CN108681112A - 大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统及其方法，系统包括依次设置的光源、光束准直系统、偏振分束器、声光滤波系统、光谱探测系统以及计算机控制与分析系统，其还包括光反馈系统和相位延迟系统，计算机控制与分析系统分别连接声光滤波系统和相位延迟系统，光源的光束依次通过光束准直系统和偏振分束器到达声光滤波系统，由声光滤波系统进行第一声光滤波，声光滤波系统输出的第一次声光滤波的光束依次通过光反馈系统、相位延迟系统再次进入偏振分束器，由偏振分束器输出至声光滤波系统进行第二次声光滤波后到达光谱探测系统，在计算机控制与分析系统的控制下进行光谱信息的采集、分析和存储。本发明利用一个声光滤波器可以实现两次声光滤波，结构简单，系统造价低，控制方便。

Description

大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统及其方法

技术领域

本发明涉及光学滤波领域，尤其涉及大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统及其方法。

背景技术

声光可调滤波技术在可调激光技术领域、光谱分析领域以及空间光学等领域有着广泛的应用。声光滤波器的种类主要包括：基于声光晶体的开放空间声光可调滤波器以及利用光纤技术的全光纤声光可调滤波器，其中，基于声光晶体的开放空间声光可调滤波器，因其具有通光范围宽、透射率高、通光孔径大以及滤波带宽窄等优势，相比全光纤声光可调滤波器应用更为广泛。在基于声光晶体的开放空间声光可调滤波器中，基于二氧化碲声光晶体的声光可调滤波器具有优良的声光性能，在可见光至近红外区域通光性能良好，可以在共线以及非共线两种模式下进行声光滤波，是声光滤波领域应用最为广泛的声光滤波器之一。

角孔径是声光滤波器重要性能参数之一，角孔径决定声光滤波器对信号光的收集能力，角孔径越大声光滤波器的集光能力越强，因此提高声光滤波器的角孔径十分关键。

带宽是声光滤波器的又一重要性能参数，声光滤波器的带宽越窄，其光谱分辨率越高，声光滤波器对精细光谱的识别能力越强。为了降低声光滤波器的带宽，提高声光滤波器的光谱分辨率，论文《Efficient double-filtering with a single acousto-optictunable filter》提出了利用一个声光滤波器对信号光进行两次声光滤波的方法。该方法利用单一声光滤波器可以对信号光进行两次声光滤波，可以有效降低滤波信号的带宽，提升光谱分辨率。但是，由于在两次声光滤波过程中，入射光的偏振态不同，两次声光滤波过程的角孔径在空间不重合，导致两次声光滤波过程总的角孔径明显减小，使声光滤波器对信号光的收集能力显著下降。为了克服利用单一声光滤波器对信号光进行两次滤波方法中总的角孔径减小的问题，论文《Spectral resolution enhancement of acousto-optictunable filter by double-filtering》以及专利（基于双晶体滤波的带通可调声光滤波成像装置）中提出了利用两个声光滤波器进行两次声光滤波方法。该方法利用前后放置的两个声光滤波器对信号光进行两次声光滤波，可以有效降低声光滤波信号的带宽，提升光谱分辨率。同时，通过对两个声光滤波器的独立设计和控制，使两次声光滤波过程中的角孔径在空间重合，保证了两次声光滤波总的角孔径不下降，在提升声光滤波器光谱分辨率的同时，其集光能力不受影响。但是，利用前后放置的两个声光滤波器进行两次声光滤波，需要制作两个声光滤波器，其装置成本高。另外，为了保证两次声光滤波过程中的角孔径在空间重合，要利用两个射频源对两个声光滤波器进行分别控制，操作复杂。因此，如何能发明一种装置简单、构建成本低的声光滤波系统，在提升光谱分辨率的同时，获得大的角孔径，是声光滤波领域关心的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统及其方法，使两次声光滤波过程的角孔径空间重合，两次声光滤波过程总的角孔径不降低，实现大角孔径，同时提升声光滤波器的光谱分辨率。本发明利用一个声光滤波器可以实现两次声光滤波，结构简单，系统造价低，控制方便。

本发明采用的技术方案是：

大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其包括依次设置的光源、光束准直系统、偏振分束器、声光滤波系统、光谱探测系统以及计算机控制与分析系统，其还包括光反馈系统和相位延迟系统，计算机控制与分析系统分别连接声光滤波系统和相位延迟系统，光源的光束依次通过光束准直系统和偏振分束器到达声光滤波系统，由声光滤波系统进行第一声光滤波，声光滤波系统输出的第一次声光滤波的光束依次通过光反馈系统、相位延迟系统再次进入偏振分束器，由偏振分束器输出至声光滤波系统进行第二次声光滤波后到达光谱探测系统，在计算机控制与分析系统的控制下进行光谱信息的采集、分析和存储。

