1、本科毕业设计（20 届）超声角度对 AOTF 性能的影响所在学院 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 I超声角度对 AOTF 性能的影响【摘要】 声光可调谐滤波器（Acousto-opticTunableFilter,AOTF）是一种可利用各向介质中的声光作用工作的快速可调节的分光元件,它与传统的分光元件相比，它的优点在于通过调节加载的超声波频率可实现对出射光波长进行灵活、快速地调节。并且重量轻、体积小固体结构并且无活动部件，通光孔径和入射光孔径很大，衍射效率高，调谐灵活快速、调谐范围宽。声光可调滤波器(Acousto-optic TunableFilte
2、r)的原理是根据声光衍射原理制成的分光器件，它由晶体和健合在其上的换能器构成，换能器将高频的RF驱动电信号（一般约为几十兆至二百兆赫之间）转换为在晶体内的超声波振动，超声波产生了空间周期性的调制，其作用像衍射光栅。当入射光照射到此光栅后将产生布喇格衍射，其衍射光的波长与高频驱动电信号的频谱有着-对应的关系。因此，只要改变RF驱动信号的频率，即可改变衍射光的波长，进而达到了分光的目的。【关键词】 声光可调谐滤波器（AOTF） ；衍射光栅；光谱分辨率；声光效应【Abstract】acousto-optic tunable filter (AOTF Acousto - opticTunableFil
3、ter,) is a kind of available audible and visible role in anisotropy media work quickly adjustable spectral components, it compared with the traditional spectral element, its advantage is that can be realized by adjusting the load of the ultrasonic frequency of emergent light wavelength can be adjust
4、ed flexibly and quickly. And light weight, small volume of solid structure and no moving parts, clear aperture and incident light aperture is large, high diffraction efficiency, tuning flexible rapid, wide tuning range. Acousto-optic tunable filter (Acousto optic TunableFilter) principle is made acc
5、ording to the principle of light diffraction spectral components, it consists of crystal and kin alloy transducer on its composition, transducer to high-frequency RF driver signals (generally about a few megabytes to two hundred MHZ) into ultrasonic vibration in the crystal, ultrasonic produced spac
6、e periodic modulation, its role as a diffraction grating. When the incident light to the grating will produce Bragg diffraction, it【keywords】Acousto-optic tunable filter (AOTF); Diffraction grating; Spectral resolution. Acousto-optic effectI目录1 绪论 .11.1 引言 .12 声光可调谐滤波器的工作原理 .12.1 声光可调谐滤波器的原理 .12.2 光
7、的衍射 .22.2.1 干涉与衍射的区别 .23 声光效应 .23.1 声光效应简介 .23.2 声光衍射 .33.2.1 衍射光栅 .34 TEO2 声光可调滤波器及其性能的影响 .34.1 TEO2 关于非共线声光可调滤波器 .34.2 声光晶体旋光性对非共线声光的作用 .44.2.1 两种偏振模式 .44.3 频率协调关系 .44.4 角度跟中心波长、线宽之间的关系 .6结论 .15参考文献 .1621 绪论1.1 引言声光可调滤波器（Acousto-optic Tunable Filter，AOTF）就是利用各种不同介质中的声光作用而研制成的一种新型的声光器件。AOTF 的主要结构成分
