宽光谱AOTF匹配网络对光谱衍射效率影响的研究

基于声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)光谱成像分析仪在可见至红外光谱的多个谱区内广泛应用,对AOTF的光谱带宽及衍射效率提出了更高的要求。超声换能器作为AOTF的核心部件,其3 dB工作带宽决定AOTF的光谱衍射范围,故在同一声光介质上制作两片厚度不同的换能器来提高AOTF光谱带宽。由于超声换能器在不同频率下具有不同的输入阻抗,当驱动信号源输出阻抗与超声换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗,导致无法把功率最大限度的传递给超声换能器,从而使AOTF光谱衍射效率降低,影响光谱成像清晰度。通过射频电路先进设计系统(ADS)仿真及实验测试,设计了一种新型宽带阻抗匹配网络,在60～200 MHz带宽范围内,阻抗匹配网络功率效率达到90％以上,光谱衍射效率最高达90％,提高了在420～1 150 nm波段内的光谱灵敏度。     

AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,由于声光晶体是其核心分光器件,它的性能将影响目标信息的获取能力。因此, 研究提高声光晶体衍射效率的方法是AOTF成像光谱仪研制的重点和关键。首先介绍了AOTF成像光谱仪的工作原理,基于耦合波理论推导了声光晶体衍射效率方程,然后对AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率的影响因素进行数值仿真分析,最后,用Tracepro软件对不同入射光进行了仿真计算。分析结果表明,当AOTF成像光谱仪工作波长范围在0.4 μm~0.9 μm时,为使衍射效率能达到最大值,各个影响因素的最优值是:换能器长度d为2.5 mm,光栅倾斜角φ选择在80°,入射光选择o光。     

压电换能器阻抗匹配技术研究

超声测距传感器是由压电换能器及其收、发电路所组成的，其中压电换能器的阻抗特性直接影响着超声测距传感器的性能。为提高超声波回波信号的强度，扩大超声测距传感器的作用距离，对压电换能器的阻抗特性进行了分析与测试，设计了压电换能器的阻抗匹配电路，并进行了实验验证。     

一种高通量宽带近红外声光可调滤光器的设计

声光可调滤光器(AOTF)是20世纪90年代以来近红外光谱仪最突出的进展,传统的单换能器结构使滤光器存在工作带宽较窄的问题。本文采用双换能器结构设计了一种高通量、宽带宽的近红外声光可调滤光器,基于“切面平行条件”波矢量布局方案,通过仿真计算确定声光晶体最优切向切角及换能器长度等最佳参数。两段换能器分别工作于两个不同的波段范围,使得滤光器的工作波段范围在光谱分辨率、衍射效率等参数满足要求的前提下大为改善。测试结果表明,设计的滤光器在900～2 400 nm波段范围内分辨率优于15 nm,衍射效率最高可到41%。     

向空气中辐射超声波的环形压电换能器

超声压电换能器向空气中辐射超声波的主要缺点是效率低,这是由于压电材料的声阻抗与空气的声阻抗严重失配(差5个数量级)。有两种途径可提高换能器向空气中辐射声波的效率,一是采用多层结构的匹配技术,二是设计高、低声阻抗材料相组合的换能器。作者遵循后一种方法设计并制作了一种新的高效压电换能器。它是将压电圆环埋置在低阻抗的弹性材料(塑料或树脂)中而成的,如图1所示。     

关于非同向二氧化碲声光可调谐滤波器的实验研究

介绍了一种具有大光入射角度的非共线TeO2声光可调谐滤波器(AOTF)的结构和特点,并对实验样品的特性进行了测量。实验结果表明,该器件在100nm的可调谐范围内有效衍射效率可以达到96%,带宽小于2nm,试验结果与理论值一致。这种AOTF将用于动态光分插复用器(OADM),在未来光网络系统中起到重要作用。     

多匹配层空气耦合压电超声换能器*

该文针对超声无损检测与成像功能空气耦合换能器开展了分析计算和研制。为解决压电材料与空气间巨大的阻抗失配问题,进行了多匹配层设计,并基于有限元技术仿真设计了1-3压电复合材料参数。借助复数压电方程,导出考虑损耗的多匹配层压电复合材料换能器厚度振动等效电路,获得其等效导纳,以此计算电导谱,同时基于有限元技术数值计算相应电导谱,二者有较好的一致性。在此基础上分别设计制作复合压电材料,多匹配层材料以及由此构成的空气耦合超声换能器。换能器的实测电导谱与数值仿真结果一致。进一步的换能器回波信号测试及其谱分析结果表明,所研制的160 k Hz中心频率空气耦合换能器样品有较好灵敏度和带宽。这些结果说明,该文研制的空气耦合超声换能器的初样是成功的。     

超声换能器辐射特性的优化*

匹配层和背衬层是换能器的重要组成部分,对换能器特性有重要影响。针对发射型换能器,基于有/无匹配层和空气/树脂背衬两种条件组合,该文研究了匹配层与背衬层对换能器辐射特性的影响。结果表明,负载材料为水时,空气背衬换能器相较于树脂背衬换能器声能辐射效率更高;匹配层可以提高换能器的主瓣能量,抑制旁瓣能量及旁瓣数量。因此,针对发射型换能器的设计,背衬材料的选择应遵循与压电材料的阻抗差异越大越优的原则;匹配层的合理设计不仅可以提高超声换能器的声能辐射效率,还可以提高主瓣旁瓣峰值比,使声能更集中。     

