大孔徑中波聲光可調濾光器

張澤紅,王智林,劉 玲,陳永峰

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

中波(3～5 μm)為大氣窗口，光波衰減小，是光譜成像探測的常用波段。利用中波聲光可調濾光器(簡稱“中波濾光器”)制作的中波光譜成像系統具有凝視成像，光譜分辨率高，無運動部件，響應速度快，重現性好及環境適應性好等優點，其工作方式靈活、方便，工作波長既可以連續掃描，也可以針對多個特征光譜跳選，還可以通過編程實現多波長同時工作，達到迅速識別單一波段無法識別復雜目標的目的[1]。

1 主要參數設計

1.1 光譜范圍、工作頻率與光譜分辨率

氧化碲晶體的聲光優值高，是制作聲光可調濾光器的常用晶體材料，因此，本文采用氧化碲晶體為聲光互作用介質材料。為了盡可能多的匯聚光能量，中波濾光器采用具有大角孔徑的非同向工作模式設計。根據入射光偏振模式的不同，非同向大角孔徑聲光可調濾光器有兩種工作模式，即：

1) e光入射型。入射光為e光(非尋常光)，得到的衍射光為o光(尋常光)。

2) o光入射型。入射光為o光(尋常光)，得到的衍射光為e光(非尋常光)。

根據偏振光成像分析的需要，本文采用o光入射型工作模式，其波矢量布局如圖1所示[2]。

圖1 o光入射型濾光器的波矢量布局

在圖1中，[001]軸為氧化碲晶體光軸， 圓的半徑是o光的折射率no， 橢圓的長、短軸分別為e光的折射率ne和o光的折射率no，θd為衍射光極角(衍射光與光軸的夾角，簡稱“衍射角”)；θi為入射光極角(入射光與光軸的夾角，簡稱“入射角”)；θa為超聲極角(超聲波與光軸的夾角，簡稱“超聲角”)。Ki、Kd和Ka分別為入射光波矢量、衍射光波矢量和超聲波矢量，對于入射o光，Ki、Kd和Ka的相互關系為

Kd=Ki+Ka

(1)

根據o光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[2]，衍射e光在晶體內的θd為

(2)

(3)

式中nd為衍射e光的折射率，則有：

(4)

θi對應的θa為

(5)

濾出的光波長λ0與工作頻率f的調諧關系為

(6)

衍射e光的光譜分辨率Δλ0為

(7)

式中:b為氧化碲晶體的色散常數；L為濾光器的聲光互作用長度。晶體外，衍射e光與入射光的分離角Δθ為

(8)

1.2 孔徑角

o光入射型濾光器的Ki、Kd和Ka的角度關系如圖2所示。

圖2 波矢量角度關系

(9)

其中

(sin2θd/no)

(10)

(11)

表1 不同λ0的和

1.3 衍射效率

對于光孔徑20 mm×20 mm的濾光器，聲波傳輸距離大，設計時必須考慮聲波的衰減影響，因此,采用考慮了聲波衰減系數的衍射效率公式[3]:

(12)

式中:M2為氧化碲晶體的聲光優值;k為換能器機電耦合系數;H為光孔徑;μ為1 GHz聲波在距離換能器10 mm處的聲波衰減系數(290 dB/(cm·GHz2));m為光到換能器的距離。

θi對聲光可調濾光器的光譜范圍、f、衍射效率(η)、Δθ、Δλ0等參數的影響均較大。目前成熟的氧化碲晶體長度為60 mm，制作光孔徑20 mm×20 mm的濾光器能達到的最佳互作用長為21 mm。當L=21 mm、驅動電功率P=8 W時，利用式(6)～(8)、(11)可得θi不同時的光譜范圍、η、Δθ、f和Δλ0，如表2所示。

表2 θi不同時的各項參數

由表2可知，在L和P一定時，θi越小，衍射效率越高，f越低，Δλ0越大、Δθ越小；反之，θi越大，衍射效率越低，f越高，Δλ0越小，Δθ越大。

器件的Δθ對整機系統的體積影響較大。Δθ越小，需要分開衍射光的距離越長，成像系統的體積越大；反之，Δθ越大，需要分開衍射光的距離越短，成像系統的體積越小，因此，為減小成像系統整機的體積，則Δθ盡可能高。

綜合考慮，θi=20°時濾光器的衍射效率、Δθ、f與Δλ0為最佳，因此，θi=20°時，不同λ0對應的f、Δθ及Δλ0如表3所示。

表3 不同λ0對應的f、Δθ及Δλ0

由表3可知，中波濾光器平均分離角為5.279°，3～4.5 μm光譜內，最大的角度偏差為0.011°，因此，中波濾光器可不用考慮衍射光角度漂移的問題。

利用式(12)可得不同λ0的η(見表4)。由式(12)可知，η與λ0的平方成反比,即λ0越長，η越小。解決的辦法是隨著λ0的增加而增大P，以彌補η的降低。

表4 不同λ0的衍射效率

由表4可知，λ0對η的影響較大，雖然P隨著λ0的增加而增大，但η還是隨著λ0的增加而逐漸降低。

2 實驗結果

我們利用單片換能器實現了3.0～4.5 μm的濾光范圍，實測工作頻率為13.9～20.8 MHz。器件外形如圖3所示，驅動器外形如圖4所示。

圖3 器件外形

圖4 驅動器外形

使用上海技術物理所研制的聲光可調濾光器測試系統測量，濾出的光譜圖形如圖5～7所示。由圖5～7可知，濾出的中心波長分別為3 000 nm、4 000 nm和4 500 nm，這3個中心光波長對應的η分別為90.3%、83.6%和64.2%，對應的Δλ0分別為21.8 nm、37.5 nm和43.9 nm。

圖5 中心波長為3 000 nm的光譜圖形

圖6 中心波長為4 000 nm的光譜圖形

圖7 中心波長為4 500 nm的光譜圖形

P≈10 W時，濾光器的f、η、Δλ0與λ0的關系如表5所示。實測結果與理論值之間存在一定的差異，差異主要是因為晶體加工誤差、測量誤差兩方面。

表5 η、f、Δλ0與λ0的實測關系

續表

3 分析與結論