1、本科毕业设计（20 届）超声角度对滤波器滤波线宽的影响所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1超声角度对滤波器滤波线宽的影响【摘要】声光可调滤波器是利用超声波与光信号在透明介质中的相互作用来工作的，声光可调滤波器；Acoustic-Optic Turnable Fiter，简称 AOTF，是一种新器件。它是基于光波和声波在光学各向异性介质中的相互作用。声光滤波器的功用是由宽光谱区中分出窄谱线及根据控制信号调整其波长。原则上所有声光装置都有弥散特性,因为由声波引起的介质折射率周期变化相当于“动态”相位衍射光栅。由于取决于声发散角的孔径不大而效率低,因
2、此光谱仪很少使用各向同性介质光衍射。声光可调滤波器具有很大的角孔径（既聚光能力） ，可获得大视场和高分辨率，在许多领域中得到应用。【关键词】声光可调滤波器；衍射光栅；光谱仪；声光介质【Abstract】Acousto-optic tunable filter is the use of ultrasonic and optical signal in transparent media interaction to work, the acousto-optic tunable filter; Acoustic-Optic Turnable Fiter, referred to as AOTF
3、, is a new device. It is the interaction between light waves and sound waves in the optical anisotropic medium based on. Acousto-optic filter function is composed of a wide spectral region from narrow line and according to the control signal to adjust the wavelength. In principle all acousto-optic d
4、evices have dispersion characteristics, because the refractive index caused by the acoustic wave rate cycle change is equivalent to “dynamic“ phase grating. Depending on the acoustic divergence angle aperture small, low efficiency, therefore spectrometer rarely use isotropic medium light diffraction
5、. Acousto optic tunable filter with angular aperture large (both light gathering power), can achieve a large field of view and high resolution, can be applied in many fields.【keywords】 Acousto-optic tunable filter (AOTF); Diffraction grating; Spectrometer; Acousto-optic medium2目录1 绪论 .41.1 引言 .41.2
6、声光可调谐滤波器的发展历程 .41.3 声光可调谐滤波器的研究现状 .42 声光可调谐滤波器的基本原理 .52.1 声光可调谐滤波器 .52.2 声光可调谐滤波器的特点 .52.3 声光滤波器的应用 .63 声光相互作用原理 .63.1 拉曼-奈斯（Raman-Nath ） 衍射 .73.2 正常布拉格衍射 .93.3 反常布拉格衍射 .94 非共线声光相互作用关系 .114.1 传统非共线声光作用关系 .114.2 改进非共线声光作用关系 .124.3 超声频率，超声角度和线宽的关系 .13结论 .19参考文献 .2031 绪论1.1 引言AOTF 是一种固体的电调带通滤波器，它利用了各向异
7、性介质中的声光原理。这种调制器能够与多种激光光源（混合气体激光器，激光二极管）或者宽带光源（氙灯，卤灯）一起使用。它们能够从入射光源中选择、透射出单一波长的光。这种技术的优点在于其为波长的调谐提供了可靠、稳定与快速的方法。作用在 AOTF 换能器上的射频信号控制着透射光的波长（被滤出的一级衍射光） 。根据波长范围来改变载波频率，我们就能够做全范围的光谱分析了。通过调节射频信号的幅度，我们也能达到调节透射光（滤出光）强度的目的。这也是 AOTF 所具有的独特性所在。它具有快速（几个微秒） 、准确的特点，并能获得很高的消光比。1.2 声光可调谐滤波器的发展历程1922 年，法国物理学家 Brill
