CN103913297A - 自参考声光可调谐滤光器衍射性能测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自参考声光可调谐滤光器衍射性能测试方法及装置，该装置由波长可调谐激光器、中性密度滤光片、格兰棱镜、二维电动转台和能量计组成，用于声光可调谐滤光器的衍射效率等性能的测试。该发明基于AOTF晶体特性，利用驱动后产生的0级光和衍射光实现自参考，结合能量计探头交替测试的方法，有效消除光能不稳定性及能量计探头响应不一致的影响，光路简便易操作地实现宽谱段高精度的性能测试。

Description

自参考声光可调谐滤光器衍射性能测试方法及装置

技术领域：

本发明涉及光学测量技术，具体指一种利用声光器件自身特性实现光能参考的声光可调谐滤光器衍射性能测试方法及装置，用于声光可调谐滤光器的衍射效率等衍射性能的测试。

背景技术：

声光可调谐滤光器（Acousto-optic tunable filter，AOTF）是一种窄带可调谐滤光器，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的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。AOTF衍射性能包括衍射效率、光谱分辨率等，对AOTF衍射性能的测试通常需要实现全波段覆盖。

利用激光作为光源，采用能量接收系统对零级及衍射光能进行测量及计算，从而得出AOTF的衍射效率，是可行手段之一。但该手段由于激光器的单色性限制无法满足AOTF连续谱段测试的需求。利用波长可调谐激光器作为连续可调光源是另一种可行的解决方式（专利CN101706361），该方法通过光源的连续可调性，并利用分束镜降低光能不稳定性对测试精度的影响，可以实现宽波段及较高精度的测试。但是该方法也存在其局限性，主要为：1）宽谱段测试时需要切换适应不同谱段的分束镜，同时为保证测试精度需要测试该分束镜的波长-分束曲线，费时费力；2）当对AOTF器件的±1级中的某一级（如+1级）完成测试后，对另一级（如-1级）需要额外的安装夹器，并要重新调整光路，便利性及一致性较差；3）基矢偏差及分束镜自身的性能稳定性均将影响测试精度。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用待测声光器件自身特性实现光能参考的声光可调谐滤光器衍射性能测试方法及装置，与现有技术相比，可进一步简化系统，在提高测试精度及系统稳定性的同时实现高效率测试。

如图1所示，根据声光效应及声光晶体特性，当一束复色光通过声光可调滤光器时，该复色光分成二束线偏振光，一束为o光，一束为e光。晶体加上射频频率后，其中e光发生衍射后，形成+1级衍射光及0级光；o光同时也发生衍射，形成-1级衍射光及0级光。上述的现有技术测试时，其激光器为线偏振光，该线偏振光的基矢无可调功能，当测试+1级衍射光与-1级衍射光时，二者入射待测晶体的基矢相差90°相位，需要重新调整光路以匹配。另外，基矢存在的偏差影响测试精度。

本发明：1）利用待测AOTF晶体的o光衍射后的-1级衍射光及0级光能总量与入射o光一致，e光衍射后的+1级衍射光及0级光能总量也与入射e光一致的特性，通过交替测试消除光源及探测器不稳定对测量精度的影响，即简化光路又减小测试误差；2）采用宽谱段格兰棱镜及其旋转调整夹器切换并微调入射线偏振光相位，在提高效率的同时适应±1级衍射性能测试需求并降低偏振基矢偏差对测试精度的影响。

如附图3所示，本发明以波长可调谐激光器1作为测试光源，光束依次通过中性密度滤光片2和格兰棱镜3后形成单波长线偏振光，通过调整二维转动平台4从而垂直入射到AOTF51，由射频驱动器52对AOTF51施加射频驱动后，由第一能量计探头61接收0级光，第二能量计探头62接收驱动后产生的衍射光，然后交替由第一能量计探头61接收驱动后产生的衍射光，第二能量计探头62接收0级光完成测试。通过调整格兰棱镜实现入射至AOTF51的线偏振光的偏振态90°相位的改变，从而实现±1级衍射光的切换，实现二者的测试。

具体方法：调整波长可调谐激光器的波长，对AOTF51施加一定射频驱动，第一能量计探头61接收到的0级光能量为E₀，第二能量计探头62接收到的衍射光能量为E₁；互换两个能量计探头位置，则第二能量计探头62接收到的0级光能量为E₀'，第一能量计探头61接收到的衍射光能量为E₁'，衍射效率的计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\sqrt{\frac{E_1{E}_1^{\′}}{(E_0+E_1)(E_0^{\′}+E_1^{\′})}}---(1-1)$