成像型声光可调谐滤光器关键性能指标测试方法研究

成像型声光可调谐滤光器(acousto-optic tunable filter, AOTF)是近年来发展起来的一种十分重要的新型光谱成像仪器滤光器件。文章分析了成像型AOTF的基本工作原理,并研究了一套AOTF关键性能如衍射效率、波长温漂、空间衍射效率均匀性、图像漂移等指标的测试方法。     

用锥状厚压电片换能器的测量

在工业无损评价(NDE)及医学超声成像中,为提高纵向分辨率,希望超声换能器具有窄脉冲宽频带的特性,为此,有人用高阻抗、高衰减材料做为压电晶体的背衬,用作匹配吸收体。也有人采用厚的压电晶体制做换能器,利用其远离共振频率的非谐振状态工作,但上述方法存在一些不足,如换能器径向模的振动,粘接层的影响等。作者提出了一解决问题的方法,即厚片锥状压电换能器,其工作在非共振状态,同时作用面积小。     

La_3Ga_5SiO_(14)声光可调谐滤波器设计

分析了La3Ga5SiO14(简称LGS)既可以做成同向声光可调谐滤波器,又可以做成大孔径非同向声光可调谐滤波器。推导出超声波频率f和光波波长λo的调谐关系;计算出滤波器的光谱分辨率R和集光能力δiθ;光入射角iθ与衍射角θd、声入射角θa之间的关系。为LGS声光可调滤波器的实用化设计提供了充分可靠的理论依据。把LGS与TeO2声光可调滤波器的光谱分辨率和集光能力做了比较,认为LGS设计成同向声光可调谐滤波器既简便又实用。     

Hyperspectral imaging performance of a TeO2 acousto-optic tunable filter in the ultraviolet region

A compact UV hyperspectral imager can be designed with an acousto-optic tunable filter (AOTF) installed in front of an enhanced CCD camera. Tellurium dioxide (TeO2) is the most commonly used crystal for AOTFs from 0.4 to 4 microm. We conducted an experiment to determine the UV spectral response of an imaging TeO2 AOTF in tandem with a known KDP AOTF and obtained good-quality hyperspectral images by using the TeO2 filter down to 365 nm. We compared the performance of the TeO2 filter-based hyperspectral imager with an imager based on a KDP filter because currently the latter is the best available material for the UV, and we found the performance of the TeO2 imager in the range 355-480 nm to be superior to that of a KDP imager. We present our experiments and the results obtained.     

二氧化碲非同向声光可调谐滤波器的设计分析

在分析非同向声光可调谐滤波器器件设计理论的基础上，同时考虑声光晶体的双折射和旋光特征，分析和计算了二氧化碲声光可调谐滤波器的超声波极角θａ和入射光波极角θｉ之间的关系以及超声波频率ｆａ和光波波长λ０之间的调谐关系。     

Algorithm for optimization of interdigital transducer in AOTF

The interdigital transducer is an important device element in acousto-optic tunable filter (AOTF) and the surface acoustic wave (SAW) propagates in lithium niobate (LiNbO₃) as a substrate in interdigital transducer. In the direction of x-cut y propagation in AOTF, the power-flux vector and propagation direction of the surface wave are not collinear, which decrease the RF-to-SAW waveguide coupling efficiency. In this paper, optimal program is proposed, giving the numerical calculation. We know that to improve the coupling efficiency the direction of interdigital transducer should be inclined about 4.5 in AOTF. The experiment shows a satisfactory result.     

Acousto-optic interaction in a non-homogeneous acoustic field excited by a wedge-shaped transducer

The article is devoted to theoretical analysis of light diffraction in a non-homogeneous acoustic field created by a wedge-shaped piezoelectric transducer. Relationships describing electrical, acoustic and acousto-optic properties of the acousto-optic cell are derived in the approximation of a small thickness of the piezoelectric plate. Principal characteristics of acousto-optic interaction are examined such as dependences of the light diffraction efficiency on the phase mismatch and the acoustic wave amplitude. It is shown that the acoustic field has a complicated amplitude-phase structure changing with the acoustic frequency. It is demonstrated that the diffraction efficiency in the Bragg regime can approach 100% in spite of a noticeable phase mismatch. The appropriate optimal values of ultrasound power and incidence angles of light are found.     

基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数;其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路;最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.     

Acousto-optic deflector based on a paratellurite crystal using broadband acoustic adhesive contact

A broadband acoustic matching of a piezoelectric transducer made of a lithium niobate crystal with an acousto-optic TeO₂ crystal has been studied. The transducer is acoustically attached to the crystal by the method of adhesive contact. The experimental method of creating a piezoelectric transducer with an acoustic matching layer from a tin film is developed. The conditions of the optimal technological regime when applying the matching layer are determined. The results of the research are used in creating a broadband high-performance deflector with a central ultrasound frequency of 37 MHz, with the frequency band scanning more than 30 MHz, and a diffraction efficiency of about 90% at a wavelength of 1.06 μm.