CN206540629U - 基于声光调制激光波长跟随滤光的智能型窄带滤光系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于声光调制激光波长跟随滤光的智能型窄带滤光系统，其输入为线偏振态激光束，利用声光可调谐滤光器谱调控灵活、谱分辨率及衍射效率高的特性实现快速实时对输入光束进行窄带滤波。通过改变AOTF射频频率得到相应偏振态激光束，实现对特定输出波长的窄带滤光，提高激光束的光能利用率，无可动部件,波长调节速度快，能有效提取窄带激光信号，提高系统信噪比。且该系统由于激光波长实时跟随装置的引入，可有效避免激光器在某一波长附近由于工作温度变化等原因造成的输出波长误差，实现实时精准的对激光束窄带滤光。该系统具有波长实时反馈，窄线宽，效率高，小型低功耗等优点，可很好适用于对接收光信号非常敏感的光电系统中。

Description

基于声光调制激光波长跟随滤光的智能型窄带滤光系统

技术领域：

本专利涉及主动光电技术领域，具体指适应激光出射波长偏差及变化，利用声光可调滤光器光谱电调可选特性，结合光电实时监测功能实现滤光光谱可自适应智能选择的窄带滤光系统。

背景技术：

激光因其单色性好，准直性高，相干性好等诸多优点自出现以来，广泛运用在主动光电技术领域，特别是可调谐激光器的出现和发展，使激光在光谱探测、光通信等领域应用逐渐增加。如波分复用(wavelength division multiplexing,WDM)技术对通信光源的激光器提出了更高的要求，以及随着波长可调谐半导体激光器的技术日益成熟，其在光通信网络的应用逐渐增加。

窄带滤光片作为滤光和选择谱线的光学器件，是从带通滤光片中细分而来，只对在峰值透射波长附近的光波段有较高的透射作用,在其它波段表现为高反射。窄带滤光片通带相对更窄，一般为峰值中心波长的5％以下，半峰值带宽通常为1nm-40nm范围，在激光技术、卫星遥感探测以及目前正在飞速发展的光通讯技术中均存在广泛的应用。随着光学技术的不断发展以及探测器件微型化集成化的发展趋势,出现了窄带多通道滤光片，与传统的窄带滤光片相比,窄带多通道滤光片的通道数目多于一个。在接收同样的信息量时,窄带多通道滤光片可以简化整机的光学系统,减轻整机的载荷。

激光器的输出波长是非常重要的特性参数之一，决定着整个光电系统的工作波长、频率等各项特性参数。对于单一波长的激光器而言，只要选择中心波长合适的窄带滤光片,偏转适当的角度,就可调节出所需要的波长,调节方便。但是在复杂环境下，激光器的输出容易受外界环境温度和自身温度变化的影响。例如，对于半导体激光器，当其工作电流发生变化时,激光器内部温度不均匀,器件温度升高,会使激光器材料的折射率和带隙宽度发生变化,导致光谐振腔尺寸增大、带隙变窄,输出波长也随之发生变化。当光电接收系统对波长非常敏感时，激光器输出波长的误差将可能严重影响整个应用系统的性能。而另一方面，对于波长可调谐激光器而言，在需要对整个光谱段中的某几个窄波段进行测量分析时,当所需波段较少时可以使用更换不同固定波长的滤光片的方法，但当利用波长可调谐激光器时可调谐需要很多任意波段且需要实时调谐时,利用固定中心波长的窄带滤光片就无法满足需求。

窄带滤光片在半峰值带宽(Full Width Half Maximum,FWHM)附近有较高的透过率(50％-90％)。峰值透过率的高低要求视使用场合不同而不同。当激光器的中心波长和窄带滤光片的峰值波长重合时，达到最好的滤波效果，最大程度地抑制噪声提高系统信噪比；而当某些原因如激光器受外界环境温度影响而导致输出中心波长和窄带滤光片的峰值透过波长不匹配的时候，如图1所示，会造成以下影响：1.窄带滤光片无法准确地滤取激光器中心波长处的激光束；2.由于中心波长的不匹配导致激光通过窄带滤光片后效率急剧下降，影响整个光电接收系统的信噪比。

发明内容：

针对激光器输出波长随外界环境变化不稳定及输入激光光束波长在一定范围内可能变化无法利用固定波段的窄带滤光片逐一匹配的问题，利用AOTF特有的滤光波长电控灵活可选的特性，以及滤光带宽窄、效率高的优点，结合光电实时监测功能，专利适应激光器输出波长误差及变化的光谱电调可选及实现滤光光谱智能选择的高效滤光系统。