具体说明如下：考虑到波长可调谐激光器1能量不稳定，两个能量计探头的响应率也存在偏差，会降低测试结果的精度，通过上述能量计探头交替测试后并通过上述公式计算可有效提高精度。

设对AOTF51施加一定射频驱动后，0级光的实际能量为e₀，衍射光的实际能量为e₁，其理想衍射效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}=\frac{e_1}{e_1+e_0}---(1-2)$

设激光器能量不稳定所造成的影响因子系数为β，第一能量计探头的响应系数为a，第二能量计探头的响应系数为a(1+Δx)，Δx为两个能量计探头响应不一致所产生的相对偏差。则两个能量计探头61、62获取的光能量响应为：E₀=βae₀，E₁=βa(1+Δx)e₁，调换两个能量计探头后，二者获取的光能量为：E₀'=βa(1+Δx)e₀，E₁'=βae₁，可得到：

${\mathrm{\η}}_1=\frac{E_1}{E_1+E_0}=\frac{\mathrm{\βa}(1+\mathrm{\Δx})e_1}{\mathrm{\βa}(1+\mathrm{\Δx})e_1+\mathrm{\βa}{e}_0}=\frac{(1+\mathrm{\Δx})e_1}{(1+\mathrm{\Δx})e_1+e_0}---(1-3)$

${\mathrm{\η}}_2=\frac{E_1^{\text{'}}}{E_1^{\text{'}}+E_0^{\text{'}}}=\frac{\mathrm{\βa}{e}_1}{\mathrm{\βa}{e}_1+\mathrm{\βa}(1+\mathrm{\Δx})e_0}=\frac{e_1}{e_1+(1+\mathrm{\Δx})e_0}---(1-4)$

AOTF51衍射效率计算公式为：

$\mathrm{\η}=\sqrt{{\mathrm{\η}}_1*{\mathrm{\η}}_2}=\sqrt{\frac{E_1{E}_1^{\text{'}}}{(E_0+E_1)(E_0^{\text{'}}+E_1^{\text{'}})}}$

若不进行能量计探头交替测试，此时衍射效率的误差为Δη'，可知：

Δη'=η₁-η_real（1-5）

进行能量计探头交替测试后，此时衍射效率的误差为Δη''，可知：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\η}}^{\text{'}\text{'}}=\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}=\sqrt{{\mathrm{\η}}_1*{\mathrm{\η}}_2}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}---(1-6)$

由公式1-2、1-3和1-4可将公式1-5与1-6推导为：

Δ $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\η}}^{\text{'}}={\mathrm{\η}}_1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}(1+\mathrm{\Δx})}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}(1+\mathrm{\Δx})+1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\η}}^{\text{'}\text{'}}=\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}$

$=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}}{\sqrt{{2\mathrm{\η}}_{{\mathrm{real}}^2}-{2\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}+1+{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}})(1+\mathrm{\Δx}+\frac{1}{1+\mathrm{\Δx}})}}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{real}}$

附图3、附图4、附图5分别是η_real分别为0.1、0.3和0.5时，Δη与Δx的关系曲线图（Δx取值范围在0-5%之间）。由附图可知：采用能量计探头交替测试可有效提高测试精度，与不进行交替测试的结果相比较，衍射效率的测试精度提高了约10³-10⁴倍。

格兰棱镜3的消光比优于10000:1，光谱范围大于350nm-2300nm，通过旋转调整夹器并微调入射线偏振光相位，改变入射至AOTF51的线偏振光的偏振态，从而切换±1级衍射光，满足±1级衍射光的测试需求。

本发明的优点在于：

1）基于AOTF晶体特性，利用驱动后待测晶体产生的0级光和衍射光实现自参考，并结合能量计探头交替测试的方法来有效消除光源及探测器不稳定对测量精度的影响，大幅度的提高了测试精度。

