一種聲光調(diào)制型寬譜段多通道偏振單色光源的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種聲光調(diào)制型寬譜段多通道偏振單色光源，該裝置利用拋物面反光罩、共焦離軸拋物面反射鏡和光闌提高了光能利用效率的同時減少了雜光的干擾；經(jīng)分色片分束而成的可見、短波、中波紅外三個波譜通過聲光可調(diào)濾波器的調(diào)制，得到從可見到中波紅外的寬譜段、多通道、可調(diào)諧偏振單色光源。該光源內(nèi)部無移動部件，具有光譜特性穩(wěn)定、線偏振特性高、小型化、低功耗、輕量型等優(yōu)點，可以很好的滿足野外環(huán)境的需求。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及一種多通道偏振單色光源，具體指一種基于聲光可調(diào)濾光器分光的寬 譜段、多通道、小型化的光譜可調(diào)諧偏振單色光源，適用于光譜檢測、分析等相關(guān)領(lǐng)域。 一種聲光調(diào)制型寬譜段多通道偏振單色光源

【背景技術(shù)】
[0002] 偏振單色光源不僅是實驗室的理想光源，而且在攝影技術(shù)、醫(yī)學研究、各向異性材 料的顯示、物質(zhì)的分類和鑒別、產(chǎn)品質(zhì)量的控制等領(lǐng)域也有著十分廣泛的需求。從立體電影 的拍攝和觀看，到智能樓宇的設(shè)計和建設(shè)；從上海世博會開幕式令人心動的大屏幕投影技 術(shù)，到眼科視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度的測量；從倫敦奧運會跳水運動首次實現(xiàn)水下境況的電 視直播，到城市路面夜間行駛的普通汽車燈光，都和光的偏振特性、單色特性密不可分。獲 得單色光源的主要手段有激光器和單色儀。激光器是一種理想的單色、偏振光源，但激光器 受其發(fā)射機理的限制，其波段比較單一，很難在寬波段范圍實現(xiàn)可調(diào)諧，此外一些激光器需 要高功率的泵浦源、水冷等復雜的配套設(shè)備，使其在室外的應用受到限制。單色儀使用廣 泛，如圖3所示，單色儀光路主要有照明光源、狹縫、離軸拋物面反射鏡Ml、閃耀光柵、離軸 拋物面反射鏡M2,出射狹縫S2組成。光源發(fā)出的光均勻地照亮在入射狹縫S1上，S1位于 離軸拋物面鏡Ml的焦面上。從入射狹縫S1出射的光經(jīng)過Ml的反射平行照射到光柵上，光 柵衍射的光經(jīng)過M2會聚到出射狹縫S2上，由于光柵的衍射作用，各衍射后的單色光按波 長依次排列，從出射狹縫出射，當步進電機帶動光柵轉(zhuǎn)動時，出射的光由短波到長波依次出 現(xiàn)，從而寬譜段可調(diào)的單色光發(fā)生功能。
[0003] 上述兩種現(xiàn)有技術(shù)的缺點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一、對激光器而言，其很難在 寬波段范圍內(nèi)實現(xiàn)可調(diào)諧，且激光器需要較高的泵浦功率，不能滿足室外需求；二、對單色 儀而言，首先，其利用閃耀光柵分光，依靠步進電機的控制實現(xiàn)光譜的掃描輸出，具有穩(wěn)定 性較差、需多次標定的缺點；其次，單色儀出射光源的線偏振特性差，要獲得高消光比的單 色光輸出，需要附加其他的偏振器件；最后，單色儀整個裝置笨重，且功耗較大，不能滿足便 攜性及室外應用的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本專利針對光譜分析對穩(wěn)定偏振單色光源的需求，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，利 用A0TF獨特的分光特性，以及小體積、無移動部件、電調(diào)制光譜的優(yōu)點，得到寬波段、多通 道、可調(diào)諧的偏振單色光源。
[0005] 本專利的目的在于解決現(xiàn)有單色光源不能同時滿足寬譜段光譜可調(diào)諧和線偏振 特性要求的技術(shù)難題，同時實現(xiàn)儀器的小型化、便攜性。