所述的光源为卤素灯，在可见光至近红外范围内输出连续谱。

所述的光束准直系统包括消色差的双胶合凸透镜组、双胶合凹透镜组以及偏振片，来自光源的光束经消色差的双胶合凸透镜组、双胶合凹透镜组后形成平行光束，平行光束经偏振片后变为线偏振光，线偏振光进入偏振分束器。

所述的偏振分束器为宽带偏振立方分光镜，在可见光范围内将随机偏振的入射光束分成偏振方向互相垂直的s偏振光束和p偏振光束，s偏振光束将被偏转90度，p偏振光束沿原入射方向传输。

所述的声光滤波系统包括声光滤波器、射频源以及挡光板，声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，挡光板位于声光滤波器的后端，并接收经滤波器输出的非滤波光束。

所述的光反馈系统包括3块铝膜宽带平面反射镜，来自声光滤波系统的第一次声光滤波光束依次经过3块铝膜宽带平面反射镜，传输方向偏折约270度后进入相位延迟系统。

所述的相位延迟系统包括透射式液晶光相位调制器以及驱动电源，来自光反馈系统的第一次声光滤波光束经透射式液晶光相位调制器后，偏振方向旋转90度后进入偏振分束器。

所述的光谱探测系统为光纤光栅光谱仪，光纤光栅光谱仪包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm，光纤探头用来接收来自声光滤波系统的第二次声光滤波光束并将其送入分光光栅进行分光， CCD阵列接收分光并测量第二次声光滤波光束中不同波长信号光的强度，光的强度数据送入计算机控制与分析系统。

所述的计算机控制与分析系统采用PC机，PC机通过USB连接线分别与射频源、透射式液晶光相位调制器以及光谱探测系统连接，PC机内置射频源控制用软件、透射式液晶光相位调制器控制用软件、光谱探测系统控制用软件，以及数据分析软件，PC机利用射频源控制软件、透射式液晶光相位调制器控制用软件、光谱探测系统控制用软件分别对射频源、透射式液晶光相位调制器、光谱探测系统进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱探测系统的光谱数据并通过数据分析软件完成光谱数据的分析以及存储。

本发明还公开了大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波方法，其包括以下步骤：

步骤201：系统开，初始化声光滤波系统、相位延迟系统、光谱探测系统，以及计算机分析与控制系统；

步骤202：根据光源发光情况对光束准直系统进行参数调整，对来自光源的光束的缩束和准直，保证经偏振片输出的线偏振光束经偏振分束器后沿入射方向全部透射；

步骤203：设置声光滤波系统中射频源输出射频信号的频率和功率，对来自偏振分束器的线偏振光束进行第一次声光滤波；

步骤204：设置光反馈系统参数，利用光反馈系统将第一次声光滤波光束传输方向偏折270度，反馈至透射式液晶光相位调制器，调整液晶光相位调制器的参数，将确定波长入射光的偏振方向旋90度，并送入偏振分束器；

步骤205：经偏振分束器偏折后的第一次声光滤波光束，以与第一次声光滤波过程中，来自偏振分束器的线偏振光相同的入射角进入声光滤波器进行第二次声光滤波，同时，确保第一次声光滤波过程中，来自偏振分束器的线偏振光与第二次声光滤波过程中，来自偏振分束器的第一次声光滤波光束在空间不重合；

步骤206：光谱探测系统接收经声光滤波器输出的第二次声光滤波光束，调节光谱探测系统中光纤探头的位置，对第二次声光滤波光束进行准确接收，调整光谱探测系统中CCD的增益，完成第二次声光滤波光束光谱的最佳测量；

步骤207：利用计算机控制与分析系统对测量的光谱数据进行分析处理，调整声光滤波系统中射频源输出信号的频率，实现第二次声光滤波光束中心波长的连续调谐；

步骤208：对获得的声光滤波光谱结果进行存储，系统关闭，结束具有大角孔径的窄带声光滤波过程。

本发明采用以上技术方案，利用光反馈系统以及透射式液晶光相位调制器，将经声光滤波器输出的第一次声光滤波光束偏振方向旋转90度后，以与第一声光滤波过程中来自偏振分束器的线偏振光相同的入射角，进入声光滤波器进行第二次声光滤波。这样，两次声光滤波过程声光滤波器入射光的偏振方向相同，入射角也相同，因此，两次声光滤波过程的角孔径在空间完全重合，保证了两次声光滤波过程大角孔径的实现。该方法滤波稳定性好，角孔径大，光谱分辨率高，装置成本低，操控简单，适合多种应用场合。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统的结构示意图；