如图2所示，根据声光可调谐滤波器的原理，通过施加于换能器上的射频信号的频率来改变衍射波长，换能器将射频信号转换为超声波振动在声光介质中传播，与入射光产生非线性声光效应，将与驱动频率匹配波长的入射光部分能量衍射并偏转一定的角度，形成衍射光，而仍沿原方向出射的未衍射的入射光部分称为0级光。改变加于换能器上的射频频率，衍射光的波长也相应改变。

AOTF晶体的衍射效率是指特定波长的衍射光强与入射光强之比，公式如下：

其中，λ为衍射波长；M₂为声光优值；P_a为声功率，正比于射频驱动功率；L为声光互作用长度；H为声波传输距离。AOTF晶体在各波段的衍射效率可以通过优化晶体的各项特性参数而达到很高。AOTF的滤光光谱带宽也叫光谱分辨率，如图所示，读取衍射效率下降到最大值一半时的波长点λ_min和λ_max，则中心波长λ₀处的光谱分辨率为：Δλ＝|λ_max-λ_min|，典型AOTF的衍射光谱曲线为sinc²函数，且光谱分辨率很高，目前可以达到0.0125nm，没有可动部件，波长调节速度快，灵活性高。因此，综合以上AOTF特性，利用声光可调谐率光器对入射线偏振态的激光光束进行实时地、智能跟随窄带滤光具有可行性。

本专利采用的技术方案如图3所示：基于声光调制激光波长跟随滤光的智能型窄带滤光系统由AOTF晶体1，射频驱动装置2、第一孔径光阑3、第二孔径光阑4、平面镜6、探测器7、数据采集模块8及FPGA控制模块13组成，其原理如下所述：

1、调节AOTF，使激光光束的偏振基矢与AOTF晶体O光入射方向一致并垂直入射至AOTF晶体上；

2、FPGA控制模块13的射频驱动控制模块14控制射频驱动装置施加射频驱动信号，通过对射频驱动频率进行全波段扫描，智能地匹配输入激光光束的中心波长，实现窄带滤波。其中相应波长及带宽的激光光束由+1级衍射光路出射，残余的激光为0级非衍射光，由0级光光路出射。+1级衍射光经过孔径光阑提高光束质量作为后端光电接收系统的窄带输入激光光束。

3、使用探测器7接收0级非衍射光信号，用于分析反馈控制实现波长跟随窄带滤光功能；而+1级衍射光路出射的窄带激光满足应用领域对窄带、高效的滤光需求；两者光路中设置第一孔径光阑3，第二孔径光阑4减小相互间及杂光的干扰，0级非衍射光路还采用平面反射镜6以满足组件紧凑型空间布局的要求。

4、开始工作时，FPGA控制模块13的射频驱动控制模块14控制射频驱动装置改变射频驱动频率使其在激光束理论中心波长(理论中心波长处对应射频频率为f₀)附近以一定的步长及扫描深度f₀±f₁进行扫描(步长Δf及扫描深度f₁可调控)，此时+1级衍射光路及0级非衍射光路出射的激光能量发生变化；0级非衍射光路出射的激光能量变弱时，相应+1级衍射光路出射的激光能量增强；监测并记录0级非衍射光路出射的激光能量变化曲线，由FPGA的数据处理模块检测曲线中光强最小值所对应的射频频率f₀'并固定由该频率值驱动，由此实现对激光输出波长的实时跟随与实时窄带滤光匹配，实现高效的窄带滤光功能。

5、工作中实时监测0级非衍射光路出射的激光能量变化，如果能量变大超过控制值，则按如上所述重新选择适宜的射频驱动频率，适应激光器输出波长误差及变化的高效滤光应用。

本专利的核心在于：1)利用声光可调制器件基于声光衍射效应的光谱灵活选择性，以及窄带宽特性实现对激光束窄带滤光；2)有效利用0级非衍射光信息，设计实时监测功能，结合其与衍射光之间的对应关系实现智能型的滤光波长可调谐的窄带滤光。