[0006] 本專利所采用的技術(shù)方案如圖2所示：光路由鹵素燈寬譜光源1、拋物面反光罩2、 第一離軸拋物面反射鏡3、孔徑光闌4、第二離軸拋物面反射鏡5、第一分色片6、第一A0TF7、 第二分色片8、第二A0TF9、第三A0TF10、主控電路11、電腦12組成。其工作方式如下所述：
[0007] 鹵素燈寬譜光源1發(fā)出的寬譜連續(xù)光依次被拋物面反光罩2和第一離軸拋物面反 射鏡3反射，然后通過孔徑光闌4空間濾波，繼而被第二離軸拋物面反射鏡5準直成寬譜平 行光；該平行光經(jīng)過第一分色片6被分成可見與紅外兩束光，其中可見光反射后垂直入射 第一 A0TF7 ;紅外光按原光路入射至第二分色片8,再分成短波紅外與中波紅外兩束光，短 波紅外反射后垂直入射第二A0TF9,中波紅外按原光路直入射第三A0TF10 ;主控電路11實 現(xiàn)對第一 A0TF7、第二A0TF9、第三A0TF10的驅(qū)動控制及鹵素燈寬譜光源1的控制。由此實 現(xiàn)可見到中波紅外寬譜段的連續(xù)偏振光的光譜可調(diào)諧輸出。
[0008] 本專利偏振單色光源的工作原理如下所述：
[0009] 1、額定功率20W，額定電壓12V的鹵素燈寬譜光源1置于焦距20mm、孔徑20mm的 鋁制拋物面反光罩2的焦點；直徑76. 2mm、單焦長38. 1mm、有效反射焦長76. 2mm、離軸角90 °的拋物面反光鏡3與直徑25. 4mm、單焦長12. 7mm、有效反射焦長25. 4mm、離軸角90 °的 離軸拋物面鏡5共焦放置；直徑0. 5mm的孔徑光闌4位于離軸拋物面鏡3、5的共同焦點位 置。鹵素燈寬譜光源1發(fā)出的寬譜連續(xù)光依次被拋物面反光罩2和第一離軸拋物面反射鏡 3反射，然后通過孔徑光闌4空間濾波，繼而被第二離軸拋物面反射鏡5準直成寬譜平行光。
[0010] 2、入射角45 °、厚度lmm、350nm-1000nm范圍內(nèi)反射率大于90%、波長大于lOOOnm 范圍內(nèi)透過率大于85%的第一分色片6和入射角45 °、厚度為lmm、1000nm-2500nm范圍 內(nèi)反射率大于90%、2500nm-5000nm范圍內(nèi)透過率大于90%的第二分色片8的結(jié)合使用， 將鹵素燈寬譜光源1發(fā)出的經(jīng)過空間濾波的寬譜連續(xù)平行光依次分成350nm-1000nm、 1000nm-2500nm、2500nm-5000nm 三個連續(xù)波段。
[0011] 3、350nm-1000nm范圍內(nèi)衍射效率85%的第一 A0TF7在控制電路11及電腦12的 控制下，對垂直入射的波長350nm-1000nm的光進行調(diào)制，實現(xiàn)350nm-1000nm范圍內(nèi)的多 通道、可調(diào)諧、偏振單色光輸出；1000nm-2500nm范圍內(nèi)衍射效率90%的第二A0TF9在主 控電路11及電腦12的控制下，對垂直入射的波長1000nm-2500nm的光進行調(diào)制，實現(xiàn) 1000nm-2500nm范圍內(nèi)的多通道、可調(diào)諧、偏振單色光輸出，2500nm-5000nm范圍內(nèi)衍射效 率80%的第三A0TF10在主控電路11及電腦12的控制下，對垂直入射的波長2500nm-5000nm 的光進行調(diào)制，實現(xiàn)2500nm-5000nm范圍內(nèi)的多通道、可調(diào)諧、偏振單色光輸出。
[0012] 本專利的核心在于使用第一 A0TF7、第二A0TF9、第三A0TF10實現(xiàn)光譜選擇及偏振 控制。A0TF的分光原理如圖4所示，它是根據(jù)聲光衍射原理制成的分光器件，由三部分組 成，即聲光介質(zhì)、換能器陣列、吸聲體。換能器將電信號轉(zhuǎn)換為在晶體內(nèi)的超聲波振動，超聲 波使介質(zhì)的折射率產(chǎn)生了空間周期性的調(diào)制，其作用像位相光柵。當滿足布拉格衍射條件 時，入射光照射到此光柵后將產(chǎn)生布拉格衍射，其衍射光的波長與驅(qū)動電信號的頻率有著 對應的關(guān)系，所以只要改變驅(qū)動電信號的頻率，即可改變衍射光的波長。利用Te02制作的 A0TF其+1、-1級衍射光為偏振比很高的（3000:1)的線偏振光，且能普遍用于可見到中波紅 外波段。通過改變第一A0TF7的驅(qū)動電信號，就可以在可見光波段獲得可調(diào)波長的偏振、單 色光源；通過改變第二A0TF9的驅(qū)動電信號，就可以在短波紅外波段獲得可調(diào)波長的偏振、 單色光源；通過改變第三A0TF10的驅(qū)動電信號，就可以在中波紅外波段獲得可調(diào)波長的偏 振、單色光源。
