CN109029729B - 一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置及方法，其包括射频源、计算机以及依次连接的宽带光源、光束准直器、第一声光滤波组件、第二声光滤波组件和光谱探测仪；计算机分别连接第一声光滤波组件、第二声光滤波组件、射频源和光谱探测仪，射频源分别连接第一声光滤波组件和第二声光滤波组件；光束准直器将宽带光源的光汇聚并准直后形成平行光束，第一声光滤波组件对平行光束进行第一次声光滤波，第二声光滤波组件对第一次声光滤波的光束进行第二次声光滤波，第二次声光滤波的光束输出至光谱探测仪，光谱探测仪采集光谱信息输出至计算机。本发明通过一个射频源可以同时控制两个声光滤波组件，实现二次声光滤波，提高光谱分辨率。

Description

一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置及 方法

技术领域

本发明涉及声光滤波领域，尤其涉及一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置及方法。

背景技术

声光滤波组件是一种广泛应用于光学领域的滤波器件。其工作原理是：射频信号通过换能器在声光晶体内产生超声波，超声波在声光晶体内传输过程中，对声光晶体产生周期性调制。当宽带信号光经过受到超声波调制的声光晶体时，将与超声波相互作用，满足动量匹配条件时，宽带信号光中确定波长的信号光将被衍射，实现窄带滤波。并且，滤波信号光波长与声光晶体所加载的射频信号频率一一对应，调节射频信号的频率即可实现滤波信号光波长的快速调谐。利用TeO2晶体为声光材料制作的声光滤波组件，因其具有通光孔径大，声光作用衍射效率高等诸多有点，得到了广泛的应用。光谱分辨率是声光滤波组件的关键技术指标之一，光谱分辨率越高，对精细光谱的识别本领越强，在超光谱成像以及光谱分析等领域有着十分重要的意义。以TeO2晶体为声光材料制作的声光滤波组件，虽然具有上述诸多优点，但是其光谱分辨率有限，一般为几个纳米。因此，如何进一步提升其光谱分辨率是声光滤波领域关心的问题。为此，论文《二次滤波提高声光可调谐滤波器光谱分辨率研究》和实用新型专利（基于双晶体滤波的带宽可调声光滤波成像技术和装置）提出了基于两个级联声光滤波组件的窄带声光可调滤波器技术。该技术利用两套声光滤波系统，进行级联的两次声光滤波，每一套声光滤波系统都包含独立的声光滤波组件和射频信号源。在二次声光滤波过程中，通过分别控制两个声光滤波组件所加载的射频信号频率，使两次声光滤波的带通具有重叠区，实现窄带的声光滤波，提高声光滤波组件的光谱分辨率。

基于反常声光作用原理，经声光滤波后，衍射光的偏振方向将发生改变。也就是说，如果入射光为水平偏振，衍射光则为竖直偏振；如果入射光为竖直偏振，衍射光则为水平偏振。因此，级联的两次声光滤波过程，入射光的偏振态不同，导致两次声光滤波的声光作用过程也不同。一般情况下，为了保证两次声光滤波的带通具有重叠区，两个声光滤波组件加载的射频信号频率不同。这意味着无法利用一个射频源同时控制两个声光滤波组件。因此，在实际二次声光滤波过程中，需要对两个射频源进行独立的调节，以便控制两个射频信号的频率差，实现二次声光滤波，操作复杂，影响声光滤波的效率。另外，两个射频源的使用增加了装置的成本，限制该装置和方法的广泛应用。如果能发明只需要一个射频源的二次声光滤波装置和方法，在降低装置成本的同时，提升声光滤波的效率，将有助于声光滤波技术的进一步推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置，其包括射频源、计算机以及依次连接的宽带光源、光束准直器、第一声光滤波组件、第二声光滤波组件和光谱探测仪；计算机分别连接第一声光滤波组件、第二声光滤波组件、射频源和光谱探测仪，射频源分别连接第一声光滤波组件和第二声光滤波组件；宽带光源输出连续谱的光源，光束准直器将连续谱的光源汇聚并准直后形成平行光束，第一声光滤波组件用于对平行光束进行第一次声光滤波，第二声光滤波组件用于对经第一次声光滤波的光束进行第二次声光滤波，第二次声光滤波光束输出至光谱探测仪，光谱探测仪采集光谱信息输出至计算机，计算机控制射频源输出设定频率射频信号分别至第一声光滤波组件和第二声光滤波组件，计算机控制第一声光滤波组件和第二声光滤波组件的入射光角度；来自宽带光源的光束依次通过光束准直器、第一声光滤波组件、第二声光滤波组件到达光谱探测仪，在计算机的控制下进行光谱信息的采集、分析和存储，形成完整的光路连接。

