專利名稱：聲光可調(diào)諧濾光器衍射性能弱光測試系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測量技術(shù)，具體指一種聲光可調(diào)諧濾光器在弱光條件下衍射性能 測試系統(tǒng)，它用來測量聲光可調(diào)諧濾光器的衍射效率、光譜分辨率、旁瓣及二次諧波等衍射 性能。
背景技術(shù)：
聲光可調(diào)諧濾光器(Acousto-optic tunable filter，A0TF)是一種窄帶可調(diào)濾光 器，它是根據(jù)聲光作用原理制成的分光器件。通過改變施加在晶體上射頻驅(qū)動(dòng)的頻率選擇 分光波長，從而實(shí)現(xiàn)波長掃描。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于非成像及成像光譜儀器。AOTF的分光原理如附圖1、附圖2所示，當(dāng)一束復(fù)色光通過一個(gè)高頻振動(dòng)的具有 光學(xué)彈性的晶體時(shí)，某一波長的單色光將會(huì)在晶體內(nèi)部產(chǎn)生衍射，以一定角度從晶體中透 射出來，未發(fā)生衍射的復(fù)色光則沿原光線傳播方向直接透射過晶體，由此達(dá)到分光的目的。 當(dāng)晶體振動(dòng)頻率改變時(shí)，可透射單色光的波長也相應(yīng)改變。各向同性和各向異性布拉格衍 射都能用于濾光器件，但是采用各向同性晶體作濾光片實(shí)用性極差，它對于入射光的平行 性要求苛刻(張角在千分之一弧度以內(nèi))，微小的偏差也會(huì)導(dǎo)致光譜通帶顯著加寬，而且不 同波長對應(yīng)的衍射角也不同，因此，AOTF都采用雙折射晶體各向異性布拉格衍射。在各向 異性AOTF中，入射到AOTF的光線入射角有一個(gè)小的改變?chǔ)?Qi時(shí)，由于雙折射量隨角度的 變化恰好補(bǔ)償了因角度變化而引起的動(dòng)量失配，所以仍能夠保持動(dòng)量匹配條件近似成立， 聲光衍射對入射光在一定角度內(nèi)變化不很敏感，從而可以做成大角孔徑的A0TF。AOTF衍射性能包括衍射效率、光譜分辨率、旁瓣、二次諧波等，對AOTF衍射性能的 測試需要實(shí)現(xiàn)全波段覆蓋。目前，國內(nèi)對AOTF衍射效率進(jìn)行測試的方法主要集中于采用連續(xù)寬譜段光源(例 如鹵鎢燈)，通過光譜接收系統(tǒng)進(jìn)行出射光的光譜特性測試，其測試裝置示意圖見附圖3。 首先光源準(zhǔn)直，利用偏振片產(chǎn)生垂直偏振光入射，利用光譜儀接收到0級(jí)光光譜。設(shè)不加射 頻信號(hào)時(shí)0級(jí)光的光譜強(qiáng)度為Itl,加射頻驅(qū)動(dòng)后0級(jí)光最小值為I，衍射效率T = (I0-I)/I00 在驅(qū)動(dòng)功率固定的情況下，改變AOTF射頻驅(qū)動(dòng)頻率，可進(jìn)行光譜掃描。該方法的缺陷在于， 該方法利用未驅(qū)動(dòng)時(shí)與驅(qū)動(dòng)時(shí)0級(jí)光的光譜強(qiáng)度的差值作為衍射光的光譜強(qiáng)度，這一過程 將轉(zhuǎn)化為其它能量形式的光強(qiáng)都認(rèn)為是衍射光強(qiáng)，使得測試結(jié)果與實(shí)際AOTF的衍射效率 會(huì)有差別。另一種常用的測試技術(shù)是利用激光作為光源，該方法僅需要利用能量接收系統(tǒng)就 可以方便的進(jìn)行各級(jí)光能量的測量及計(jì)算，從而得出AOTF衍射效率。若使用單一波長的激 光器無法滿足AOTF連續(xù)譜段測試的需求，且該種測試方法對激光器能量的穩(wěn)定性要求比 較高。利用波長可調(diào)諧激光器配合分束鏡既可以實(shí)現(xiàn)全波段的測試(圖4所示)，同時(shí)測試 精度較高。但是該方法也有其局限性，目前利用該方法測試衍射效率和光譜分辨率都是采 用手動(dòng)方式，效率偏低，若要檢測旁瓣和二次諧波則需花費(fèi)大量時(shí)間。同時(shí)激光能量強(qiáng)，無 法反映AOTF在弱光條件下的衍射性能，對于滿足應(yīng)用需求也有局限性。