8、包括声光晶体和它上边的压电换能器。AOTF 最主要的工作原理：压电换能器可以把加载在它上面的电信号转变成频率一样的超声波，并且在超声波晶体的传播过程当中能与入射光波产生非线性效应；在满足布拉格衍射条件的时候，入射光将会产生布拉格衍射，衍射光的波长和驱动电信号的频率之间有一种特殊的关系即一一对应的关系，因为存在着这种一一对应的关系所以只要改变驱动电信号的频率就能改变衍射光的波长，从而达到了滤波的作用的效果。被称做是一种新型的分光元件AOTF 与传统的分光器件相比之下具有着独特的优点：AOTF的体积小，其结构都是固体的，没有活动部件，并且它对振动也不敏感；不仅入射角孔径与通光孔径很大；就连其衍射效
9、率也比较高；视场角也是比较大的；调谐相当的灵活而且速度也很快，并且其调谐范围较宽。从光谱分辨率来说AOTF也是不甘落后的 ，能满足一般应用的需求，并且具有再现性的功能，在计算机控制下能实现灵敏的运转。这些特性都反映出了AOTF 应用在光谱成像技术上的不可估量潜力。2 声光可调谐滤波器的工作原理2.1 声光可调谐滤波器的原理声光可调滤光器是根据各向异性双折射晶体声光衍射原理而做成的，它的工作原理如图1-1所示。它是由四部分组成的，可调射频源 双折射晶体压电晶体换能器 吸声体组成，这四部分组合而成的。声光可调滤光器的核心内容是：双折射晶体作为分光器件。我们一般是采用具有较高的声光品质因素和较低的声
10、衰减的双折射晶体。图1-1 ：声光可调谐滤光器工作原理1-双折射晶体 2-超声波行波场 3-压电晶体换能器4-可调射频源 5-吸声体 6-入射复色光7、8-衍射的正交单色光 9-零级光 10-挡光板反常布拉格衍射是在光通过的时候发生的，入射光波矢 、衍射光波矢 和声波矢 之间iKdaK严格匹配动量三角形的闭合条件，下式即为闭合条件公式: iad3其中矢量的模为： vfka2iink2dnK2是晶体对入射光的折射率， 是晶体对衍射光的折射率，它们分别是入射光和超声波波面间的ind夹角 、衍射光与超声波波面间的夹角 的函数。f 为超声波的频率， 为衍射光的波长，V 为超声波波速。在各向异性介质AO
11、TF 中，动量匹配条件示意图如下图1-2所示。图1-2：非共线AOTF动量匹配条件Ka对于一定的声光介质和一定的传播方向（即f 、V 、 一定） ，AOTF 的器件调谐关系i可以由（1）式表示： 2142siniifn（1）其中, ,为双折射引起的折射率差。din声光可调谐滤波器作为一种新型的色散元件，具有着棱镜和光栅无法与其相比较的优点：不但体积小重量轻而且无可移动部件；电调谐容易程控，集光能力较强、波长切换速度较快等。2.2 光的衍射2.2.1 干涉与衍射的区别所谓“干涉”是指两种以上的因素互相影响，形成相长相消的现象，而光的干涉是研究想干光波之间的叠加而引起的光强重新分布的问题。 “衍射
12、”从字面上讲是“展开”的意思，它的英文“Diffraction”旧时也译作“ 饶射” ，因此衍射指的是广传播不按直线传播，那么它的光场就必然会重新分布，由惠更斯-菲涅耳原理可知，它可看做是无限对个相干光波场的叠加，这又涉及到了干涉的概念。它们分别代表了光波性质的两个方面。3 声光效应3.1 声光效应简介当晶体中有超声波通过时，会改变晶体的光学性质，使它的折射率发生变化，形成随超声波强度而变化的分布，整个晶体相当于一个位相光栅，对入射激光产生衍射作用，称此现象为声光效应.所有晶体无论是否包括对称中心，都可以具有声光效应.通过控制超声波的强度和频率可以达到控制激光的强度和偏转方向的目的，可以制作声
13、光调制器和声光偏振偏转器等，在光电子、光通信领域中有广泛应用.3.2 声光衍射3.2.1 衍射光栅声光器件就是产生声光效应的器件，如图3-1所示，它主要是由声光介质、还有换能器组成的，换4能器又被称为超声发生器，具有转换的功能，用于将超高频振荡器输入的电功率转换成声功率。从而在介质中建立超声场。声吸收层用有两个作用:一是用来吸收，二是用来反射超声波，吸收声光介质中成为行波场，而反射使声光介质中成为驻波场。换能器图3-1：声光器件4 TeO2 声光可调滤波器及其性能的影响4.1 TeO2 关于非共线声光可调滤波器由于 是一种优良的声光材料，所以十分适合制作非共线声光可调滤波器（ ） 。它不但2O
14、Te AOTF具有双折射的特性，而且还具有旋光性。然而，在以往非共线 设计当中，为了研究问题的方AOTF便而忽略了旋光性对设计工作的影响。现在看来这必然会降低 设计的精度，从而导致的性能有所下降。AF图4-1 考虑声光晶体旋光性后的非共线声光互作用波矢量布局。光轴方向为 0014.2 声光晶体旋光性对非共线声光的作用4.2.1 两种偏振模式为了使研究结果能够更准确地反映声光作用的客观规律，本研究中将 晶体的旋光特性考虑2TeO到所研究的问题当中。图4-1 形象地给出了考虑 晶体的旋光特性以后的非共线声光相互作用波矢2TeO量布局。如图 4-1 所示所研究的声光相互作用平面为110面。在声光相互