所述的第一声光滤波组件包括第一声光滤波器、第一角度调节转台以及第一挡光板，第一声光滤波器固定在第一角度调节转台的上表面，第一挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经第一声光滤波器输出的非滤波光束以及两束滤波光束中偏振方向为竖直偏振的一束；

所述的第二声光滤波组件包括第二声光滤波器、第二角度调节转台以及第二挡光板，第二声光滤波器固定在第二角度调节转台的上表面，第二挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经第二声光滤波器输出的非滤波光束，第二声光滤波器输出的二次声光滤波光束进入光谱探测仪。

进一步地，所述的宽带光源为卤素灯，宽带光源在可见光至近红外范围内输出连续谱。

进一步地，所述的光束准直器包括消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜组，宽带光源的光束经光束准直器汇聚并准直后形成平行光束，进入第一声光滤波组件进行第一次声光滤波。

进一步地，第一角度调节转台为电动马达驱动，第一角度调节转台通过USB连接线与计算机连接，第一角度调节转台的角度最小分辨率为5分，第一角度调节转台的下表面连接支架，方便将第一角度调节转台固定，通过调节第一角度调节转台的旋转角度，可精确控制第一声光滤波器相对来自光束准直器平行光束的角度，保证来自光束准直器平行光束以最佳入射光极角进入第一声光滤波器。

进一步地，第二角度调节转台为电动马达驱动，第二角度调节转台通过USB连接线与计算机连接，第二角度调节转台的角度最小分辨率为5分，第二角度调节转台的下表面连接支架，方便将第二角度调节转台固定，通过调节第二角度调节转台的旋转角度，可精确控制第二声光滤波器相对来自第一声光滤波器水平偏振光束的角度，保证来自第一声光滤波器的水平偏振光束以最佳入射光极角进入第二声光滤波器。

进一步地，所述的射频源输出射频信号的频率范围为60-200MHz，输出功率为0-5W，射频源通过射频线分别与第一声光滤波组件和第二声光滤波组件连接。

进一步地，所述的光谱探测仪为光纤光栅光谱仪，光谱探测仪包含光纤探头、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第二声光滤波组件的偏振方向为竖直偏振的二次声光滤波光束，并送入分光光栅进行分光，CCD阵列接收分光并测量二次声光滤波光束中不同波长信号光的强度，并将光的强度数据送入后续的计算机。

进一步地，所述的计算机采用PC机，PC机通过USB连接线分别与射频源以及光谱探测仪连接，PC机通过串口与第一角度调节转台和第二角度调节转台连接，PC机内置射频源控制用软件、光谱探测仪控制用软件、第一角度调节转台和第二角度调节转台控制用软件以及数据分析软件，PC机利用射频源控制软件、光谱探测仪控制用软件以及第一角度调节转台和第二角度调节转台控制用软件分别对射频源、光谱探测仪以及第一角度调节转台和第二角度调节转台进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱探测仪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。

进一步地，本发明还公开了一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其包括以下步骤：

步骤201：开启系统，初始化光谱探测仪、第一声光滤波组件、第二声光滤波组件以及计算机；

步骤202：根据宽带光源的位置以及发光强度，对光束准直器进行参数调节和设置，对来自宽带光源的光束进行缩束和准直；

步骤203：在计算机的控制下驱动单射频源进行二次声光滤波；

具体包括以下步骤：

步骤203-1：利用声光作用关系，计算并确定第一次声光滤波的竖直偏振光最佳入射光极角α，以及第二次声光滤波的水平偏振光最佳入射光极角β，分别调节第一角度调节转台和第二角度调节转台的转角，使第一次声光滤波过程的入射光极角为α，第二次声光滤波过程的入射光极角为β，使两次声光滤波的带通重叠，确保实现二次声光滤波；

步骤203-2：调整第一挡光板的位置，对经第一声光滤波器输出的非衍射光和两束衍射光中偏振方向为竖直偏振的一束进行收集；调整第二挡光板的位置，对经第二声光滤波器输出的非衍射光进行收集；

步骤203-3：调节光谱探测仪中光纤探头的位置，对来自第二声光滤波器的二次声光滤波光束进行准确接收，调整光谱探测仪中CCD的增益，完成二次声光滤波光束光谱的最佳探测；

