The Optical Characteristics of the Acousto-optic Tunable Filter with the Equivalent Point

In this paper, the interaction curves of acoustic and optical waves in a non-collinear AOTF (acousto-optic tunable filter) cell under the parallel-tangent momentum matching condition are analyzed systematically. A new theory of equivalent point for AOTF design is put forward. The wavelength characteristics and the wavelength resolution of two diffraction beams with equivalent point design in AOTF are emphatically analyzed. The optical characteristics at δ=0 (ideal case) and δ≠0 (real case) are also discussed. The advantages of the AOTF with equivalent point design include high wavelength resolution,more quantitative energy and larger incident angle aperture.     

采用AOTF技术的新型红外单色系统的研制

概述了声光可调谐滤光器 (AOTF)的基本色散原理 ,介绍了以AOTF为色散元件的红外单色系统的组成。对光源准直系统和系统工作距离进行了分析讨论。对DDS的使用以及DDS与DSP之间接口设计进行了介绍。理论和实验表明 ,输出红外光波数与驱动频率成良好线性关系。系统输出红外光波长范围 2 5～ 5 0 μm ,光谱半宽度为 15nm     

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。     

旋光性非共线型AOTF温漂及波长修正策略

现有声光可调谐滤光器(AOTF)调谐关系大多忽略旋光性影响,忽略旋光性将影响声光滤波器的准确设计,并会进一步影响其滤波性能,故推导了旋光率与衍射波长之间的关系,进而得到考虑旋光性的AOTF衍射频率-波长调谐关系;针对AOTF衍射波长在不同温度下存在温漂,因此影响AOTF的光谱分辨率,从温度影响超声声速出发,分析得到AOTF衍射波长在不同温度下与驱动频率的关系,提出在不同温度下采用频率修正的方式跟踪衍射波长。根据考虑旋光性推导所得AOTF调谐关系、考虑到实时跟踪温度、频繁变换驱动频率容易对系统造成破环,影响使用效率,因此采用10 ℃为一个温度段,在一个温度段内根据中间温度使用一个驱动频率对AOTF进行调控,每一温度段有相应的驱动频率-衍射波长对应关系,叙述了具体的实现办法,并做了相应的实验验证。实验表明,通过频率修正之后在相应温度下得到的衍射波长,与普通室温未修正频率下得到的衍射波长相比,前者与目标波长更相近,误差减小一个数量级。为AOTF在不同温度下的高精度光谱测量提供了重要的依据,具有重要的实用价值。     

声光可调谐滤波器多波长同时滤波的特性

集成光学声光可调谐滤波器 (AOTF)有很多优点 ,特别是它可以同时滤出多个波长 ,因此在波分复用(WDM)光纤通信网络中有重要应用。针对其这种特性 ,运用耦合模理论 ,导出了同时存在两束声波时的严格的耦合模方程。在此基础上 ,得到滤波特性的数值解 ,分析了多波长同时运用时 ,滤波器的主峰强度、中心波长和 3dB带宽随时间的波动 ,同时也分析了当信道间隔较小时滤波特性失真严重、噪声较高的原因。在分析了共线型声光可调谐滤波器多波长同时运用所存在缺点的基础上 ,提出利用准共线模转换器来改善声光可调谐滤波器多波长同时运用的性能。     

Design and analysis of a noncollinear acousto-optic tunable filter

The design of the noncollinear acousto-optic tunable filter (AOTF) is commonly based on the parallel tangents momentum-matching condition. Previous studies either have used an approximation of the birefringence of the interaction material or have ignored the rotatory property of TeO(2). These approaches would obviously decrease the accuracy of designing an acousto-optic tunable filter (AOTF). We introduce an analysis method of calculating the optimum incident optical angle. Besides, an appropriate optical wedge on the output optical facet is designed to reduce the wavelength dependence of the diffracted beam angle, which is very significant in practical applications of AOTF.     

