CN1172210C - 提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的方法及装置 - Google Patents

提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的方法，提出用正交双偏振方法和装置，去除0级光影响，提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比。正交双偏振方法是若偏振光入射入声光可调谐滤波器晶体，衍射光的偏振方向发生90°偏转而非衍射光偏振方向不发生变化，我们利用起偏和检偏元件，滤除未发生衍射的0级光，而使衍射+1级光或-1级光通过。

Description

提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的方法及装置
                            技术领域
本发明涉及一种提高分光光学系统信噪比的方法及装置，特别涉及一种提高声光可调谐滤波器(AOTF)分光光学系统信噪比的方法及装置。
                            背景技术
非共线型声光可调谐滤波器分光原理如图1所示，射频驱动电信号通过电声换能器401后转化为相应频率的超声波信号，通过单轴双折射晶体后形成衍射光栅402，在另一端被吸收器403吸收。白光入射晶体后，符合声光互作用条件的波长成分发生布拉格衍射，而其余波长成分不变。由于晶体的双折射作用，衍射光分为两束，即+1级和-1级衍射光，非衍射光定义为0级，各级出射光的相对位置如图1所示。发生衍射后输出的光波长由超声波频率确定，超声波频率与光波数间为线性关系。其允许入射的光孔径角一般为5～7°，对应的出射分离角(衍射光与非衍射光之间的夹角)一般为6～8°。在应用分光光谱方法进行成分检测时，信噪比越高，检测精度越高。
对于入射光，入射孔径角越大，可利用光能量越多，信噪比越高，对于出射光，衍射光与非衍射光(杂散光)分离越彻底，信噪比越高。入射光孔径角大，出射光孔径角相应变大，衍射光与非衍射光重叠部分越多，信噪比越低。传统方法一般以牺牲光能利用率，即压缩入射光孔径角(计算结果＜3°)来实现出射光的彻底分离，提高信噪比，但效果并不理想。如图2所示，即使按照＜3°的入射孔径角度进行光路结构设计，由于晶体本身对不同波长光的折射率变化，不可避免地会发生+1级和-1级衍射光与0级光的部分混合，图中阴影部分表示的是重叠部分，若不能很好地分离这两束光，将极大影响光能利用率和系统信噪比。前述方法已经表明，单纯依靠光学设计，想利用空间位置法使两束光(衍射光和非衍射光)得到分离是十分困难的。必须利用这两束光本身的特性差别或通过其他手段使这两束光产生特性差别，从而去除非衍射光的影响。
                            发明内容
为了更好的分离衍射光和非衍射光，更好的利用光能量，提高分光系统信噪比，我们提出用正交双偏振方法来去除0级光影响，提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的方法。
本发明是这样实现的：
采用正交双偏振方法
基于发生异常布拉格衍射的入射光与衍射光正交偏振的特性，采用正交双偏振法来消除0级光。具体来讲，利用非线性声光可调谐滤波器动量匹配关系分析，我们可以看到这样的规律：入射为o(ordinary light)光，则衍射光为e(extrodinary light)光；入射为e光，则衍射光为o光，而o光和e光分别对应于两种完全正交的偏振状态。我们可以利用晶体本身的这一特性，利用起偏和检偏元件，滤除未发生衍射的O级光，而使衍射o光或e光通过，从而达到提高信噪比(SNR)的目的。
起偏元件将自然光滤除为单一偏振光，经声光可调谐滤波器作用后，对应于某一声频的光波矢满足平行切线动量匹配条件，发生衍射，对应于某一特定波长的+1级光衍射光的偏振状态发生90°偏转，与原偏振态垂直并偏转一定的角度(分离角)输出。而不满足平行切线动量匹配条件的光波(0级光)不发生衍射，仍沿原传播方向出射，且偏振状态并不发生改变。此时，在声光可调谐滤波器后加一个检偏元件，光轴方向与起偏元件的表面相垂直，对应于+1级光的偏振状态可以通过，而对应于0级光的偏振状态则被滤除，从而达到消0级光的目的。
若将两偏振元件的光轴方向均旋转90°，则对应于-1级光的偏振状态通过，而0级光由于偏振态没有变化将被滤除。
具体来讲，准直透镜对光源所发出的光进行准直，再经前置偏振装置起偏，将非偏振光变为单一方向的偏振光，声光可调谐滤波器分光器在驱动信号作用下，形成衍射光栅，对通过的白光进行单波长选取实现分光，再经过后置偏振装置检偏作用，使+1级(或-1级)的单一波长衍射光通过，滤除掉与其偏振状态相垂直的0级光(白光)，其偏振方向与前置偏振片偏振轴相垂直，然后经过聚光透镜将通过后置偏振片的单波长光会聚后引入接收系统中。
根据本方法，发明的提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的装置是：如图3所示。
该装置由光源13、准直透镜2、前置偏振装置3、声光可调谐滤波器分光器4、后置偏振装置5、聚光透镜6、光纤传光束7、声光可调谐滤波器驱动器8组成；前置偏振装置3与后置偏振装置5的偏振轴正交(垂直)；声光可调谐滤波器驱动器8产生超声波频率范围的射频驱动信号，并输出给声光可调谐滤波器分光器4，该超声波频率能被进行调整，以实现不同波长的分光；光源13发出的光入射到准直透镜2，会聚后入射到前置偏振装置3，起偏后的光束再入射到声光可调谐滤波器分光器4，分光处理后的0级光束和+1级(或-1级)的单一波长光束同时入射到后置偏振装置5，后置偏振装置5将0级光滤除，允许+1级(或-1级)的单一波长光束通过，该单一波长光束再被聚光透镜6会聚后进入到光纤传光束7。
实验结果表明，采用上述方法能有效提高系统的信噪比，提高分光光谱的测量精度，我们在自研制的无创伤人体血糖浓度检测装置中实际应用了这种方法，该装置的分光波长范围为800～2400nm，这种方法被证明有效地提高了整个测量系统的信噪比，尤其在这种微弱光信号检测中更有实际应用价值。
                            附图说明
图1：声光可调谐滤波器分光原理示意图；
图2：小于3°入射角设计的光学系统衍射光与非衍射光空间位置关系示意图；
图3：正交双偏振声光可调谐滤波器试验分光光学系统结构示意图；
图4a：采取正交双偏振法耦合到光纤中的光能量谱图；
图4b：未采取正交双偏振法耦合到光纤中的光能量谱图。
                            具体实施方式
下面结合附图对本发明的方法和装置作进一步的详细说明：
如图3所示，由光源13采用卤钨灯提供系统由可见至近红外波段的稳态白光光源，由12V恒流恒压直流电源驱动，经准直透镜2对光源所发出的光进行会聚，即将卤钨灯灯丝成像在声光可调谐滤波器中心，尽可能的充分利用光能，再经前置偏振装置3的起偏作用，将非偏振光变为单一方向的偏振光，本系统选用格兰泰勒棱镜，其对相互正交态的两偏振光的消光比为105/1，对单偏振态的光透过率为70％左右，正常工作温度可达60℃。通过声光可调谐滤波器分光器4在驱动信号作用下，形成衍射光栅，进行单波长选取实现分光，本系统采用的声光可调谐滤波器驱动器8主要包括信号发生和功率放大两部分，产生超声波频率范围的射频驱动信号，通过改变超声波频率来实现波长选取，达到分光效果。再经过后置偏振装置5的检偏作用，使+1级(或-1级)的单一波长衍射光通过，滤除掉与其偏振状态相垂直的0级光，其偏振轴与前置偏振片偏振轴相垂直，消光比为105/1；然后经过聚光透镜6将通过后置偏振片的单波长光会聚后引入光纤等接收系统中，用于分光光谱检测应用；本系统使用的是光纤传光束7，光纤数值孔径0.37。
       表1  不同光路状态下耦合到光纤中的光能量
            (傅立叶红外光谱仪测量结果)
光路状态          0级光光能量        衍射光光能量
有双偏振片        1                  186
无双偏振片        43                 407
在加偏振情况下，从图4a的谱图中基本无法用肉眼看出有0级光混入，而不加偏振情况下，从图4b的谱图中可以很明显看出有混入的0级光，对比后我们可以认为基本消除了0级光的影响。表1中0级光光能量是关闭射频驱动器后测得的，衍射光光能量是在打开射频驱动器后测得的总能量减去0级光光能量得到的，可以得到信噪比由407∶43提高到186∶1，正交双偏振去除0级光影响的效果明显。