步骤204：利用计算机对测量的光谱数据进行分析处理，根据获得的光谱参数调整射频源输出射频信号的频率及功率参数，重新进行单射频源驱动的第一声光滤波组件和第二声光滤波组件的二次声光滤波；

步骤205：对获得的二次声光滤波光谱结果进行存储，系统关闭。

本发明采用以上技术方案，该装置与传统二次声光滤波装置的区别在于，本装置及方法中，只需要一个射频源即可同时控制两个声光滤波组件，并保证两次声光滤波的带通重叠，实现二次声光滤波，提升声光滤波光谱分辨率。为了保证两次声光滤波带通的重叠，利用声光作用关系，在确定的射频信号频率下，可以分别计算出，经第一声光滤波组件输出的水平偏振光波长与入射光极角关系，以及经第二声光滤波组件输出的竖直偏振光波长与入射光极角关系。确定两次声光滤波带通重叠时，第一次声光滤波的入射光极角和第二次声光滤波的入射光极角最佳值。进一步的，完成两个声光滤波组件的制作，确保两次声光滤波过程中，信号光以最佳入射光极角垂直于声光晶体表面入射到两个声光滤波组件的声光晶体中。利用角度调节转台，控制两个声光滤波组件的角度，保证两次声光滤波过程信号光都垂直于声光晶体表面入射到声光晶体中。该装置只需一个射频源，即可同时控制两个声光滤波组件，实现二次声光滤波，二次声光滤波的光谱分辨率高，装置简单，成本低，控制方便。

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为本发明一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置的结构示意图；

图2为本发明一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1或图2所示，本发明公开了一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置，其包括射频源105、计算机107以及依次连接的宽带光源101、光束准直器102、第一声光滤波组件103、第二声光滤波组件104和光谱探测仪106；计算机107分别连接第一声光滤波组件103、第二声光滤波组件104、射频源105和光谱探测仪106，射频源105分别连接第一声光滤波组件103和第二声光滤波组件104；

装置固定放置，声光滤波过程的光谱数据采集以及分析由计算机107完成。

来自宽带光源101的光束依次通过光束准直器102、第一声光滤波组件103、第二声光滤波组件104到达光谱探测仪106，在计算机107的控制下进行光谱信息的采集、分析和存储，形成完整的光路连接。

所述的宽带光源101为卤素灯，宽带光源101在可见光至近红外范围内输出连续谱。

所述的光束准直器102包括消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜组，宽带光源101的光束经光束准直器102汇聚并准直后形成平行光束，进入第一声光滤波组件103进行第一次声光滤波。

所述的第一声光滤波组件103包括第一声光滤波器、第一角度调节转台以及第一挡光板，第一声光滤波器固定在第一角度调节转台的上表面，第一挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经第一声光滤波器输出的非滤波光束以及两束滤波光束中偏振方向为竖直偏振的一束，防止影响后续的信号光谱接收。

第一角度调节转台为电动马达驱动，第一角度调节转台通过USB连接线与计算机107连接，第一角度调节转台的角度最小分辨率为5分，第一角度调节转台的下表面连接支架，方便将第一角度调节转台固定，通过调节第一角度调节转台的旋转角度，可精确控制第一声光滤波器相对来自光束准直器102平行光束的角度，保证来自光束准直器102平行光束以最佳入射光极角进入第一声光滤波器。

所述的第二声光滤波组件104包括第二声光滤波器、第二角度调节转台以及第二挡光板，第二声光滤波器固定在第二角度调节转台的上表面，第二挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经第二声光滤波器输出的非滤波光束，第二声光滤波器输出的二次声光滤波光束进入光谱探测仪106。

第二角度调节转台为电动马达驱动，第二角度调节转台通过USB连接线与计算机107连接，第二角度调节转台的角度最小分辨率为5分，第二角度调节转台的下表面连接支架，方便将第二角度调节转台固定，通过调节第二角度调节转台的旋转角度，可精确控制第二声光滤波器相对来自第一声光滤波器水平偏振光束的角度，保证来自第一声光滤波器的水平偏振光束以最佳入射光极角进入第二声光滤波器。

所述的射频源105输出射频信号的频率范围为60-200MHz，输出功率为0-5W，射频源105通过射频线分别与第一声光滤波组件103和第二声光滤波组件104连接。

所述的光谱探测仪106为光纤光栅光谱仪，光谱探测仪106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第二声光滤波组件104的偏振方向为竖直偏振的二次声光滤波光束，并送入分光光栅进行分光，CCD阵列接收分光并测量二次声光滤波光束中不同波长信号光的强度，并将光的强度数据送入后续的计算机107。

