大孔徑可見光聲光可調(diào)濾光器

王曉新，張澤紅，劉 玲，周益民，吳中超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

聲光可調(diào)濾光器(簡(jiǎn)稱“濾光器”)的功能是通過電調(diào)諧的方式從復(fù)雜光譜中濾出所需波長(zhǎng)的光譜圖像，具有孔徑大，分辨率高，全固化無可移動(dòng)部件，分光快速及波長(zhǎng)任意切換等優(yōu)點(diǎn)，是光譜成像系統(tǒng)常用的分光元件，其濾光特性直接影響光譜成像系統(tǒng)的性能。目前常用聲光可調(diào)濾光器的光孔徑約為10 mm×10 mm，限制了光譜成像系統(tǒng)的通光能量[1]，同時(shí)也難以與焦平面陣列探測(cè)器相匹配，為此我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一種大孔徑聲光可調(diào)濾光器。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濾光器是利用各向異性介質(zhì)氧化碲晶體設(shè)計(jì)的反常布喇格器件，為了增加濾光器的光譜范圍，器件設(shè)計(jì)了高頻換能器和低頻換能器兩個(gè)換能器，原理示意圖如圖1所示[2]。高頻換能器的工作頻率為f1～f2，對(duì)應(yīng)濾出的光波長(zhǎng)為λ1～λ2；低頻換能器的工作頻率為f2～f3，對(duì)應(yīng)濾出的光波長(zhǎng)為λ2～λ3(見圖2)，這樣兩個(gè)換能器同時(shí)工作的光譜范圍為λ1～λ3，實(shí)現(xiàn)了寬光譜濾光。

圖1 原理示意圖

圖2 濾光器光波長(zhǎng)與聲頻的關(guān)系

2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 光譜范圍與工作頻率

濾光器采用具有大角孔徑的非同向工作模式設(shè)計(jì)，其波矢量布局如圖3所示。圖中，[001]軸為晶體光軸，ne和no分別為尋常光線o光和非常光線e光的折射率。由圖3可知,o光和e光的折射率曲面分別為圓和橢圓。取入射光為e光，則衍射光為o光。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。

圖3 波矢量圖

根據(jù)非同向大角孔徑聲光可調(diào)濾光器理論[3]，入射光是e光，其折射率為

(1)

式中θi為入射光的極角。衍射光在晶體內(nèi)的衍射角θd為

(2)

工作頻率(f)與光波長(zhǎng)(λ0)的調(diào)諧曲線：

(3)

式中v為聲波速度。光孔徑20 mm×20 mm的濾光器，聲波傳輸距離大，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮聲波的衰減影響。氧化碲晶體內(nèi)聲波衰減與工作頻率的平方成正比，工作頻率越高，聲波衰減越大，衍射效率越低，因此,設(shè)計(jì)時(shí)需盡量降低器件的工作頻率。

器件工作頻率與衍射光分離角成正比。工作頻率越低，分離角就越小，需要分開衍射光的距離越長(zhǎng)，成像系統(tǒng)的體積越大；反之，工作頻率越高，分離角就越大，需要分開衍射光的距離越短，成像系統(tǒng)的體積越小，因此，從減小成像系統(tǒng)體積的角度，希望工作頻率盡可能高。

經(jīng)過綜合考慮，入射光取e光，θi=15°，這時(shí)衍射光分離角大于3.9°。λ0=0.4～0.9 μm時(shí)對(duì)應(yīng)的f為139.2～49.8 MHz，其工作帶寬約0.95個(gè)倍頻程。以λ0=0.6 μm、f=79 MHz點(diǎn)分段，139.2～79 MHz為高頻段，對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)為0.4～0.6 μm；79～49.8 MHz為低頻段，對(duì)應(yīng)的λ0=0.6～0.9 μm。λ0與f的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 λ0與f的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 衍射效率

濾光器是反常布喇格衍射模式，其衍射效率[4]為

(4)

