基于聲光可調(diào)諧濾波器的光譜成像數(shù)值模擬

白如雪

摘 要：為了提高聲光可調(diào)濾波器的性能，運(yùn)用雙偏振法設(shè)計(jì)了聲光可調(diào)濾波器的光路，分析了設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，運(yùn)用雙偏振法提高了光能利用率，可達(dá)到在弱光條件下檢測(cè)的目的，同時(shí)，其分辨率和信噪比等性能參數(shù)優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：AOTF；光譜成像；衍射效率；濾波器

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.099

聲光可調(diào)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(yōu)點(diǎn)，在航空、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了很好的應(yīng)用。但聲光可調(diào)濾波器在應(yīng)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(duì)聲光可調(diào)濾波器的光譜成像數(shù)值進(jìn)行了模擬分析，目的在于通過對(duì)比分析提高聲光可調(diào)濾波器的調(diào)諧精度和調(diào)諧速度，從而提高信號(hào)檢測(cè)的信噪比。

1 聲光可調(diào)濾波器的光路設(shè)計(jì)

聲光可調(diào)諧濾光器在應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)之一是對(duì)光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(tǒng)的衍射光光譜純度和衍射效率。本文在運(yùn)用雙偏振法的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，分光系統(tǒng)如圖1所示。對(duì)于光源產(chǎn)生的自然光通過準(zhǔn)直系統(tǒng)的校正，經(jīng)過起偏器后自然光變成偏振光，再由聲光可調(diào)諧濾光器的聲光互作用后，出射光分為0級(jí)光以和±1級(jí)衍射光。

圖1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1 光源的選擇

聲光可調(diào)諧濾光器的工作范圍為900～1 500 nm，而本試驗(yàn)要求光源的波長(zhǎng)范圍較廣。為了避免光源損壞探測(cè)器，光源的強(qiáng)度不能過高，因此，本試驗(yàn)選取了鹵鎢燈，其特點(diǎn)是在近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)比較敏感。

2.2 準(zhǔn)直系統(tǒng)與檢偏器

考慮到要減少光強(qiáng)的損耗，本試驗(yàn)選取K7平凸準(zhǔn)直透鏡作為準(zhǔn)直系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)可見光、近紅外光的透過率均較好。為了獲得滿足試驗(yàn)需求的偏振光，選擇了起偏波長(zhǎng)為760 nm～2 000 MQ的近紅外偏振片。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的光源為鎢燈，產(chǎn)生的自然光作為試驗(yàn)光源，入射光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直。為了盡量避免0級(jí)光對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(jīng)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(hào)檢測(cè)的信噪比。當(dāng)光在近似水平方向入射時(shí)，調(diào)諧頻率為58 MHz，輸出波長(zhǎng)為1 205 nm。通過公式計(jì)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(jìn)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(diào)節(jié)光路的實(shí)際過程中可忽略不計(jì)。利用組合透鏡的計(jì)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(yàn)結(jié)果

為了對(duì)本系統(tǒng)的光譜強(qiáng)度性能進(jìn)行分析，本文選擇調(diào)諧頻率為58 MHz、應(yīng)波長(zhǎng)為1 204 nm進(jìn)行了三組試驗(yàn)。第一組為正常光照強(qiáng)度下直接測(cè)量；第二組為利用雙偏振法消除0級(jí)光，進(jìn)而測(cè)量光譜強(qiáng)度；第三組為本試驗(yàn)介紹的試驗(yàn)光路測(cè)量。三組試驗(yàn)的峰值都出現(xiàn)在1 204 nm附近，即在58 MHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)下的衍射波長(zhǎng)。在第一組正常的分光系統(tǒng)中，峰值在220左右，說明光能通過該系統(tǒng)后的能量損失較少；在第二組雙偏振法分光系統(tǒng)中的峰值在115左右，能量損失嚴(yán)重，只有在正常系統(tǒng)中52.2%的能量被利用；第三組為本文設(shè)計(jì)的光路，峰值達(dá)到148左右，與未經(jīng)該改進(jìn)的正交雙偏振法分光系統(tǒng)相比，能量提高了28.6%. 與除1 205 nm附近以外的曲線進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，無論是雙偏振法的分光系統(tǒng)，還是試驗(yàn)所改進(jìn)的分光系統(tǒng)，在抑制雜光污染等方面都有很大提升。

參考文獻(xiàn)

[1]畢衛(wèi)紅，唐予軍，楊小莉，等.基于AOTF的便攜式近紅外光譜測(cè)量?jī)x[J].半導(dǎo)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