雙波段大孔徑角聲光可調(diào)濾光器

張澤紅,王智林,何曉亮,劉 玲

(中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

與傳統(tǒng)的分光元件相比,非共線聲光可調(diào)濾光器(簡(jiǎn)稱“濾光器”)具有孔徑角大,集光能力強(qiáng),穩(wěn)定性強(qiáng),調(diào)諧靈活快速,信號(hào)接收和處理方便等優(yōu)點(diǎn),在光譜成像領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值[1]。

常用濾光器均針對(duì)單個(gè)波段進(jìn)行設(shè)計(jì),把可見光與中波波段設(shè)計(jì)在同一濾光器上,為可見光光譜成像系統(tǒng)和中波光譜成像系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。它能同時(shí)對(duì)目標(biāo)的可見光與中紅外波段進(jìn)行快速光譜成像,在充分挖掘生物細(xì)胞組織的可見光與中波紅外光譜特征信息方面具有重要意義。

為了提高濾光器的集光能力,一般都采用“切面平行動(dòng)量匹配條件”理論[2],把濾光器設(shè)計(jì)成大孔徑角。在設(shè)計(jì)大孔徑角濾光器時(shí),對(duì)于同一入射極角θi(入射光與光軸的夾角),入射e光[3]所需最佳超聲極角(超聲波與光軸的夾角)為θe,入射o光[3]所需最佳超聲極角為θo。θo和θe不同,其原因是晶體的o光和e光的折射率不同(o光和e光的折射率相同的晶體無法制作大孔徑角濾光器)。

把入射e光設(shè)計(jì)成可見光波段,入射o光設(shè)計(jì)成中波波段,這時(shí)濾光器可同時(shí)兼顧可見光與中波波段的雙波段大孔徑角聲光可調(diào)濾光器。

1 理論分析

1.1 基本原理

圖1為雙波段大孔徑角聲光可調(diào)濾光器基本原理,其特點(diǎn)是1個(gè)共同的入射極角θi、2個(gè)不同的超聲極角θo和θe。共同的入射極角θi是指入射o 、e光采用相同的入射角進(jìn)入聲光晶體,即共用一個(gè)光路入射。超聲極角θo(超聲波Kao與光軸的夾角,也是通聲面2法線與光軸的夾角)專門針對(duì)入射o光設(shè)計(jì),能滿足入射o 光(中波波段)的大孔徑角要求;超聲極角θe(超聲波Kae與光軸的夾角,也是通聲面1法線與光軸的夾角)專門針對(duì)入射e光設(shè)計(jì),能滿足入射e光(可見光波段)的大孔徑角要求。這種雙波段大孔徑角聲光可調(diào)濾光器聲光介質(zhì)的兩個(gè)通聲面(通聲面1和通聲面2)相差角度β=θo-θe。

圖1 雙波段大孔徑角聲光可調(diào)濾光器原理圖

對(duì)于入射e光,濾出得到的衍射光為o光,其波矢量布局如圖2所示。[001]軸為晶體光軸,o光的折射率曲面是半徑為no的圓,e光的折射率曲面是以長(zhǎng)短軸分別為ne、no的橢圓。入射光Ki與超聲波Kae發(fā)生聲光互作用,濾出衍射光Kde,衍射光與光軸的夾角為衍射光極角θde。根據(jù)非同向聲光可調(diào)濾光器“切面平行動(dòng)量匹配條件”理論,結(jié)合圖2,入射e光獲得大孔徑角的條件:

圖2 入射光為e光時(shí)的波矢量布局

Kde=Ki-Kae

(1)

同理,對(duì)于入射o光,濾出得到的衍射光為e光,其波矢量布局如圖3所示。入射光Ki與超聲波Kao發(fā)生聲光互作用濾出衍射光Kdo,衍射光與光軸的夾角為衍射光極角θdo。結(jié)合圖3,入射o光獲得大孔徑角的條件:

圖3 入射光為o光時(shí)的波矢量布局

Kdo=Ki+Kao

(2)

由圖2、3可見,兩種濾光模式的波矢量布局差別較大。對(duì)于入射光為e光的濾光器,其入射光折射率曲面是以長(zhǎng)短軸分別為ne、no的橢圓,衍射光折射率曲面是半徑為no的圓,且θi>θde;入射光為o光的濾光器,其入射光折射率曲面是半徑為no的圓,衍射光是以長(zhǎng)短軸分別為ne、no的橢圓,且θi<θdo。