式中:M2為氧化碲晶體的聲光優(yōu)值；Pa為超聲功率；H為光孔徑；L為聲光互作用長(zhǎng)度。Pa與驅(qū)動(dòng)電功率(P)的關(guān)系：

(5)

式中:σ為聲波衰減系數(shù);k為換能器機(jī)電耦合系數(shù)。氧化碲晶體的σ為

σ=10-19×μmf2

(6)

式中：μ=290 dB/(cm·GHz2)為1 GHz聲波在距離換能器10 mm處的聲波衰減系數(shù)；m為光到換能器的距離(見圖4)。將式(5)、(6)代入式(4)中，濾光器的衍射效率為

(7)

圖4 光到換能器距離

根據(jù)式(7)可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出不同f、m的聲光可調(diào)濾光器的衍射效率。顯然，聲光可調(diào)濾光器的η與f、m密切相關(guān)。f越高、m越大，則μ也越大，Pa會(huì)越小，η就越低；反之，f越低、m越小，則μ也越小，Pa會(huì)越大，η就越高。

光到換能器不同距離的光波長(zhǎng)-衍射效率如表2所示。由表可知，λ0越短，f越高，η受m的影響就越大，這與聲波衰減理論相吻合。

表2 光到換能器不同距離的光波長(zhǎng)-衍射效率

2.3 光譜分辨率

對(duì)于聲光可調(diào)濾光器，在滿足動(dòng)量匹配的條件下，光譜分辨率Δλ為

(8)

式中b為氧化碲晶體的色散系數(shù)。

高、低頻段的L分別為3 mm和8 mm，λ0與Δλ的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 λ0與Δλ的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們利用兩片換能器實(shí)現(xiàn)了0.4～0.9 μm的濾光范圍，實(shí)測(cè)工作頻率為140.8～48.6 MHz，相對(duì)帶寬接近0.95個(gè)倍頻程。器件外形如圖5所示，外形尺寸為54 mm×45 mm×39 mm。

圖5 器件外形

濾光器孔徑角與λ0有關(guān)，用532 nm激光測(cè)試高頻段孔徑角為5.8°，用633 nm激光測(cè)試低頻段孔徑角為4°。濾光器分離角也與λ0有關(guān)，用532 nm激光測(cè)試高頻段分離角為4.3°，用1 064 nm激光測(cè)試低頻段分離角為3.8°。

濾光器的f、η、Δλ與λ0的關(guān)系如表4所示。由表可知，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值吻合。

表4 f、η、Δλ與λ0的關(guān)系

4 結(jié)束語

通過優(yōu)選入射極角和工作頻率，濾光器較好地兼顧了光孔徑、衍射效率和分離角等參數(shù)間的制約關(guān)系。濾光器采用雙換能器設(shè)計(jì)，突破了單片換能器對(duì)帶寬的限制，擴(kuò)大了濾光器的工作頻率與濾光范圍，這樣能充分利用焦平面陣列探測(cè)器的光譜探測(cè)能力，提高光譜成像系統(tǒng)探測(cè)的光譜范圍。

文章推導(dǎo)了包含聲波衰減系數(shù)、工作頻率、光到換能器距離的聲光可調(diào)濾光器衍射效率公式。根據(jù)這個(gè)公式，可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出不同工作頻率、光到換能器不同距離的聲光可調(diào)濾光器的衍射效率。

在P<3 W的前提下，濾光器實(shí)現(xiàn)了20 mm×20 mm的光孔徑、在全光譜范圍內(nèi)衍射效率大于60%的指標(biāo)。與光孔徑10 mm×10 mm的濾光器相比，光孔徑20 mm×20 mm的濾光器的光通量提高了3倍，這樣能大幅提高光譜成像系統(tǒng)的視場(chǎng)和通光能量，為大幅提高光譜成像系統(tǒng)的靈敏度和探測(cè)距離奠定了基礎(chǔ)。