图2为本发明大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波方法的原理流程示意图。

具体实施方式

如图1或2所示，本发明公开了大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其包括依次设置的光源101、光束准直系统102、偏振分束器103、声光滤波系统104、光谱探测系统107以及计算机控制与分析系统108，其还包括光反馈系统105和相位延迟系统106，计算机控制与分析系统108分别连接声光滤波系统104和相位延迟系统106，光源101的光束依次通过光束准直系统102和偏振分束器103到达声光滤波系统104，由声光滤波系统104进行第一次声光滤波，声光滤波系统104输出的第一声光滤波光束依次通过光反馈系统105和相位延迟系统106再次进入通过入偏振分束器103，并由偏振分束器103输出至声光滤波系统104进行第二次声光滤波后到达光谱探测系统107，在计算机控制与分析系统108的控制下进行光谱信息的采集、分析和存储。

所述的光源101为卤素灯，在可见光至近红外范围内输出连续谱。

所述的光束准直系统102包括消色差的双胶合凸透镜组、双胶合凹透镜组以及偏振片，来自光源101的光束经消色差的双胶合凸透镜组、双胶合凹透镜组后形成平行光束，平行光束经偏振片后变为线偏振光，线偏振光进入偏振分束器103。

所述的偏振分束器103为宽带偏振立方分光镜，在可见光范围内将随机偏振的入射光束分成偏振方向互相垂直的s偏振光束和p偏振光束，s偏振光束将被偏转90度，p偏振光束沿原入射方向传输。

所述的声光滤波系统104包括声光滤波器、射频源以及挡光板，声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，挡光板位于声光滤波器的后端，并接收经滤波器输出的非滤波光束。

所述的光反馈系统105包括3块铝膜宽带平面反射镜，来自声光滤波系统104的第一次声光滤波光束依次经过3块铝膜宽带平面反射镜，传输方向偏折约270度后进入相位延迟系统106。

所述的相位延迟系统106包括透射式液晶光相位调制器以及驱动电源，来自光反馈系统105的第一次声光滤波光束经透射式液晶光相位调制器后，偏振方向旋转90度后进入偏振分束器103。

所述的光谱探测系统107为光纤光栅光谱仪，光纤光栅光谱仪包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm，光纤探头用来接收来自声光滤波系统104的第二次声光滤波光束并将其送入分光光栅进行分光， CCD阵列接收分光并测量第二次声光滤波光束中不同波长信号光的强度，光的强度数据送入计算机控制与分析系统108。

所述的计算机控制与分析系统108采用PC机，PC机通过USB连接线分别与射频源、透射式液晶光相位调制器以及光谱探测系统107连接，PC机内置射频源控制用软件、透射式液晶光相位调制器控制用软件、光谱探测系统107控制用软件，以及数据分析软件，PC机利用射频源控制软件、透射式液晶光相位调制器控制用软件、光谱探测系统107控制用软件分别对射频源、透射式液晶光相位调制器、光谱探测系统107进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱探测系统107的光谱数据并通过数据分析软件完成光谱数据的分析以及存储。

本发明还公开了大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波方法，其包括以下步骤：

步骤201：系统开，初始化声光滤波系统104、相位延迟系统106、光谱探测系统107，以及计算机分析与控制系统；

步骤202：根据光源101发光情况对光束准直系统102进行参数调整，对来自光源101的光束的缩束和准直，保证经偏振片输出的线偏振光束经偏振分束器103后沿入射方向全部透射；

步骤203：设置声光滤波系统104中射频源输出射频信号的频率和功率，对来自偏振分束器103的线偏振光束进行第一次声光滤波；

步骤204：设置光反馈系统105参数，利用光反馈系统105将第一次声光滤波光束传输方向偏折270度，反馈至透射式液晶光相位调制器，调整透射式液晶光相位调制器的参数，将确定波长入射光的偏振方向旋90度，并送入偏振分束器103；