集成光学声光可调谐光谱仪的特性分析

提出了一种以集成光学声光可调谐滤波器作为分光元件的新型光谱仪 ,并详细介绍了这种光谱仪的具体特性。通过对这种光谱仪的特征方程、点扩展函数以及色散本领的详细分析 ,指出该光谱仪的分辨本领与器件的声光作用长度成正比 ,也与它的级联级数的平方根成正比。因此增加器件的声光作用长度比增加它的级联级数能更有效地提高光谱分辨率。另外还指出 ,准共线声光耦合是抑制侧瓣、提高分辨本领的有效途径。测试表明 ,当声光相互作用长度L =2 5mm ,声波导和光波导的夹角θ=0 .4 2°时 ,在中心频率 174MHz附近可获得带宽 1.4 4nm ,一级侧瓣 - 13.2dB ,模式转换效率大于 99%的结果。     

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。     

AOTF在光谱分析中的应用研究2.自装AOTF可见分光光度计的应用

本文报道了自装AOTF可见分光光度计的基本特性。采用镨钕滤光片和氧化钬滤光片的特征吸收峰进行波长校正，经四次多项式拟合后峰位置误差小于0.7nm。与商品仪器（UV1100分光光度计）相比，自装AOTF可见分光光度计的扫描速度大大加快，而分辨率与AOTF本身的质量有关。文中给出了硫酸铜溶液和茜素红溶液的扫描镨图及其校准曲线，其相关系数分别是0.9991和0.9990，这表明自装AOTF分光光度计的性能是可靠的。     

白光干涉偏振模耦合分布式光纤传感器分析

分布式光纤传感器能够测量沿光纤长度上连续分布的外界量。用保偏光纤作为传感光纤的分布式光纤传感器,被测外界量引起保偏光纤中传播的两正交偏振模的相互耦合。用迈克尔逊干涉仪两臂光程差来补偿两个偏振模的光程差的方法探测传感信号。为了设计白光干涉偏振模耦合分布式传感器,根据统计光学原理分析了传感器的互相干特性。在此基础上分析了传感器的空间分辨力、光纤耦合点分辨力、最大传感光纤长度。波长1310nm、谱宽36nm的超辐射发光二极管(SLD)作光源．用色散参量为600ps／km,拍长3mm的保偏光纤的分布传感器空间分辨力和光纤耦合点分辨力分别为6cm和3mm。     

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。     

基于AOTF成像光谱精密测量技术的研究

声光可调滤波器(AOTF)作为光谱成像的一种新型分光元件,在运用其进行成像光谱时,一般选择入射光垂直于AOTF入射面时所对应的衍射中心波长为CCD的光谱测量波长。但在实际测量中,空间目标不同位置的光线总是以不同的角度进入到AOTF,这样就导致了CCD实际测量的光谱和以光垂直入射时所对应的光谱为测量光谱相比出现误差,影响了光谱的测量精度。采用的成像光谱系统的特点是目标光线经前置光学系统、AOTF和成像透镜后,聚焦成像于透镜的焦平面上,实现了目标光在整个系统的一次成像。此一次成像与传统的二次成像相比,能够有效的提高光能利用率和成像质量。由于AOTF的视场角为±3°,所以通过对AOTF视场角范围内衍射中心波长随入射角度变化的实际规律进行了分析研究,并对衍射波长随入射角度变化的实际测量值进行了拟合修正,得到了修正方程。实验结果表明用修正后的方程进行光谱测量,其相对误差值可以减小一个数量级。此方法可为今后提高AOTF成像光谱测量精度奠定基础。     

A high—speed automatic spectrometer based on a solid—state non—collinear acousto-optic tunable filter

An automatic visible spectrometer based on a non-collinear acousto-optic tunable filter (AOTF) is constructed for high-speed spectrometry. Its spectral filtering characteristics, such as relationships between the radio-frequency (RF) driving frequency and the output central wavelength, the output bandwidth and the central wavelength, its typical spectral point spread function (PSF), and so on, are studied systematically. The preliminary measurement results of AOTF spectrometer show that it is a solid-state, high-speed, easily controllable by computer-programming, rugged and compact spectroscopic device in comparison with a conventional grating spectrometer, and has the potential for widespread spectrometric applications.     

纳米多孔氮化铌薄膜红外宽带光响应特性

具有超导绝缘相变特性的纳米多孔超导薄膜在红外光电探测领域有着潜在的应用价值,而其在红外波段的宽带光响应特性研究目前尚未见报道.为此,本文以纳米多孔氮化铌(NbN)薄膜为主要对象,研究了其在780—5000nm的近、中红外波长范围内的光响应特性.首先,采用Drude模型拟合的方法,不仅将对实验数据拟合的精度提高了约17%,而且得到了中红外波段的NbN光学参数;进而,采用时域有限差分法分析了加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件的光响应特性,并给出了能够将纳米多孔薄膜简化为均匀薄膜的Bruggeman等效模型,从而可以将纳米多孔NbN薄膜光响应特性的仿真维度由三维降为一维;最后,基于等效模型和传输矩阵法,对加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件在近、中红外波段内的光吸收特性进行了优化设计.结果表明:一方面,使用Bruggeman等效模型简化设计过程并不会影响最终结果的正确性;另一方面,仅仅是加载较为简单的光学腔,即可使得探测器的薄膜光吸收率在近、中红外宽带设计时均大于82%,在近红外双波长设计时均大于93.7%,并且多孔薄膜结构具有天然的极化不敏感特性.     