本發(fā)明的目的是提供一種在弱光條件下測量聲光可調(diào)諧濾光器衍射性能的系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)高效、高精度、全波段的測試。如附圖5所示，本發(fā)明是以由溴鎢燈(11)、單色儀(12)組成的單色光源系統(tǒng)(1) 作為光源；單色光通過光闌孔(2)后由斬光器(31)對其進(jìn)行頻率調(diào)制形成交流光信號(hào)，并 提供參考信號(hào)給鎖相放大器(32)；調(diào)制后的光信號(hào)依次經(jīng)由準(zhǔn)直鏡(4)、起偏器(5)、濾光 片(6)形成單波長準(zhǔn)直偏振光，并入射AOTF(IOl)；會(huì)聚鏡(7)對透過AOTF(IOl)的0級(jí)光 及驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生的衍射光進(jìn)行會(huì)聚，并由棱鏡(8)將0級(jí)光和衍射光折轉(zhuǎn)至兩個(gè)方向，分別由 第一光電探測器(91)接收0級(jí)光，第二光電探測器(92)接收衍射光。具體方法在不加射頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，掃描單色波長，由第一光電探測器(91)接收0級(jí)光 光譜強(qiáng)度Itl ；在施加射頻驅(qū)動(dòng)下，固定驅(qū)動(dòng)頻率，掃描單色波長，由第二光電探測器(92)接 收衍射光光譜強(qiáng)度I1 ；AOTF衍射效率曲線計(jì)算公式如下
1O當(dāng)衍射光光譜強(qiáng)度I1最大為Imax時(shí)，義。=￥，此時(shí)，對應(yīng)的波長即為該驅(qū)動(dòng)頻率
1O
對應(yīng)的衍射中心波長，為該中心波長的衍射效率。當(dāng)I1Acl下降為時(shí)所對應(yīng)的波長 范圍即為中心波長處光譜分辨率。通過AOTF在該頻率處的衍射效率曲線，即可直觀的分析出AOTF是否存在旁瓣 (旁瓣指在該頻率對應(yīng)中心波長附近存在幅值較小的高斯曲線)及二次諧波(二次諧波指 在該AOTF的波長范圍內(nèi)，距離該頻率對應(yīng)的中心波長一定距離處存在的另一衍射波長)以 及確定其波長位置。單色光源系統(tǒng)1 由溴鎢燈11和單色儀12組成。溴鎢燈11可產(chǎn)生波長范圍為 300 2500nm連續(xù)光譜，單色儀光譜掃描間隔可達(dá)到0. 005nm,光譜分辨率可達(dá)到0. Inm,可 實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)的全譜段掃描。光闌孔2可控制入射光斑的大小。光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)3由斬光器31、鎖相放大器32組成。斬光器31對入射光進(jìn)行頻 率調(diào)制形成交流光信號(hào)，并提供參考信號(hào)給鎖相放大器32，使得探測器可以檢測出弱信號(hào)， 即實(shí)現(xiàn)弱光條件下AOTF衍射性能測試。準(zhǔn)直鏡4將入射點(diǎn)光源擴(kuò)束為準(zhǔn)直光，起偏器5將準(zhǔn)直光起偏為與AOTF設(shè)計(jì)的入 射光相同的偏振態(tài)，濾光片6截止單色儀出射的二級(jí)及多級(jí)光譜，會(huì)聚鏡7將透過AOTF的 0級(jí)光及驅(qū)動(dòng)時(shí)的衍射光聚焦。棱鏡8將0級(jí)光和衍射光折轉(zhuǎn)方向，由第一光電探測器91和第二光電探測器92 分別獨(dú)立探測未驅(qū)動(dòng)時(shí)的0級(jí)光光強(qiáng)和驅(qū)動(dòng)后的衍射光光強(qiáng)，使得衍射效率計(jì)算時(shí)使用的 均為真實(shí)測量值，可提高測試準(zhǔn)確性。本專利的優(yōu)點(diǎn)在于1)本發(fā)明用連續(xù)單色光源作為入射光源，可滿足AOTF高密度、小間隔波長測試的 需求，波長覆蓋范圍廣。
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2)本發(fā)明使用鎖相放大器實(shí)現(xiàn)弱光條件下的高精度測試。3)本發(fā)明采用雙路探測器，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)后衍射光與未驅(qū)動(dòng)時(shí)0級(jí)光的獨(dú)立測量，提 高測試準(zhǔn)確性。4)本發(fā)明使用自動(dòng)控制軟件可提高測試效率，測試結(jié)果直觀化。