本专利所描述的实时窄带滤光系统的工作流程如图4所示，共分为窄带高效滤光调控及波长实时跟随两部分，具体如下所述：

1)窄带高效滤光调控流程如下：FPGA控制模块13首先对滤光系统进行全局化配置，射频驱动控制模块控制射频驱动装置施加射频驱动信号，通过对射频驱动频率进行全波段扫描，以及按声光效应特性拟合好扫描谱段范围内对应的波长-驱动频率曲线加载AOTF晶体的射频驱动频率，智能地匹配输入激光光束的中心波长，从而实现激光束中心波长处的窄带滤光。

2)激光波长实时跟随工作流程：FPGA控制模块13确定射频驱动装置的扫描步长Δf、监测时间间隔Δt及扫描深度f₀±f₁进行扫描(步长Δf、时间间隔Δt及扫描深度f₁可调控)，并由探测器记录当前0级光的光强，并实时记录数据直至扫描结束，由FPGA控制模块13的数据处理模块16检测光强最小值I_min所对应的射频频率f₀'并反馈至射频驱动控制模块，作为新的射频驱动频率进入声光调谐窄带高效滤光流程，从而实现激光束的波长跟随窄带滤光，从而适应激光束的输出波长误差。

本专利的优点在于：

1)基于AOTF晶体声光调制的分光特性，提供一种新颖的适应入射激光束中心波长误差的窄带滤光方法，将驱动后AOTF晶体出射的0级非衍射光加以利用，并作为激光波长实时监测跟随装置的测试光源，结合FPGA控制模块和射频驱动装置实现激光束的跟随窄带滤光，既提高了光能利用率，又利用简单高效的测试方法解决了激光束的输出波长误差与传统固定波长滤光片不匹配的问题。

2)本专利所述系统不仅可以实时改变滤光装置的峰值透过波长以配合入射激光束的中心波长，而且由于激光波长跟随装置的引入，可以有效避免激光器在某一特定波长附近由于工作温度的变化等原因造成的输出波长误差，实现实时、精准的对入射激光束进行窄带滤光。与现有激光束尤其是波长可调谐激光束的窄带滤光技术方法相比，大大简化工程复杂度，且光能利用率高，稳定性强，滤光单色性好，光路结构简单，基于该方法的窄带滤光系统可以直接利用到对接收光波信号非常敏感的光电系统中，因此具有重要的应用价值与参考意义。

附图说明：

图1窄带滤光片滤光效果示意图。(其中，图(a)为中心波长重合效果示意图，图(b)为中心波长不重合效果示意图，图(c)为中心波长重合输出激光束仿真图，图(d)为中心波长不重合输出激光束仿真图)。

图2AOTF分光及光谱分辨率示意图。其中，图(a)声光可调谐滤光器分光原理示意图，图(b)为声光可调谐滤光器光谱分辨率示意图，图(c)声光可调谐滤光器的峰值半高宽(FWHM)。

图3智能型声光调制激光波长跟随窄带滤光系统示意图。

图4系统工作流程图。其中，图(a)为声光调谐窄带滤光流程示意图，图(b)声光调谐波长跟随窄带滤光流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图给出本专利的一个较好的实施例，如图3所示，用以说明本发面系统的结构特征和实施方法，而非用来限定本项专利的应用范围。基于声光调制激光波长跟随滤光的智能型窄带滤光系统实施例包括以下几个部分：

(1)AOTF晶体1：实施方案选用中电26所研制的可见近红外AOTF晶体(波长范围400nm～1000nm，光谱分辨率0.3-0.5nm)作为声光可调谐滤波器件，实际工程中可以根据对激光束波长范围的具体应用要求更换其它谱段的AOTF晶体(如短波红外谱段波长范围900～2300nm)或采用多块晶体集成的方法拓宽本专利所述系统的光谱应用范围。

(2)射频驱动装置2：采用本实验室自主研发的AOTF晶体配套射频驱动装置驱动晶体产生衍射出射光。

(3)第一孔径光阑3、第二孔径光阑4：本实施方案选用大恒光电GCM-57可变光阑作为孔径光阑，最小孔径直径0.5mm。

(5)光电接收装置5：本实施方案选用美国ASD公司可见-短波红外光谱仪作为光电接收装置，光谱覆盖范围400～2500nm，光谱分辨率为1nm，该装置可以通过探测AOTF晶体+1级出射光的中心波长来检测本专利所述智能型激光波长窄带滤光系统的滤光效果。实际工程中可根据需要选取任何利用窄带光源的光电接收装置，如光通信模块，光电检测及测量装置等等。