由圖1可見,入射e、o光經(jīng)過濾光器濾光后,得到的衍射光分別為衍射o、e光,衍射o光和衍射e光空間分離。濾光器工作示意圖如圖4所示。入射e光在可見光波段工作,經(jīng)過濾光器后得到衍射o光,進(jìn)入可見光探測(cè)器。入射o光在中波波段工作,經(jīng)過濾光器后得到衍射e光,進(jìn)入中波探測(cè)器,兩個(gè)探測(cè)器相互獨(dú)立,不相互干擾。

圖4 濾光器工作示意圖

1.2 光波長(zhǎng)調(diào)諧關(guān)系

1.2.1 可見光波段

入射光e光在可見光波段工作,得到衍射光o光。根據(jù)非同向?yàn)V光器“切面平行動(dòng)量匹配條件”理論[4],入射光折射率ni為

(3)

衍射o光在晶體內(nèi)的衍射光極角θde為

(4)

入射極角為θi時(shí),入射光e光獲得大孔徑角需要的最佳超聲極角θe為

(5)

濾出的可見光光波長(zhǎng)λe為

(6)

式中:ve為在超聲極角θe時(shí)氧化碲晶體的超聲波速度;fe為可見光波段的工作頻率。

式(6)是可見光波段的光波長(zhǎng)調(diào)諧關(guān)系,根據(jù)式(6)可求出λe(入射e光)對(duì)應(yīng)的工作頻率fe,或工作頻率fe對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)λe。

1.2.2 中波波段

中波波段工作入射光取o光,得到的衍射光為e光。根據(jù)非同向?yàn)V光器“切面平行動(dòng)量匹配條件”理論[3],衍射e光在晶體內(nèi)的衍射光極角θdo為

(7)

衍射光的折射率nd為

(8)

入射極角為θi時(shí),入射光o光獲得大孔徑角需要的最佳超聲極角θo為

(9)

濾出的中波光波長(zhǎng)λo為

(10)

式中:vo為在超聲極角θo時(shí)氧化碲晶體的超聲波速度;fo為可見光波段的工作頻率。

式(10)是中波波段的光波長(zhǎng)調(diào)諧關(guān)系。根據(jù)式(10)可求出光波長(zhǎng)λo(入射o光)對(duì)應(yīng)的工作頻率fo,或工作頻率fo對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)λo。

1.3 孔徑角

孔徑角是表征濾光器性能的一個(gè)重要指標(biāo),分為水平孔徑角和豎直孔徑角兩種,水平孔徑角通常都小于豎直孔徑角。因此,實(shí)際應(yīng)用中側(cè)重考察水平孔徑角,孔徑角越大,濾光器集光能力越強(qiáng),系統(tǒng)靈敏度越高。

1.3.1 可見光波段

對(duì)于可見光波段,其入射光取e光,得到的衍射光為o光。根據(jù)e光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[2],晶體外的水平孔徑角Δθe和豎直孔徑角ΔΦe[2]分別為

(11)

(12)

式中Le為可見光波段的聲光互作用長(zhǎng)度。式(11)與文獻(xiàn)[2]的水平孔徑角相差2倍,其原因是文獻(xiàn)[2]只考慮了相位失配0.45的情況,式(11)按照相位失配±0.45計(jì)算,故式(11)更符合濾光器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

1.3.2 中波波段

對(duì)于中波波段,其入射光取o光,得到的衍射光為e光。根據(jù)o光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[3],晶體外的水平方向孔徑角Δθo為

(13)

(14)

式中Lo為中波波段的聲光互作用長(zhǎng)度。

晶體外的豎直方向孔徑角ΔΦo為

(15)

1.4 光譜分辨率

1.4.1 可見光波段

對(duì)于可見光波段,其入射光取e光,得到的衍射光為o光。根據(jù)e光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[2],入射e光的光譜分辨率Δλe為

(16)

式中b為氧化碲晶體的色散常數(shù)。

1.4.2 中波波段

根據(jù)o光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[3],入射o光的光譜分辨率Δλo為

(17)

由式(16)、(17)可見,對(duì)于相同的入射極角θi,在光波長(zhǎng)和互作用長(zhǎng)度等參數(shù)相同的條件下,由于o光入射型濾光器的θd>θi(見圖3),所以對(duì)于相同的入射極角θi,入射o光能得到更小的光譜分辨率,即o光入射型濾光器可獲得比e光入射型濾光器更高的光譜分辨率。基于這個(gè)原理,在設(shè)計(jì)雙波段濾光器時(shí),把中紅外波段設(shè)計(jì)成o光入射,可見光波段設(shè)計(jì)成e光入射,即可以較小的聲光互作用長(zhǎng)度獲得更高的光譜分辨率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照?qǐng)D1的原理制作出有效光孔徑為?20 mm×20 mm的雙波段大孔徑角聲光可調(diào)濾光器,如圖5所示。其主要設(shè)計(jì)參數(shù):取入射極角θi=20°,可見光波段的超聲極角θe=98.55°,中波波段的超聲極角θo=99.65°,可見波段互作用長(zhǎng)度Le=3 mm,中波波段互作用長(zhǎng)度Lo=23.1 mm。