圖1各向異性AOTF矢量圖。圖2A0TF分光示意圖。圖3是光譜儀法AOTF衍射效率測試系統(tǒng)示意圖。圖4是可調(diào)諧激光器法AOTF衍射效率測試系統(tǒng)示意圖。圖5是AOTF衍射性能弱光測試系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面是根據(jù)圖5給出的本發(fā)明的一個(gè)較好實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和 實(shí)施方法，而不是用來限定本發(fā)明的范圍。AOTF衍射性能弱光測試系統(tǒng)包括如下幾個(gè)部分1)單色光源系統(tǒng)1 本實(shí)施方案中選用YOBIN YVON公司生產(chǎn)的HORIBA iHR320三 光柵單色儀，配套使用LSH-T250溴鎢燈、LPS250高精度穩(wěn)流源。2)光闌孔2 本實(shí)施方案選用大恒光電GCM-57可變光闌。3)光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)3 本實(shí)施方案采用Terahertz Technologies公司生產(chǎn)的 C-995斬光器，南京鴻賓微弱信號(hào)檢測有限公司生產(chǎn)的鎖相放大器。4)準(zhǔn)直鏡4、會(huì)聚鏡7、棱鏡8 本實(shí)施方案中采用的準(zhǔn)直鏡和會(huì)聚鏡均采用自行設(shè) 計(jì)的消色差鏡組，焦距均為120mm，材料為Π(2/熔石英/Π(2 ；棱鏡使用直角棱鏡，兩反射面 鍍銀膜。5)起偏器5 本實(shí)施方案中采用Thorlabs LPNIR-100,1英寸，消光比> 100 1。6)濾光片6 本實(shí)施方案中采用1500nm 3000nm帶通濾光片，透過率在60%以 上，在測試AOTF波長1500nm以后使用。7)光電探測系統(tǒng)9 本實(shí)施方案中采用Judson Technologies公司生產(chǎn)的InGaAs 探測器。本實(shí)施例選用中電26所研制的短波紅外A0TF101及配套射頻驅(qū)動(dòng)器102作為 AOTF組件，其中AOTF波長范圍900 2400nm ；使用DELL GX620型電腦103進(jìn)行軟件控制。 調(diào)節(jié)單色光源1發(fā)射的單色光束通過光闌孔2、斬光器31、準(zhǔn)直鏡4、起偏器5、濾光片6后 垂直入射A0TF101 ；由會(huì)聚鏡7對0級(jí)光和衍射光會(huì)聚，并由棱鏡8對兩路光折轉(zhuǎn)方向，并 分別聚焦于兩個(gè)光電探測器。對A0TF101不加驅(qū)動(dòng)時(shí)，由第一光電探測器91在AOTF后接 收0級(jí)光光強(qiáng)；對A0TF101施加驅(qū)動(dòng)時(shí)，由第二光電探測器92在AOTF后接收衍射光能量。 鎖相放大器32接收斬光器31、光電探測系統(tǒng)9反饋的信號(hào)。自動(dòng)控制軟件控制單色儀波長 掃描、鎖相電路信號(hào)，并由上述計(jì)算衍射效率的公式(1)計(jì)算AOTF的衍射效率，生成衍射效 率分析曲線，得出光譜分辨率、旁瓣及二次諧波情況。如上所述，本測試裝置的測試方法簡單、可操作性強(qiáng)，能快速直觀的反映AOTF的多項(xiàng)衍射性能，測試精度高、準(zhǔn)確性高，是較為理想的弱光條件下AOTF衍射性能測試裝置。
權(quán)利要求
一種聲光可調(diào)諧濾光器衍射性能弱光測試系統(tǒng)，它包括單色光源系統(tǒng)(1)、光闌孔(2)、光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)(3)、準(zhǔn)直鏡(4)、起偏器(5)、濾光片(6)、會(huì)聚鏡(7)、棱鏡(8)、由第一光電探測器(91)和第二光電探測器(92)組成的光電探測系統(tǒng)(9)，其特征在于所述的單色光源系統(tǒng)(1)發(fā)出的單色光通過光闌孔(2)后由光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)(3)進(jìn)行頻率調(diào)制；調(diào)制后的光信號(hào)依次經(jīng)由準(zhǔn)直鏡(4)、起偏器(5)、濾光片(6)形成單波長準(zhǔn)直偏振光，并垂直入射AOTF(101)；會(huì)聚鏡(7)對透過AOTF(101)的0級(jí)光及驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生的衍射光進(jìn)行會(huì)聚，并由棱鏡(8)將0級(jí)光和衍射光折轉(zhuǎn)至兩個(gè)方向，由第一光電探測器(91)接收0級(jí)光，第二光電探測器(92)接收衍射光；獲取用于分析AOTF衍射效率、光譜分辨率、旁瓣及二次諧波等衍射性能的0級(jí)光光強(qiáng)I0與衍射光光強(qiáng)I1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲光可調(diào)諧濾光器衍射性能弱光測試系統(tǒng)，其特征在 于所述的單色光源系統(tǒng)(1)由溴鎢燈(11)和單色儀(12)組成，溴鎢燈(11)可產(chǎn)生波長 范圍為300 2500nm連續(xù)光譜，單色儀光譜掃描間隔可達(dá)到0. 