Claims (6)

1.一种提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的方法，包括以下步骤：
经准直透镜对光源所发出的光进行会聚，再经前置偏振装置起偏作用，将非偏振光变为单一方向的偏振光，通过声光可调谐滤波器分光器后，经过后置偏振装置检偏作用，使+1级或-1级的单一波长衍射光通过，滤除掉与其偏振状态相垂直的0级光，前置偏振装置的偏振轴和后置偏振装置的偏振轴垂直正交，然后经过聚光透镜将通过后置偏振片的单波长光会聚后引入接收系统中。
2.如权利要求1所述的一种提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的方法，其特征为所述的前置偏振装置选用双折射格兰泰勒棱镜，以提高系统对较高温度的耐受能力，后置偏振装置使用普通偏振片。
3.如权利要求1所述的一种提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的方法，其特征为声光可调谐滤波器分光器可在驱动信号作用下，形成衍射光栅，进行单波长选取实现分光。
4.一种提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的装置，该装置由光源(13)、准直透镜(2)、前置偏振装置(3)、声光可调谐滤波器分光器(4)、后置偏振装置(5)、聚光透镜(6)、光纤传光束(7)、声光可调谐滤波器驱动器(8)组成；其特征为：前置偏振装置(3)与后置偏振装置(5)的偏振轴正交垂直；声光可调谐滤波器驱动器(8)产生超声波频率范围的射频驱动信号，并输出给声光可调谐滤波器分光器(4)，该超声波频率能被进行调整，以实现不同波长的分光；光源(13)发出的光入射到准直透镜(2)，会聚后入射到前置偏振装置(3)，起偏后的光束再入射到声光可调谐滤波器分光器(4)，分光处理后的0级光束和+1级或-1级的单一波长光束同时入射到后置偏振装置(5)，后置偏振装置(5)将0级光滤除，允许+1级或-1级的单一波长光束通过，该单一波长光束再被聚光透镜(6)会聚后进入到光纤传光束(7)中。
5.如权利要求4所述提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的装置，其特征在于其可应用于声光可调谐滤波器无创伤血糖测量装置。
6.如权利要求4所述提高声光可调谐滤波器分光光学系统信噪比的装置，其特征为所述的声光可调谐滤波器分光器中所用的波长为800～2400nm。
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