所述的计算机107采用PC机，PC机通过USB连接线分别与射频源105以及光谱探测仪106连接，PC机通过串口与第一角度调节转台和第二角度调节转台连接，PC机内置射频源105控制用软件、光谱探测仪106控制用软件、第一角度调节转台和第二角度调节转台控制用软件以及数据分析软件，PC机利用射频源105控制软件、光谱探测仪106控制用软件以及第一角度调节转台和第二角度调节转台控制用软件分别对射频源105、光谱探测仪106以及第一角度调节转台和第二角度调节转台进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱探测仪106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。

如图2所示，本发明还公开了一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其包括以下步骤：

步骤201：开启系统，初始化光谱探测仪106、第一声光滤波组件103、第二声光滤波组件104以及计算机107；

步骤202：根据宽带光源101的位置以及发光强度，对光束准直器102进行参数调节和设置，对来自宽带光源101的光束进行缩束和准直；

步骤203：在计算机107的控制下驱动单射频源105进行二次声光滤波；

具体包括以下步骤：

步骤203-1：利用声光作用关系，计算并确定第一次声光滤波的竖直偏振光最佳入射光极角α，以及第二次声光滤波的水平偏振光最佳入射光极角β，分别调节第一角度调节转台和第二角度调节转台的转角，使第一次声光滤波过程的入射光极角为α，第二次声光滤波过程的入射光极角为β，使两次声光滤波的带通重叠，确保实现二次声光滤波；

步骤203-2：调整第一挡光板的位置，对经第一声光滤波器输出的非衍射光和两束衍射光中偏振方向为竖直偏振的一束进行收集；调整第二挡光板的位置，对经第二声光滤波器输出的非衍射光进行收集；

步骤203-3：调节光谱探测仪106中光纤探头的位置，对来自第二声光滤波器的二次声光滤波光束进行准确接收，调整光谱探测仪106中CCD的增益，完成二次声光滤波光束光谱的最佳探测；

步骤204：利用计算机107对测量的光谱数据进行分析处理，根据获得的光谱参数调整射频源105输出射频信号的频率及功率参数，重新进行单射频源105驱动的第一声光滤波组件103和第二声光滤波组件104的二次声光滤波；

步骤205：对获得的二次声光滤波光谱结果进行存储，系统关闭。

本发明采用以上技术方案，该装置与传统二次声光滤波装置的区别在于，本装置及方法中，只需要一个射频源105即可同时控制两个声光滤波组件，并保证两次声光滤波的带通重叠，实现二次声光滤波，提升声光滤波光谱分辨率。为了保证两次声光滤波带通的重叠，利用声光作用关系，在确定的射频信号频率下，可以分别计算出，经第一声光滤波组件103输出的水平偏振光波长与入射光极角关系，以及经第二声光滤波组件104输出的竖直偏振光波长与入射光极角关系。确定两次声光滤波带通重叠时，第一次声光滤波的入射光极角和第二次声光滤波的入射光极角最佳值。进一步的，完成两个声光滤波组件的制作，确保两次声光滤波过程中，信号光以最佳入射光极角垂直于声光晶体表面入射到两个声光滤波组件的声光晶体中。利用角度调节转台，控制两个声光滤波组件的角度，保证两次声光滤波过程信号光都垂直于声光晶体表面入射到声光晶体中。该装置只需一个射频源105，即可同时控制两个声光滤波组件，实现二次声光滤波，二次声光滤波的光谱分辨率高，装置简单，成本低，控制方便。

Claims (8)

1.一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，采用一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置，装置包括射频源、计算机以及依次连接的宽带光源、光束准直器、第一声光滤波组件、第二声光滤波组件和光谱探测仪；计算机分别连接第一声光滤波组件、第二声光滤波组件、射频源和光谱探测仪，射频源分别连接第一声光滤波组件和第二声光滤波组件；宽带光源输出连续谱的光源，光束准直器将连续谱的光源汇聚并准直后形成平行光束，第一声光滤波组件用于对平行光束进行第一次声光滤波，第二声光滤波组件用于对第一次声光滤波的光束进行第二次声光滤波，第二次声光滤波的光束输出至光谱探测仪，光谱探测仪采集光谱信息输出至计算机，计算机控制射频源输出设定频率射频信号至第一声光滤波组件和第二声光滤波组件，计算机控制第一声光滤波组件和第二声光滤波组件的入射光角度；