声光调制光谱相机的成像漂移

研究了基于声光可调滤波机理的光谱相机在成像时由声光晶体的色散而产生的图像漂移现象。利用色散补偿法和图像位移补偿法,理论计算并实验测量了声光可调滤波器（AOTF）在可见光（488～644 nm）波段内由晶体外衍射角所引起的图像漂移,并进行了优化实验。采用色散补偿法,调整入射光为准平行光,入射光波长为488～644 nm时,在晶体出射面添加0.6°的光楔,晶体外衍射角的变化量可由0.066 50°降低到0.004 2°,即图像漂移量由162.1μm降低到10.9μm;采用图像位移补偿法,不添加光楔,入射光波长为488～644 nm时,图像水平漂移量可从468μm降低到0.658μm,漂移量在一个像元内。实验表明：基于提出的两种方法可忽略成像漂移对图像的影响,有效提高了基于AOTF机理的光谱相机的成像分辨率。     

AOTF成像光谱仪声光晶体光谱传递函数的研究

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,仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理,利用光学域光谱透过函数,推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数,在工作波段为400 nm~900 nm内,计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数,并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析,最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明:在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下,当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时,相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪,光谱传递函数提高了68%;当工作中心波长不相等时,双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型,存在临界值。     

A new type of small size acousto-optic tunable filter with super narrow optical linewidth

The new concept of the creation of an acousto-optic tunable filter (AOTF) with super-resolution and small size is discussed. The advantage of the device is based on the use of a novel type of multi reflector beam expander that produces a highly collimated optical beam (angular spread about 100 ppm), tilted with a change in optical wavelength. The proposed AOTF, 1 cm in length, can have an optical linewidth about 0.1 nm and up to 400 tunable channels at a wavelength of 1540 nm. It can be utilized as a tunable filter for dense wavelength-division multiplexing (DWDM) in fiber optic networks and as a small-sized tunable optical spectrometer, for example, in sensors of gases, liquids and solids. The acousto-optic tunable filter can be developed by known technology developed for the creation of integrated optics and microelectronics devices. Received: 28 April 2001 / Revised version: 22 August 2001 / Published online: 2 November 2001     

基于AOTF的成像光谱仪及其在同色异谱目标鉴别中的应用

为了同时获得同色异谱目标的光谱信息和空间分布信息,设计了基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的成像光谱仪,主要包括前置成像透镜组、AOTF滤光成像模块、AOTF驱动器、CCD图像检测器、图像采集卡和计算机。在计算机的控制下,实现波长的快速扫描,获取每个设定波段下的灰度图像,构建一个光谱图像立方体,因此可以获得图像中任意一点的光谱信息。所设计的成像光谱仪,光谱范围为550 ～1 000 nm,光谱分辨率2.6 nm(@632 nm),光谱扫描速度快,任意两个波长之间的切换时间小于80 μs,整个仪器无机械运动部件,功耗低,抗振能力强。利用该仪器对真假玫瑰花进行了鉴别试验,对涂改物证进行了信息复原实验,并成功地辨别出真假玫瑰花和复原出涂改物证,证实了该成像光谱仪具有优异的同色异谱目标鉴别本领,在同色异谱物质的鉴别上具有广阔的应用前景。     

声光滤光器性能指标的计算和讨论

以可调谐声光滤光器为元件所制造的光谱分析仪,利用声光谱光器的电调谐分光作用,辅以计算机控制,以完成信息的实时处理,其中声光滤光器性能指标的好坏将直接影响光谱分析仪的设计制造本文对用不同切向的氧化碲晶体所制成几种声光滤光器的几项性能指标进行计算的讨论,使在设计制造光谱分析仪时对声光谱光器的声光和电性能先有一个总体认识,以减少不必要的实验和摸索。     

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。