2）采用宽谱段格兰棱镜，通过旋转调整夹器切换并微调入射线偏振光相位，不仅简化了光路和操作，同时适应了±1级衍射性能测试需求并降低偏振基矢偏差对测试精度的影响。

附图说明：

图1AOTF分光示意图。

图2可调谐激光器法AOTF衍射性能测试系统示意图。

图3lgΔη-Δx关系曲线图（η_real=0.1）。

图4lgΔη-Δx关系曲线图（η_real=0.3）。

图5lgΔη-Δx关系曲线图（η_real=0.5）。

图6自参考声光可调谐滤光器高精度衍射性能测试装置示意图

具体实施方式：

下面是根据图6给出的本发明的一个较好的实施例，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。

自参考声光可调谐滤光器衍生性能测试装置包括以下几个部分：

(1)波长可调谐激光器1：本实施方法中选用EKSPLA NT342/1/UV波长可调谐激光器作为光源，该激光器可产生210nm-2300nm连续可调谐激光光束。

(2)中性密度滤光片2：本实施方案选用Spiricon中性密度滤光片。

(3)格兰棱镜3：本实施方案中采用Thorlabs公司的GL15Glan-Laser CalcitePolarizers，消光比优于10000:1，光谱范围大于350nm-2300nm，实现宽谱段测试。

(4)二维电动转台4：本实施方案中采用联谊148*142二维电动转台。调节范围360°，电机的传动比1:360，标尺最小读数0.1°，电机整步运行分辨率0.005°。

(5)能量计探头61、62：本实施方案中:选用美国Coherent公司EPM1000能量计探头，探头分别选用J4-09和J45LP-MB。

实施方案选用中电26所研制的短波红外AOTF51作为待测晶体，并取用其配套射频驱动器52作为AOTF组件，短波红外AOTF波长范围900-2300nm。测试方法包含以下步骤：

1选定波长可调谐激光器1的输出波长，调整二维电动转台4，激光光束依次经过中性密度滤光片、格兰棱镜后垂直入射AOTF51；

2射频驱动器52对AOTF51施加一定的射频驱动，由第一能量计探头61接收0级光能量，第二能量计探头62接收衍射光能量；

3维持驱动频率不变，调换两个能量计探头位置，由第一能量计探头61接收衍射光能量，第二能量计探头62接收0级光能量；

4由上述计算衍射效率的公式（1‐1）计算AOTF的衍射效率；

5对AOTF的±1级中的某一级（如+1级）完成测试后，通过旋转调整格兰棱镜夹器并微调入射线偏振光相位，从而改变入射至AOTF51的线偏振光的偏振态，使衍射光切换至另一级（如‐1级），重复步骤1‐4，完成对另一级衍射光（如‐1级）的测试。

本测试方法简单，光路简便，可操作性强，有效降低激光光源能量波动和能量计探头响应不一致造成的影响，提高测试精度，并可以在不改变光路情况下快速实现±1级衍射光的高精度测试，是较为理想的声光可调谐滤光器高精度衍射性能测试装置。

Claims (3)

1.一种自参考声光可调谐滤光器衍射性能测试装置，它包括波长可调谐激光器（1）、中性密度滤光片（2）、格兰棱镜（3）、二维电动转台（4）、能量计探头（61、62），其特征在于：所述的波长可调谐激光器（1）发出的激光光束依次通过中性密度滤光片（2）和格兰棱镜（3）后形成单波长线偏振光，通过调整二维转动平台（4）光束垂直入射到AOTF（51），由射频驱动器（52）对AOTF（51）施加射频驱动后，由第一能量计探头（61）接收0级光，第二能量计探头（62）接收驱动后产生的衍射光，然后交替由第一能量计探头（61）接收驱动后产生的衍射光，第二能量计探头（62）接收0级光完成测试。

2.一种基于权利要求1所述装置的自参考声光可调谐滤光器衍射性能测试方法，其特征在于包含以下步骤：

1）.调整波长可调谐激光器的波长，对AOTF（51）施加一定射频驱动，第一能量计探头（61）接收到的0级光能量为E₀，第二能量计探头（62）接收到的衍射光能量为E1；

2）.互换两个能量计探头位置，对AOTF（51）保持原射频驱动不变，第二能量计探头（62）接收到的0级光能量为E₀'，第一能量计探头（61）接收到的衍射光能量为E₁'；

3）.按如下公式（1）计算AOTF的衍射效率：

$\mathrm{\η}=\sqrt{\frac{E_1{E}_1^{\′}}{(E_0+E_1)(E_0^{\′}+E_1^{\′})}}.---\left(1\right)$

3.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1所述装置的自参考声光可调谐滤光器衍射性能测试方法，其特征在于：所述的自参考声光可调谐滤光器衍射性能测试方法通过旋转格兰棱镜（3）改变入射到AOTF（51）光的偏振状态，实现±1级衍射光的切换及快速测试；通过旋转夹器微调入射线偏振光相位，使其与晶体o光或e光的基矢一致，降低偏振基矢偏差来提高测试精度。