所述的第一声光滤波组件包括第一声光滤波器、第一角度调节转台以及第一挡光板，第一声光滤波器固定在第一角度调节转台的上表面，第一挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经第一声光滤波器输出的非滤波光束以及两束滤波光束中偏振方向为竖直偏振的一束；

所述的第二声光滤波组件包括第二声光滤波器、第二角度调节转台以及第二挡光板，第二声光滤波器固定在第二角度调节转台的上表面，第二挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经第二声光滤波器输出的非滤波光束，第二声光滤波器输出的二次声光滤波光束进入光谱探测仪；其特征在于：方法包括以下步骤：

步骤201：开启系统，初始化光谱探测仪、第一声光滤波组件、第二声光滤波组件以及计算机；

步骤202：根据宽带光源的位置以及发光强度，对光束准直器进行参数调节和设置，对来自宽带光源的光束进行缩束和准直；

步骤203：在计算机的控制下驱动单射频源进行二次声光滤波；

具体包括以下步骤：

步骤203-1：利用声光作用关系，计算并确定第一次声光滤波的竖直偏振光最佳入射光极角α，以及第二次声光滤波的水平偏振光最佳入射光极角β，分别调节第一角度调节转台和第二角度调节转台的转角，使第一次声光滤波过程的入射光极角为α，第二次声光滤波过程的入射光极角为β，使两次声光滤波的带通重叠，确保实现二次声光滤波；

步骤203-2：调整第一挡光板的位置，对经第一声光滤波器输出的非衍射光和两束衍射光中偏振方向为竖直偏振的一束进行收集；调整第二挡光板的位置，对经第二声光滤波器输出的非衍射光进行收集；

步骤203-3：调节光谱探测仪中光纤探头的位置，对来自第二声光滤波器的二次声光滤波光束进行准确接收，调整光谱探测仪中CCD的增益，完成二次声光滤波光束光谱的最佳探测；

步骤204：利用计算机对测量的光谱数据进行分析处理，根据获得的光谱参数调整射频源输出射频信号的频率及功率参数，重新进行单射频源驱动的第一声光滤波组件和第二声光滤波组件的二次声光滤波；

步骤205：对获得的二次声光滤波光谱结果进行存储，系统关闭。

2.根据权利要求1所述的一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其特征在于：所述的宽带光源为卤素灯，宽带光源在可见光至近红外范围内输出连续谱。

3.根据权利要求1所述的一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其特征在于：所述的光束准直器包括消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜组，宽带光源的光束经光束准直器汇聚并准直后形成平行光束，进入第一声光滤波组件进行第一次声光滤波。

4.根据权利要求1所述的一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其特征在于：第一角度调节转台为电动马达驱动，第一角度调节转台通过USB连接线与计算机连接，第一角度调节转台的角度最小分辨率为5分，第一角度调节转台的下表面连接支架，方便将第一角度调节转台固定，通过调节第一角度调节转台的旋转角度，可精确控制第一声光滤波器相对来自光束准直器平行光束的角度，保证来自光束准直器平行光束以最佳入射光极角进入第一声光滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其特征在于：第二角度调节转台为电动马达驱动，第二角度调节转台通过USB连接线与计算机连接，第二角度调节转台的角度最小分辨率为5分，第二角度调节转台的下表面连接支架，方便将第二角度调节转台固定，通过调节第二角度调节转台的旋转角度，可精确控制第二声光滤波器相对来自第一声光滤波器水平偏振光束的角度，保证来自第一声光滤波器的水平偏振光束以最佳入射光极角进入第二声光滤波器。

6.根据权利要求1所述的一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其特征在于：所述的射频源输出射频信号的频率范围为60-200MHz，输出功率为0-5W，射频源通过射频线分别与第一声光滤波组件和第二声光滤波组件连接。

7.根据权利要求1所述的一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其特征在于：所述的光谱探测仪为光纤光栅光谱仪，光谱探测仪包含光纤探头、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第二声光滤波组件的偏振方向为竖直偏振的二次声光滤波光束，并送入分光光栅进行分光，CCD阵列接收分光并测量二次声光滤波光束中不同波长信号光的强度，并将光的强度数据送入后续的计算机。

8.根据权利要求1所述的一种单射频源驱动的双声光滤波器二次声光滤波方法，其特征在于：所述的计算机采用PC机，PC机通过USB连接线分别与射频源以及光谱探测仪连接，PC机通过串口与第一角度调节转台和第二角度调节转台连接，PC机分别控制射频源、光谱探测仪以及第一角度调节转台和第二角度调节转台。