8、oun 提出光可以被声波衍射。1932 年 Debve,Sears 和 French 等观察到当超声波在透明介质中传播时，介质的折射率会发生周期性变化，低频声波和可见光直接通过有机溶液，会发生多级衍射。这为 Debve 和 Sears 发展 Bragg 衍射原理奠定了根基 【1】 。19 世纪 60 年代声光作用得到了较为实际的应用。入射光经过声波的衍射，会发生振幅、频率、波长等方面的变化。发生声光作用的节奏的特性决定了衍射光的转变形式。这都可以用 Bragg 衍射原理来解释。声光调制器、声光偏转器就是基于各向同性质的声光作用原理来工作的。当声光作用在各向异性介质中时，不仅会使入射光的频率、方
9、向发生变化，还会使入射光的波长发生变化。这种衍射将不能用正常 Bragg 衍射原理解释。1967 年，Dixon 单独首次提出了各向异性介质中的声光作用。1969 年，Stanfford 大学的 Harris 和Wallace 等人首次提出声波与光波相互作用可以达到滤波的目的 【2】 ，至 70 年代美国的 I.C.Chang 与日本的 T.Yano 分别提出了非共线模型的 AOTF 概念 【3】 。前者采用准布拉格衍射，制得了所谓满足切面平行条件的大孔径 AOTF；后者利用远轴反常布拉格衍射，制备了声能流方向与光能流相互垂直的声增强型 AOTF。1976 年，Yano 和 Watannabe
10、 利用近似式求出了 Dixon 方程的完整数值解，描述了 VIS和 IR 区 TeO2AOTF 的特点。至此， AOTF 的发展逐步趋于成熟。1.3 声光可调谐滤波器的研究现状随着声光相互作用理论的发展，七十年代 AOTF 大多是利用体声波和光波的相互作用，并已由共线方式发展到非共线方式 【4】 。八十年代初集成光学型滤波器，以其功耗小等优点，逐渐被人们重视。集成光学型滤波器利用声表波（SAW ） ，以行波声波代替集总声波，提高了声光相互作用效率，减少了驱动功率，为多通道光学集成提供了可能。为了提高集成 AOTF 的性能，人们提出了各种不同的方案。声光可调滤波器的特点的能叠加许多独立的声波，使
11、之同时作用于波导中进行多波长选择，从而在 WDM 中发挥巨大的作用 【5】 。但首先要解决的问题之一是如何获得低的驱动功率。目前常用的方法是：用声表波，笑的光波导，SAW 束的压缩与限制等方法达到 mW 量级的驱动功率。1991 年 David.A.Smith 和 Johnson J.Johnson【6】 利用小型叉指换能器把声波传输限制在几个声波波长宽度的声波导中来提高作用效率，在 1550nm 附近用 8nW 的射频即可获得近 100%的 TE-TM 转换，滤波线宽 1.8nm。1989 年 D.A.Smith 等人提出一种偏振无关的声光可调滤波器。它是一个 2*2 结构，光从一个波导端口
12、输入，遇到一个作为偏振分束器使用的方向耦合器，使 TE 波分量保留在原地波导上传输，TM 分4量被耦合到另一个与之平行的波导，即空间分离偏振状态（TE,TM） ，使之进入两个不同的作用区，与SAW 作用，分别发生模式转换，最后在经由定向耦合器，选出所需要波长的 TE、TM 模合输出，达到偏振无关的目的。改变声波频率，这种 2*2 结构可以于不同波长的数据交换。1989 年 AT&T Bell Laboratory 的 G.D.Boyd 等人和 Bellcore 的 David.A.Smith【7】 等人分别提出了二级声光滤波器的概念。二级滤波器的滤波特性是单级特性的乘积，所以有很强的侧瓣抑制作
13、用以及能大大减少滤波线宽。二级声光可调滤波器的实现主要分为两类：一类是两个匹配的单级 AOTF 制在一个基片上，中间用极化控制器隔开；另一类是声光可调反射滤波器。1994 年德国的 R.brinkman 和 M.Dinand【8】 等人，第一次报道了集成光学放大型掺铒 LiNbO3 声光可调滤波器。带增益声光滤波器的制作，首先是在 X 切 LiNbO3 上溅上 11nm 的铒材料层，再在1100时内扩 100 小时，然后制作波导，Al 2O3 缓冲层，叉指换能器。从理论上说，由于散射损耗和增益与偏振态有关，光的放大和极化转换又不是相互独立的。国内在声光方面的研究工作起步很早、做的较多，声光可调