(6)平面镜6：本实施方案选用茂丰光电银膜反射镜OQAg-12.7，波长覆盖可见光及红外谱段，直径12.7mm，反射率大于99％。

(7)探测器7：本实施方案选用方元明科技光敏面直径为的FYM-SD型探测器，光敏面直径2.5mm，响应时间6ns，响应光谱范围400～1000nm，实际工程中可根据具体需要选取相应波段的探测器。

(8)数据采集模块8：数据采集模块包括探测器的I/V转换电路(9)、放大(10)、低通滤波(11)及A/D采样电路(12)。

(9)FPGA控制模块13：FPGA控制模块包括射频驱动控制模块(14)，A/D采样控制模块(15)，数据处理模块(16)。

智能型声光调制激光波长跟随窄带滤光系统具体实施例工作原理如下所述：

1.白光激光器发出的宽谱段连续激光(400nm～2500nm)依次经过孔径光阑空间滤波和格兰棱镜变为线偏振态激光束后垂直射入AOTF晶体表面，确定窄带滤光的中心波长，通过FPGA控制射频驱动装置实现激光束波长的窄带滤光。

2.经过窄带滤光的+1级线偏振态激光束经过孔径光阑后由ASD光谱仪作为光电接收装置接收，光谱仪对激光束进行光谱探测，用以验证出射光束的中心波长与理论输入的中心波长是否吻合，能否达到预期的窄带滤光效果。

3.AOTF晶体出射的0级非衍射光由探测器实时探测，具体工作流程如图4所示，完成出射激光波长的实时监测并将当前的中心波长信息反馈给FPGA射频驱动控制模块，作为新的输入中心波长信息调节射频驱动装置实现激光束的实时监测与跟随以适应激光束的输出波长误差。

本专利所涉及的智能型声光调制激光波长跟随窄带滤光系统，光路结构简单，光能利用率高，稳定性强，工作流程清晰，相比传统的固定波长的窄带滤光片，既能够灵活、高效的匹配不同中心波长的激光束而避免更换多个窄带滤光片而完成窄带滤光，又能够解决由于工作温度等外界环境变化引起的激光器输出中心波长漂移的问题，很好地适应输出波长误差而不至于由于固定窄带滤光片的不匹配造成的光强大幅衰减，且由于AOTF晶体超高的光谱分辨率窄带滤光效果更佳，激光束的单色性更好，能够很好地适应主动光电技术与光电检测领域对激光单色性的要求。

Claims (2)

1.一种基于声光调制激光波长跟随滤光的智能型窄带滤光系统，包括AOTF晶体(1)、射频驱动装置(2)、第一孔径光阑(3)、第二孔径光阑(4)、平面镜(6)、探测器(7)、数据采集模块(8)和FPGA控制模块(13)，其中，所述的数据采集模块(8)包括I/V转换电路(9)、放大电路(10)、低通滤波电路(11)、A/D采样电路(12)，所述的FPGA控制模块(13)包括射频驱动控制模块(14)、A/D采样控制模块(15)和数据处理模块(16)，其特征在于：

激光器发出的线偏正态激光束，垂直入射到AOTF晶体(1)表面，调节AOTF晶体使激光偏振方向与晶体O光入射方向一致，通过调节射频驱动装置(2)滤去杂散光束及噪声变成线宽更窄的相应线偏振态的线偏振激光光束，其带宽FWHM<0.5nm，即：只有+1级衍射光和0级光，无-1级，通过调节AOTF晶体(1)与入射的线偏振激光束基矢匹配提高AOTF晶体的光能利用率，衍射效率η>90％，实现可调谐的窄带滤光，在不大幅减弱激光光强的情况下，减小杂散光，提高输出激光单色性，提升系统信噪比；+1级衍射光经过第一孔径光阑(3)空间滤波提高光束质量，由后端光电接收系统(5)接收；对0级非衍射光加以利用，通过第二孔径光阑(4)再经过平面镜(6)对光路转折，利用探测器(7)探测0级光的光强实现对激光器的监测与跟随，通过检测当前激光器的输出波长而精准的调节AOTF晶体的衍射波长，达到输出波长误差与窄带滤光装置实时匹配的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于声光调制激光波长跟随滤光的智能型窄带滤光系统，其特征在于：所述的AOTF晶体(1)改用多块晶体集成以拓宽所述系统的光谱应用范围。