[0013] 本專利的工作流程如圖5所示，啟動電腦中的控制軟件以后，在軟件內(nèi)輸入需要 的波長信息，并按光功率要求設(shè)定鹵素燈寬譜光源電流，系統(tǒng)將自動判定波長所處的波譜 范圍，將波長對應的偏壓置于相應的A0TF獲得所需波長的偏振光，若輸出的光強不滿足所 需條件，則調(diào)節(jié)鹵素燈寬譜光源的電流，重新獲得光源輸出。當所需要的波長不在系統(tǒng)的波 譜范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)會提示"輸入錯誤，請重輸入"。當前狀態(tài)下使用完畢時，如需繼續(xù)使用 其他波長，則重新設(shè)定波長，重復上述過程，獲得所需波長的光源輸出，否則關(guān)機結(jié)束。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用聲光調(diào)制濾光器的多通道寬譜段、小型化、可調(diào)諧偏振單色 光源具有以下顯著優(yōu)點：一、利用A0TF聲光效應特性，產(chǎn)生正交偏振特性的波長可調(diào)的+1、 或-1級衍射光，其消光比為3000 :1，能實現(xiàn)高消光比的正交偏振光譜可調(diào)的單色光輸出； 二、寬譜段共反射前光路，并通過分色片實現(xiàn)多通道譜段分離，結(jié)合匹配的A0TF，實現(xiàn)寬譜 段多通道的單色光輸出；三、使用A0TF為主要分光器件，其非機械掃描的特性具有波長穩(wěn) 定性強、抗震性能好、環(huán)境適應性強等特點，且集成度高、體積小、重量輕、便于攜帶，適合外 場惡劣環(huán)境應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為水平傳播光的偏振特性的標識。
[0016] 圖2為光源組成示意圖。
[0017] 圖3為典型光柵分光單色儀的示意圖。
[0018] 圖4為A0TF分光的示意圖。
[0019] 圖5為光源工作流程圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本專利進一步說明。
[0021] 本專利采用以下主要器件：
[0022] 1.鹵素燈寬譜光源：光源采用德國歐司朗照明有限公司的HalogenDisplay/ Optic Lamp，型號為64258,其額定功率20W，額定電壓12V。
[0023] 2.拋物面金屬反光罩：選用鋁質(zhì)材料加工定做，其焦距20臟，口徑20mm。
[0024] 3.第一離軸拋物面鏡：第一離軸拋物面鏡選用北京茂豐光電科技有限公司的離 軸拋物面鏡，型號為0QALM76. 2-002,其主要參數(shù)為直徑76. 2mm，單焦長38. 1mm，有效反射 焦長76. 2,尚軸角90 °。
[0025] 4.孔徑光闌：孔徑光闌為金屬圓孔光闌，孔徑直徑0. 75mm。
[0026] 5.第二離軸拋物面鏡：第二離軸拋物面鏡選用北京茂豐光電科技有限公司的離 軸拋物面鏡，型號為0QALM25. 4-001，其主要參數(shù)為直徑25. 4mm，單焦長12. 7mm，有效反射 焦長25. 4mm，離軸角90 °。
[0027] 6.第一分色片：第一分色片采用TH0RLABS公司的分色鏡，型號為FM203,其主要參 數(shù)為，入射角45 °，厚度1毫米，350nm-1000nm的反射率大于90%，波長大于lOOOnm的透過 率大于85%。
[0028] 7.第一 A0TF :第一 A0TF使用美國CTI公司成產(chǎn)的聲光可調(diào)諧濾波器（A0TF)，其型 號為97-01776-01，主要參數(shù)為，波長范圍為350nm-1000nm，衍射效率85%。
[0029] 8.第二分色片：第二分色片采用TH0RLABS公司的二向色鏡，型號為DMLP1200 高通二向色鏡，其主要參數(shù)為，截止頻率2500nm，1000nm-2500nm范圍的反射率大于90%， 2500nm-5000nm范圍的透過率大于90%。