14、谐滤波器（AOTF）已被开发成为较为成熟的商品。美国、德国、意大利、日本等国家从 70 年代的体器件到 80 年代的波导器件，开展了一系列的技术研究，开发了各种器件，重点面准新一代光通讯技术 WDM、OADM 系统应用，美国于1994 年开始的 MONE 计划，包含基于声光可调谐滤波器的结构的 8 波长通道 OADM 节点的研究。同时 AOTF 作为一种优异特性的滤波分光元件，在小型近红外光谱仪、可调谐光纤激光器制作方面都有极大的应用价值。2 声光可调谐滤波器的基本原理声光效应是弹光效应中的一种表现形式。当声波在声光介质中传播时，介质便发生应变，使介质折射率 n 产生相应的变化。因为声速远小于
15、光速，所以可以认为相当于光来说，介质折射率的这种变化是静止的。这就形成了所谓的折射率光栅。利用这种相互作用效应可以研制出各种声光器件，其中最基本的就是声光可调谐滤波器、声光调制器等。2.1 声光可调谐滤波器声光调谐滤波器是一种建立在光学各向异性介质的声光衍射原理上的电调谐光学滤波器，故通常称为声光滤波器。其显著特点是，只要简单的改变外加 RF 信号的频率就能在打的光波领域上迅速调谐此滤波器的通带，达到角孔径大、频率高、调谐范围大而无二次通带，而且还具有按时、随机存取和多波长工作能力。声光衍射原理在许多方面与衍射光栅相似，而声光光栅常数可以用电路改变，完全有可能制成电子调谐分光计。将一束偏振的宽
16、带光入射到一个声光介质内，与声波发生作用，处于声光滤波器光谱通带内的光被声光光栅衍射，衍射后的光，其偏振方向与入射光的偏振方向垂直，如共线滤波器，入射光与衍射光在同方向上传播，则可用检偏器将所需要的衍射光检出；如非共线滤波器，则衍射光与入射光在不同方向上传播，可用空间分离办法将所需要的衍射窄带宽光选出。2.2 声光可调谐滤波器的特点AOTF 作为一种色散（分光）元件用于复杂光谱成分的光谱分析，与传统的分光元件相比，AOTF 具有以下突出优点：1） 能以极高的速度进行电调谐，从输出一种光谱成分切换到另一种成分所需的时间一般为 10us，因而能以极高的速度完成光信号的光谱成分分析工作。2） 工作方
17、式多样化，具有按序列、随机和波长方式工作的能力，切易于与微机联用，完成多功能实5时程序控制。3） 合理设计的 AOTF 具有相当大的角孔径，聚光能力强，衍射效率高，因此可以直接进行微弱信号的光谱分析。而且经过特殊设计的 AOTF，可以在同一器件中实现不同的工作方式而具有不同的光谱分辨率，使其非常灵活。4） 随着红外区和紫外区相互作用介质的进一步开发，其工作光谱将大大扩展，可制成各种不同用途的光谱分析仪器。5） AOTF 没有运动部件，这就在很大的程度上减少了测量结果的误差来源。6） 在中等驱动功率下，透光率高。7） 耐恶劣环境，重量轻2.3 声光滤波器的应用在国外，基于 AOTF 的光谱分析仪
18、器已经在可见和红外光谱波段多个谱区内得到了广泛的应用，而且正逐渐在紫外等其他谱区开始应用。由于 AOTF 技术易于实现仪器的微型化、智能化，对于工作环境条件要求低，市场前景非常看好。 目前，在国际市场上已有多家厂商推出了采用 AOTF 技术的光谱分析仪器，广泛应用于烟草、石油化工、制药和食品等多个领域。如美国 Brimrose 公司推出的应用于在线分析的近红外分析仪Luminar3030，该仪器的光谱范围为 850 2400nm，分辨率为 210nm，波长准确性为 0.5nm，重复性优于 0.01nm，其优异的性能极佳的适应了在线分析领域的需求。美国 IFS 公司推出的 PlastiScan
19、系列AOTF 型光谱仪采用卤素灯作为光源，扫描速度为 2400 波长点/秒，工作谱区为 12004500nm。其中PlastiScan SH 尺寸仅为 9*6*2cm， ，重量小于 1kg，PlastiScan HH 尺寸为 10*6*3.5cm，重量为 1.5Kg，是种高性能的微型、智能光谱仪器，非常适合在线或野外分析，也很方便与其它仪器配套使用。美国Applitek 公司、德国 Bran+Luebbe 公司、Siemens 公司、Laser 2000 公司和 Maihak 公司等也都有各自的 AOTF 型光谱分析仪器产品面市。近年来，AOTF 技术在多光谱成像和物体识别领域应用的迅速发展成
20、为光谱分析领域的一大亮点。据报道，在以色列正在研制的多用途农业机器人和美国陆军研究实验室（ARL）的美国无人控制地面车辆（UGV）项目中均采用 AOTF 技术对物体进行成像识别。美国美国国家职业安全与健康研究院也在进行利用采用 AOTF 技术的光谱成像仪对潜在滑坡危险地段进行实时监控以避免发生事故的实验。此外，采用 AOTF 技术的拉曼成像显微镜的研制和应用也正成为另一个受到广泛关注的焦点。 国内对于 AOTF 的研究起步较晚，在应用中也取得了一部分进展。如天津大学精密仪器学院研制的 AOTF 牛奶品质分析仪，浙江大学光科系光谱实验室研制的基于 AOTF 的面光谱探测系统。但国内的研究大多还停
