路(11)和电脑(12)组成，其特征在于：

卤素灯宽谱光源(1)发出的宽谱连续光依次被抛物面反光罩(2)和第一反射镜(3)反射，然后通过孔径光阑(4)空间滤波，继而被第二反射镜(5)准直成宽谱平行光；该平行光经过第一分色片(6)被分成可见与红外两束光，其中可见光反射后垂直入射第一AOTF(7)；红外光按原光路入射至第二分色片(8)，再分成短波红外与中波红外两束光，短波红外反射后垂直入射第二AOTF(9)，中波红外按原光路直入射第三AOTF(10)；主控电路(11)实现对第一AOTF(7)、第二AOTF(9)、第三AOTF(10)的驱动控制及卤素灯宽谱光源(1)的控制，由此实现可见到中波红外宽谱段的连续偏振光的光谱可调谐输出。