步骤205：经偏振分束器103偏折后的第一次声光滤波光束，以与第一声光滤波过程中，来自偏振分束器103的线偏振光相同的入射角进入声光滤波器进行第二次声光滤波，同时，确保第一次声光滤波过程中，来自偏振分束器103的线偏振光与第二次声光滤波过程中，来自偏振分束器103的第一次声光滤波光束在空间不重合；

步骤206：光谱探测系统107接收经声光滤波器输出的第二次声光滤波光束，调节光谱探测系统107中光纤探头的位置，对第二次滤波光束进行准确接收，调整光谱探测系统107中CCD的增益，完成第二次声光滤波光束光谱的最佳测量；

步骤207：利用计算机控制与分析系统108对测量的光谱数据进行分析处理，调整声光滤波系统104中射频源输出信号的频率，实现第二次声光滤波光束中心波长的连续调谐；

步骤208：对获得的声光滤波光谱结果进行存储，系统关闭，结束具有大角孔径的窄带声光滤波过程。

具体的单一声光滤波器二次同向声光滤波方法上，基于上述的硬件设备以及控制软件，通过以下方式实现：由光束准直系统102接收来自光源101的光束，对其进行缩束和准直，并利用偏振片将其转化为线偏振光；来自光束准直系统102的线偏振光进入偏振分束器103进行偏振分束，调整光束准直系统102中偏振片的偏振方向，保证来自光束准直系统102的线偏振光经偏振分束器103后沿入射方向全部透射，进入声光滤波器；声光滤波器接收来自偏振分束器103的线偏振光，进行第一次声光滤波，第一次声光滤波中线偏振光进入声光滤波器的入射角为α，由于声光作用，第一次声光滤波光束的偏振方向旋转90度，经声光滤波器出射后进入光反馈系统105；光反馈系统105接收来自声光滤波器的第一次声光滤波光束，将其传输方向偏折约270度，进入透射式液晶光相位调制器；透射式液晶光相位调制器接收来自光反馈系统105的第一次声光滤波光束，将其偏振方向旋转90度后送入偏振分束器103，此时，经透射式液晶光相位调制器输出的第一次声光滤波光束的偏振方向与来自偏振分束器103的线偏振光具有相同的偏振方向；偏振分束器103接收来自透射式液晶光相位调制器的第一次声光滤波光束，将其传输方向偏折后，进入声光滤波器进行第二次声光滤波；调整光反馈系统105中第三块铝膜宽带平面反射镜的位置和角度，保证第一声光滤波光束经偏振分束器103偏折后，进入声光滤波器进行第二次声光滤波的入射角为α，与第一次声光滤波过程中来自偏振分束器103的线偏振光进入声光滤波器的入射角相同。同时使第一次声光滤波过程中，来自偏振分束器103的线偏振光与第二次声光滤波过程中，来自偏振分束器103的第一次声光滤波光束在空间不重合，保证经声光滤波器后二者可以空间分离，保证第二次声光滤波光束经声光滤波器输出后进入光谱探测系统107；光谱探测系统107接收来自声光滤波器的第二次声光滤波光束，探测其光谱信息；计算机控制与分析系统108接收来自光谱探测系统107的光谱信息对其进行分析，并相应调整射频源以及光谱探测系统107的参数，保证最佳光谱探测，最后对光谱数据进行存储，完成具有大角孔的单一声光滤波器二次同向声光滤波过程。

本发明采用以上技术方案，利用光反馈系统以及透射式液晶光相位调制器，将经声光滤波器输出的第一次声光滤波光束偏振方向旋转90度后，以与第一声光滤波过程中来自偏振分束器的线偏振光相同的入射角，进入声光滤波器进行第二次声光滤波。这样，两次声光滤波过程声光滤波器入射光的偏振方向相同，入射角也相同，因此，两次声光滤波过程的角孔径在空间完全重合，保证了两次声光滤波过程大角孔径的实现。该方法滤波稳定性好，角孔径大，光谱分辨率高，装置成本低，操控简单，适合多种应用场合。

Claims (10)

1.大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：其包括依次设置的光源、光束准直系统、偏振分束器、声光滤波系统、光谱探测系统以及计算机控制与分析系统，其还包括光反馈系统和相位延迟系统，计算机控制与分析系统分别连接声光滤波系统和相位延迟系统，光源的光束依次通过光束准直系统和偏振分束器到达声光滤波系统，由声光滤波系统进行第一声光滤波，声光滤波系统输出的第一次声光滤波的光束依次通过光反馈系统、相位延迟系统再次进入偏振分束器，由偏振分束器输出至声光滤波系统进行第二次声光滤波后到达光谱探测系统，在计算机控制与分析系统的控制下进行光谱信息的采集、分析和存储。