005nm，光譜分辨率可達(dá)到 0. lnm，可實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)的全譜段掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲光可調(diào)諧濾光器衍射性能弱光測試系統(tǒng)，其特征在 于所述的光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)(3)由斬光器(31)、鎖相放大器(32)組成，所述的斬光器(31) 對入射光進(jìn)行頻率調(diào)制形成交流光信號(hào)，并提供參考信號(hào)給鎖相放大器(32)，使得探測器 可以檢測出弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)弱光條件下AOTF衍射性能測試。
4.一種基于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的聲光可調(diào)諧濾光器衍射性能弱光測試方法，其特征 在于包括以下步驟A.在不加射頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，掃描單色波長，由第一光電探測器(91)接收0級(jí)光光譜強(qiáng)度Ιο；B.在施加射頻驅(qū)動(dòng)下，固定驅(qū)動(dòng)頻率，掃描單色波長，由第二光電探測器(92)接收衍 射光光譜強(qiáng)度I1 ；AOTF衍射效率曲線計(jì)算公式如下當(dāng)衍射光光譜強(qiáng)度I1最大為Imax時(shí)，力。=￥，此時(shí)，對應(yīng)的波長即為該驅(qū)動(dòng)頻率對應(yīng)的衍射中心波長，7^為該波長的衍射效率；C.當(dāng)I1Atl下降為7/。/2時(shí)所對應(yīng)的波長范圍即為中心波長處光譜分辨率；D.由該驅(qū)動(dòng)頻率下繪制衍射效率曲線，從中直接觀察出AOTF是否存在旁瓣和二次諧 波并確定其位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲光可調(diào)諧濾光器衍射性能弱光測試系統(tǒng)及測試方法。該系統(tǒng)由單色光源系統(tǒng)、光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及光電探測系統(tǒng)組成。單色光源系統(tǒng)可生成波長連續(xù)可調(diào)的單色光束，通過光闌孔后由斬光器對其進(jìn)行頻率調(diào)制，交流光信號(hào)依次經(jīng)由準(zhǔn)直鏡、起偏器、濾光片形成單波長準(zhǔn)直偏振光，并垂直入射AOTF；由棱鏡將會(huì)聚后的0級(jí)光及驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生的衍射光折轉(zhuǎn)不同方向，分別由兩個(gè)光電探測器接收，從而分析AOTF的衍射性能。本發(fā)明裝置原理簡單、可操作性強(qiáng)，可滿足AOTF測試連續(xù)波長的需求，同時(shí)通過自動(dòng)控制軟件可大幅提高測試效率。針對AOTF在弱光下的應(yīng)用需求，利用鎖相電路實(shí)現(xiàn)弱光條件檢測，提高測試精度。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)0級(jí)光和衍射光的獨(dú)立測試，提高測試準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01M11/02GK101907513SQ20101023490
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者何志平, 楊世驥, 沈淵婷, 王建宇, 舒嶸, 袁立銀 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所