21、留实验室阶段，在实践应用方面还处于探索中，与国外还有相当大的差距。3 声光相互作用原理介质在外力作用下，组成介质的微光质点将发生位移，介质产生应变，并引起介质的极化性质（或介电常数）发生变化，最将表现为折射率的变化。介质由于外力作用而引起折射率变化的现象称为光弹效应。声波是一种弹性波。当将声源置于弹性介质中，它将激起介质中个质点沿着声波的传播方向振动，并使介质的密度产生稠密和稀疏相间的周期性交替变化，稠密的地方折射率高，稀疏的地方折射率低，如图 2-1，介质中各质点由声波引起的位移与外力引起的位移物理效果相同，通常由超声波引起的光弹效应被称为声光效应。可以看出，声光效应是光弹效应的具体表现形式
22、之一。图 2-1 表明，在声波的作用下，介质的折射率呈动态渐变型分布。也就是说，它是一个折射率跟随时间变化不均匀介质。而声光相互理论正是研究声波引起的介质折射率的变化情况，以及光在这种时变不均匀介质中的传播6情况。图 2-1 为声波引起的介质折射率的变化。变化周期是声波的波数，并且这个模式是以声波的速度传播的利用声光效应可以研制多种声光器件，如声光 Q 开关，声光调制器，声光偏转器，声光信号处理器，可调谐滤波器和频率分析仪等 【9】 ，其中有些器件在光电子技术中获得广泛应用。常用的声光器件大多工作在布拉格衍射状态。按照波动粒子的观点，声光相互作用的过程既是声子与光子的碰撞过程，其粒子的动量应当
23、保持守恒，由此可得到入射光波矢 i，衍射光波矢 d 和声波矢 a 之间的关系kkk（2-1-1）aid并且有（2-1-2）vfknkadii 2,200其中 0 为光波在真空中的波长， 为介质对入射光的折射率， 为介质对衍射光的折射率， ，ind f分别为超声波频率和速度。v3.1 拉曼- 奈斯（Raman-Nath）衍射当 l 入射光与声波波面平行，且 l 时， （ 为超声波波长， 为入射光波长） ，即在声光相互2ss作用下长度 l 比较小的时候，超声频率 s比较低的情况下，出现正常的衍射现象，即在中心未衍射的入射光束两侧出现若干对称的一级、二级和更高的衍射光束，如图 3.1 所示，各衍射光
24、的衍射方向可按下式计算：（n=1,2,3，.） (3-1-1)sin7式中， 为第 n 级衍射角， 为入射光波长。在一般情况下，声场越强，衍射光的强度就越强，所出现的衍射光也越多。图 3.1 喇曼-奈斯衍射示意图 图 3.2 为入射光与声波波面成一斜角时喇曼-奈斯衍射示意图8当入射光束声波波面成斜角 时，在未衍射两侧仍出现对称的各级衍射光束，如图 2.3 所示，衍射光束方向仍满足：（n1,2,3,.） （3-1-2）nsi式中 为第 n 级衍射角，当入射光束倾斜入射时，各级超声衍射光的强度随入射角 改变而改变， 在未衍射光束两侧的同级衍射光的光强度一般也不一样。3.2 正常布拉格衍射对于正常布
25、拉格衍射， ，从而 。入射光和衍射光在同一折射率曲ndinkdi 02面上，入射角与衍射角相等，因此，动量三角形闭合条件（2-1-1）给出的等腰三角形，如图 3-2 所示。图 3-2 正常布拉格衍射动量三角形闭合条件从图中可以得到Bdi（3-2-1）2snka其中 为声波波长。由式（2-1-3）可知入射光和衍射光之间的偏转角 为 （3-2-2）fBdi 可以看出偏转角与声波频率 成正比，改变超声波的频率，即可达到控制光束方向的目的。f3.3 反常布拉格衍射在反常布拉格衍射中，表达式 不在成立，因而 。由于衍射是在不同折射率曲面上dindik9完成的，因此入射角和衍射角不相等，偏振态也发生了变化
26、，相应的几何关系比正常布拉格衍射复杂得多（如图 3-3）图 3-3 反常布拉格衍射动量三角形闭合条件反常布拉格衍射的一个特点就是可存在共线相互作用，即 ， ， 均在同一直线上，如图 2-4ikda所示，显然动量三角形闭合条件可化为标量 ，从而得到：aidk（3-3-1）)(0invf利用反常布拉格衍射的共线相互作用可以方便的制成可调声光滤波器。对于一定介质和一定的传播方向，式（3-3-1）右边为一常数，因此，当具有复杂光谱成分的入射光时，对于一定的超声频率 ，f只有满足（3-3-1）式的那个光谱成分 才能被衍射；如果改变 ，将使不同的光谱成分 被衍射而0f 0制成可调谐滤波器。因此，可以通过调节超声波频率而改变输出波长。在同向作用中，衍射光和入射光的方向虽然相同，但由于它们的偏振态发生了变化，所以很容易把它们分离出来。图 3-4 共线作用时动量三角形比和条件
