基于聲光可調諧濾波器的光譜成像數值模擬

白如雪

摘 要：為了提高聲光可調濾波器的性能，運用雙偏振法設計了聲光可調濾波器的光路，分析了設計系統進行的數值模擬分析。結果表明，運用雙偏振法提高了光能利用率，可達到在弱光條件下檢測的目的，同時，其分辨率和信噪比等性能參數優良。

關鍵詞：AOTF；光譜成像；衍射效率；濾波器

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.099

聲光可調濾波器（AOTF）作為一種利用聲光原理的新型分光器件，具有體積小、掃描速度快和衍射效率高等優點，在航空、工農業等領域獲得了很好的應用。但聲光可調濾波器在應用中也存在一定的問題，比如因TeO2材料的色散引起的圖像模糊和圖像漂移等問題。本文對聲光可調濾波器的光譜成像數值進行了模擬分析，目的在于通過對比分析提高聲光可調濾波器的調諧精度和調諧速度，從而提高信號檢測的信噪比。

1 聲光可調濾波器的光路設計

聲光可調諧濾光器在應用中的重要環節之一是對光路系統的設計，其要求是盡量提高光譜分辨力和光譜信噪比，但也要保證系統的衍射光光譜純度和衍射效率。本文在運用雙偏振法的基礎上對設計方法進行了改進，分光系統如圖1所示。對于光源產生的自然光通過準直系統的校正，經過起偏器后自然光變成偏振光，再由聲光可調諧濾光器的聲光互作用后，出射光分為0級光以和±1級衍射光。

圖1 試驗裝置系統

2 數值模擬試驗的設計

2.1 光源的選擇

聲光可調諧濾光器的工作范圍為900～1 500 nm，而本試驗要求光源的波長范圍較廣。為了避免光源損壞探測器，光源的強度不能過高，因此，本試驗選取了鹵鎢燈，其特點是在近紅外波長范圍內比較敏感。

2.2 準直系統與檢偏器

考慮到要減少光強的損耗，本試驗選取K7平凸準直透鏡作為準直系統，其優點是對可見光、近紅外光的透過率均較好。為了獲得滿足試驗需求的偏振光，選擇了起偏波長為760 nm～2 000 MQ的近紅外偏振片。

2.3 試驗方案

試驗采用的光源為鎢燈，產生的自然光作為試驗光源，入射光經準直透鏡準直。為了盡量避免0級光對試驗結果造成影響，將1組透鏡分別放置在光軸的上、下部分，使通過聲光作用的衍射光直接經過透鏡組聚在檢偏器上。這樣可提高衍射光的利用率，降低雜光的污染，從而提高微弱信號檢測的信噪比。當光在近似水平方向入射時，調諧頻率為58 MHz，輸出波長為1 205 nm。通過公式計算衍射角，可得到Te02晶體的折射率no=2.18，ne=2.32，因此，θd=19.8°。

透鏡組中心在軸上高度H=tanα·f=24.2 mm處，進而可得出放置在光軸上、下部分的透鏡組的距光軸為4.2 mm，相距8.4 mm，在調節光路的實際過程中可忽略不計。利用組合透鏡的計算公式可求出透鏡組的焦距，已知d=20 mm，則f1'=f2'=150 mm。

3 試驗結果

為了對本系統的光譜強度性能進行分析，本文選擇調諧頻率為58 MHz、應波長為1 204 nm進行了三組試驗。第一組為正常光照強度下直接測量；第二組為利用雙偏振法消除0級光，進而測量光譜強度；第三組為本試驗介紹的試驗光路測量。三組試驗的峰值都出現在1 204 nm附近，即在58 MHz的驅動信號下的衍射波長。在第一組正常的分光系統中，峰值在220左右，說明光能通過該系統后的能量損失較少；在第二組雙偏振法分光系統中的峰值在115左右，能量損失嚴重，只有在正常系統中52.2%的能量被利用；第三組為本文設計的光路，峰值達到148左右，與未經該改進的正交雙偏振法分光系統相比，能量提高了28.6%. 與除1 205 nm附近以外的曲線進行對比可發現，無論是雙偏振法的分光系統，還是試驗所改進的分光系統，在抑制雜光污染等方面都有很大提升。

參考文獻

[1]畢衛紅，唐予軍，楊小莉，等.基于AOTF的便攜式近紅外光譜測量儀[J].半導體光電，2005，26（3）：264-266.

〔編輯：張思楠〕

Numerical Simulation of Spectral Imaging based on an Acoustic optic Tunable Filter

Bai Ruxue

Abstract： In order to improve the performance of the acoustic optic tunable filter， a dual polarization method is used to design the optical path and the numerical simulation analysis of the design system is carried out. The results show that the use of double polarization method can improve the utilization of light energy， and can achieve the purpose of detecting the weak light condition.

Key words： AOTF； spectral imaging； diffraction efficiency； filter