圖5 濾光器器件外形

如圖1所示,在通聲面1上制作高頻換能器,它吸收高頻段射頻信號(hào)(RF1)產(chǎn)生超聲波Kae,超聲波Kae與入射光發(fā)生聲光互作用濾出可見光;在通聲面2上制作低頻換能器,它吸收低頻段射頻信號(hào)(RF2)產(chǎn)生超聲波Kao,超聲波Kao與入射光發(fā)生聲光互作用濾出中波。

2.1 光透過率

濾光器同時(shí)工作在可見光與中紅外兩個(gè)波段,因此需要鍍制同時(shí)兼顧可見光與中紅外兩個(gè)波段的光學(xué)增透膜。其工作波長(zhǎng)范圍較寬,因此在器件通光面上鍍制了多達(dá)12層寬帶減反射膜。用分光光度計(jì)測(cè)量濾光器光透過率,如表1所示。

表1 光透過率

制作濾光器的聲光介質(zhì)材料是氧化碲晶體,其透光區(qū)為 0.35～5.00 μm,在0.45～4.00 μm內(nèi)透明,但從4 μm開始光吸收系數(shù)逐漸增加,光透過率呈下降趨勢(shì)。因此,鍍膜后濾光器的透過率從光波長(zhǎng)4 000 nm開始降低。

2.2 光波長(zhǎng)與光譜分辨率

濾光器可見光波段使用的驅(qū)動(dòng)功率約4 W,中波波段使用的驅(qū)動(dòng)功率約11 W,全光譜范圍衍射效率達(dá)60%。濾光器在紫外波長(zhǎng)450 nm時(shí)衍射效率較低,其原因是工作頻率較高,聲波衰減較大[5]。使用專用的兩套聲光可調(diào)濾光器測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)量了濾光器可見光與中波的工作頻率、衍射效率和光譜分辨率,如表2所示。由表可知,光譜分辨率與理論值吻合。

表2 濾光器的光波長(zhǎng)、工作頻率、衍射效率和光譜分辨率

2.3 孔徑角

孔徑角測(cè)試框圖如圖6所示。使用632.8 nm激光器測(cè)試可見光波段,使用3 200 nm激光器測(cè)試中波波段。測(cè)試時(shí),激光垂直射入器件入射面,調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率使衍射效率達(dá)到最大,測(cè)出此時(shí)的衍射光強(qiáng)度I。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)器件的角度,當(dāng)衍射光強(qiáng)度降低為I/2(相當(dāng)于相位失配0.45)時(shí)記錄機(jī)械式分度臺(tái)的角度θ1;反時(shí)針旋轉(zhuǎn)器件的角度,當(dāng)衍射光強(qiáng)度再次降低為I/2(相當(dāng)于相位失配-0.45)時(shí)記錄機(jī)械式分度臺(tái)的角度θ2,則器件孔徑角θ=|θ1-θ2|,則測(cè)出的孔徑角相當(dāng)于相位失配±0.45。

圖6 孔徑角測(cè)試框圖

孔徑角測(cè)試結(jié)果如表3所示。可見光與中波兩個(gè)波段都同時(shí)獲得了大于6°的孔徑角。考慮到工藝制作誤差與測(cè)量誤差,可見光與中波兩個(gè)波段的孔徑角與理論值相吻合。

表3 濾光器孔徑角測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

測(cè)試結(jié)果與理論值基本吻合,高頻段濾出了可見光(450～750 nm),低頻段濾出了中波(3 000～4 500 nm),并且可見光與中波兩個(gè)波段同時(shí)獲得了大孔徑角濾光,因此,在一個(gè)濾光器上實(shí)現(xiàn)了同時(shí)兼顧可見光與中波波段的功能。

把可見光與中波兩個(gè)波段集成在一個(gè)濾光器上的工作模式是聲光光譜濾光中的一大創(chuàng)新,為同時(shí)快速獲取目標(biāo)的可見光與中波光譜圖像創(chuàng)造了條件,在充分挖掘生物細(xì)胞組織的光譜特征信息、深入識(shí)別生物組織的結(jié)構(gòu)特征、觀察病灶多光譜變化趨勢(shì)、精準(zhǔn)給出診斷結(jié)果方面具有重要的意義。