2.根据权利要求1所述的大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：所述的光源为卤素灯，在可见光至近红外范围内输出连续谱。

3.根据权利要求1所述的大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：所述的光束准直系统包括消色差的双胶合凸透镜组、双胶合凹透镜组以及偏振片，来自光源的光束经消色差的双胶合凸透镜组、双胶合凹透镜组后形成平行光束，平行光束经偏振片后变为线偏振光，线偏振光进入偏振分束器。

4.根据权利要求1所述的大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：所述的偏振分束器为宽带偏振立方分光镜，在可见光范围内将随机偏振的入射光束分成偏振方向互相垂直的s偏振光束和p偏振光束，s偏振光束将被偏转90度，p偏振光束沿原入射方向传输。

5.根据权利要求1所述的大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：所述的声光滤波系统包括声光滤波器、射频源以及挡光板，声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，挡光板位于声光滤波器的后端，并接收经滤波器输出的非滤波光束。

6.根据权利要求1所述的大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：所述的光反馈系统包括3块铝膜宽带平面反射镜，来自声光滤波系统的第一次声光滤波光束依次经过3块铝膜宽带平面反射镜，传输方向偏折约270度后进入相位延迟系统。

7.根据权利要求1所述的大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：所述的相位延迟系统包括透射式液晶光相位调制器以及驱动电源，来自光反馈系统的第一次声光滤波光束经透射式液晶光相位调制器后，偏振方向旋转90度后进入偏振分束器。

8. 根据权利要求1所述的大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：所述的光谱探测系统为光纤光栅光谱仪，光纤光栅光谱仪包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm，光纤探头用来接收来自声光滤波系统的第二次声光滤波光束并将其送入分光光栅进行分光， CCD阵列接收分光并测量第二次声光滤波光束中不同波长信号光的强度，光的强度数据送入计算机控制与分析系统。

9.根据权利要求1所述的大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波系统，其特征在于：所述的计算机控制与分析系统采用PC机，PC机通过USB连接线分别连接声光滤波系统的射频源、相位延迟系统的透射式液晶光相位调制器以及光谱探测系统，PC机内置射频源控制用软件、透射式液晶光相位调制器控制用软件、光谱探测系统控制用软件，以及数据分析软件，PC机利用射频源控制软件、透射式液晶光相位调制器控制用软件、光谱探测系统控制用软件分别对射频源、透射式液晶光相位调制器、光谱探测系统进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱探测系统的光谱数据并通过数据分析软件完成光谱数据的分析以及存储。

10.大角孔径单一声光滤波器二次同向声光滤波方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤201：系统开，初始化声光滤波系统、相位延迟系统、光谱探测系统以及计算机分析与控制系统；

步骤202：根据光源发光情况对光束准直系统进行参数调整，对来自光源的光束的缩束和准直，保证光束准直系统输出的线偏振光束经偏振分束器后沿入射方向全部透射；

步骤203：设置声光滤波系统中射频源输出射频信号的频率和功率，声光滤波系统对来自偏振分束器的线偏振光束进行第一次声光滤波；

步骤204：设置光反馈系统参数，利用光反馈系统将第一次声光滤波光束传输方向偏折270度，反馈至相位延迟系统的透射式液晶光相位调制器，调整透射式液晶光相位调制器的参数，将确定波长入射光的偏振方向旋90度，并送入偏振分束器；

步骤205：经偏振分束器偏折后的第一次声光滤波光束，以与第一次声光滤波过程中来自偏振分束器的线偏振光相同的入射角进入声光滤波系统的声光滤波器进行第二次声光滤波，并确保第一次声光滤波过程中来自偏振分束器的线偏振光与第二次声光滤波过程中来自偏振分束器的第一次声光滤波光束在空间不重合；

步骤206：光谱探测系统接收经声光滤波器输出的第二次声光滤波光束，调节光谱探测系统的光纤探头的位置并对第二次声光滤波光束进行准确接收，调整光谱探测系统的CCD阵列增益，完成第二次声光滤波光束光谱的最佳测量；

步骤207：利用计算机控制与分析系统对测量的光谱数据进行分析处理，调整声光滤波系统中射频源输出信号的频率，对第二次声光滤波光束中心波长连续调谐；

步骤208：对获得的声光滤波光谱结果进行存储，系统关闭，结束具有大角孔径的窄带声光滤波过程。