[0030] 9.第二AOTF :第二A0TF使用美國CTI公司成產(chǎn)的聲光可調(diào)諧濾波器（A0TF)，其型 號為97-01608-01，主要參數(shù)為，波長范圍為1000nm-2500nm，衍射效率90%。
[0031] 10.第三A0TF :第三A0TF使用美國CTI公司成產(chǎn)的聲光可調(diào)諧濾波器（A0TF)，其 型號為97-02405-01，主要參數(shù)為，波長范圍為2500nm-5000nm，衍射效率80%。
[0032] 11.主控電路為自制電路板，有電源、數(shù)控等模塊組成。
[0033] 12.電腦采用聯(lián)想公司生產(chǎn)的臺式電腦，其型號為聯(lián)想Eraser異能者D305。
[0034] 本專利主要工作原理如圖2所表述：
[0035] 1.鹵素燈寬譜光源1發(fā)出的寬譜連續(xù)光依次被拋物面反光罩2和第一離軸拋物面 反射鏡3反射，然后通過孔徑光闌4空間濾波，繼而被第二離軸拋物面反射鏡5準直成寬譜 平行光；
[0036] 2.該平行光經(jīng)過第一分色片6被分成可見與紅外兩束，其中可見光反射后垂直入 射第一 A0TF7 ;紅外光按原光路入射至第二分色片8,再分成短波紅外與中波紅外兩束光， 短波紅外反射后垂直入射第二A0TF9,中波紅外按原光路直入射第三A0TF10 ;
[0037] 3.主控電路11實現(xiàn)對第一 A0TF7、第二A0TF9、第三A0TF10的驅(qū)動控制及鹵素燈 寬譜光源1的控制。最終實現(xiàn)可見到中波紅外寬譜段的連續(xù)偏振光的光譜可調(diào)諧輸出。
[0038] 本專利的工作流程如圖5所示，啟動電腦中的控制軟件以后，在軟件內(nèi)輸入需要 的波長信息，并按光功率要求設(shè)定鹵素燈寬譜光源電流，系統(tǒng)將自動判定波長所處的波譜 范圍，將波長對應的偏壓置于相應的A0TF獲得所需波長的偏振光，若輸出的光強不滿足所 需條件，則調(diào)節(jié)鹵素燈寬譜光源的電流，重新獲得光源輸出。當所需要的波長不在系統(tǒng)的波 譜范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)會提示"輸入錯誤，請重輸入"。當前狀態(tài)下使用完畢時，如需繼續(xù)使用 其他波長，則重新設(shè)定波長，重復上述過程，獲得所需波長的光源輸出，否則關(guān)機結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1. 一種聲光調(diào)制型寬譜段多通道偏振單色光源，它由鹵素燈寬譜光源（1)、拋物面反 光罩（2)、第一離軸拋物面反射鏡（3)、孔徑光闌（4)、第二離軸拋物面反射鏡（5)、第一分色 片（6)、第一 AOTF (7)、第二分色片（8)、第二AOTF (9)、第三AOTF (10)、主控電路（11)和 電腦（12)組成，其特征在于： 鹵素燈寬譜光源（1)發(fā)出的寬譜連續(xù)光依次被拋物面反光罩（2)和第一離軸拋物面反 射鏡（3)反射，然后通過孔徑光闌（4)空間濾波，繼而被第二離軸拋物面反射鏡（5)準直成 寬譜平行光；該平行光經(jīng)過第一分色片（6)被分成可見與紅外兩束光，其中可見光反射后 垂直入射第一 AOTF (7);紅外光按原光路入射至第二分色片（8)，再分成短波紅外與中波 紅外兩束光，短波紅外反射后垂直入射第二AOTF (9)，中波紅外按原光路直入射第三AOTF (10);主控電路（11)實現(xiàn)對第一 AOTF (7)、第二AOTF (9)、第三AOTF (10)的驅(qū)動控制及 鹵素燈寬譜光源（1)的控制，由此實現(xiàn)可見到中波紅外寬譜段的連續(xù)偏振光的光譜可調(diào)諧 輸出。
【文檔編號】G01J3/10GK203881442SQ201420145047
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】何志平, 楊秋杰, 劉經(jīng)緯, 徐映宇, 張小衛(wèi), 王建宇, 舒嶸 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所