15、作用平面内，入射光波矢、衍射光波矢 和声波矢 满足动量匹配条件，即 。同时，切线平行关系成立（iKdaKdaiK匹配电路 驱动电源衍射光声吸收层入射光互作用介质5曲面和 曲面在 和 的端点处的切面互相平行） 。iKdiKd当晶体的旋光性被考虑后， 晶体内的光波存在两个本征振动模式。对于一般的入射光极角2TeO来说，这两个本征振动模式分别为右旋椭圆偏振模式和左旋椭圆偏振模式。其中，以右旋椭圆偏振模式传播的光我们称之为右旋 光，其偏振面椭圆的长轴方向平行于主平面；以左旋椭圆偏振模式传播的光称之为左旋 光，其偏振面椭圆的长轴与主平面垂直。对于沿光轴方向传播的光波，两个本征振o动模式分别为右旋圆偏振模
16、式和左旋圆偏振模式。对于垂直于光轴传播的光波，两个本征振动模式分别为寻常线偏振光（ o 光）和反常线偏振光（ e 光） 。4.3 频率协调关系假设晶体内部的入射光为右旋 e 光，则由反常声光布拉格衍射原理可知衍射光为左旋 o 光。从而，入射光折射率 以及衍射光折射率 分别表示为：indn21sin2)1(02cos ei(4-1)210idd(4-2)式中 入射光极角；i衍射光极角。d入射光极角 和衍射光极角 分别指入射光和衍射光相对于光轴所成的极角。 和 分别是入射光i d one和衍射光在垂直于光轴方向的折射率，它们都是光波长的函数： )2638.0(257.1)34.02(548.21
17、on(3-3)1.(.).(.e(3-4)0表示真空中的光波长。当光波长为0.6328 um 时， =2.2597， =2.4119；光波长为1.0 um 时，one=2.2080， =2.3520。式( 4-1)和(4-2)中， 是一个与晶体旋光率 有关的量，旋光率 与光波长one 有关。 的大小由下式计算，o20(4-5)当 =0.6328 um时， =86.90 deg/mm， =6.7607 ；当 =1.0um时， =29.50 o 510odeg/mm, =3.4330 。从图 4-1看出，入射光和衍射光的波矢量曲面在声光作用平面内的轨迹均为510椭圆，并且这两个椭圆互不相切。从图
18、4-1 可知，式(4-1)和式 4-2)均表示椭圆方程。这里可以将式（4-1)和式(4-2)分别写成如下形式: 1)1(222eioi nxny(4-6)odd(4-7)对式(4-6) 和式(4-7)分别求导，得到， 2)1(eioinyx(3-8)ddx)(6(3-9)在ki 曲面和kd 曲面上，ki 和 kd 的端点处的式(4-8)和式(4-9)分别写成： 22cosin )1(tancos)1(ineoieiidxyi (4-10)2cosin )(t)( ddddnd(4-11)由动量匹配切线平行条件可知， dndni xyxyiii cossicoss(4-12)整理得，由图4-1
19、所示的几何关系可知， )tan()cos()sini diidkk cos)2(cos)2(in22 diio nn (4-14)从而有， )sco()siin()ta diid(4-15)再由三角形余弦定理得， )s(2)()(2 dididiakk(4-16)进而有， )cos()2()()()2()( 22 didiodoio nnn (4-17)其中，为超声波长，Va=fa ，Va和fa分别表示声速和超声频率。从而有， )cs()()()()()2( 222 didoiodoioaf(4-18)整理后得， 212a )cs(didiionf ）（(4-19)把式(4-1) 、(4-2)
20、、(4-13)代入式(4-15)，可以推出超声极角 与入射光极角a的关系：i 214624241262624 46)(tan)1()(tan)1( t)tan( eieoeieo oii n(4-20)同上，把式(4-1)、(4-2) 、(4-13)代入(4-19) ，就能推出与之相对应的频率调谐关系。4.4 角度跟中心波长、线宽之间的关系当 时，改变角度 发现其波峰所对应的波长 的值、线宽 b 会发生变动，96af 在这个范围内我们做了一个观察,如图下列图：Mhzfhza825.78=78.5Mhz =598nm b=0.1nm 如图 4-2 所示：af75.710-7 5.810-7 5.
21、910-7 6.110-70.20.40.60.81图 4-2：匹配单次滤波线宽=79 Mhz =595nm b=0.095nm 如图 4-3 所示：af5.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-70.20.40.60.81图 4-3：匹配单次滤波线宽=79.5 Mhz =592nm b=0.085nm 如图 4-4 所示：af85.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-70.20.40.60.81图 4-4：匹配单次滤波线宽=80Mhz =589nm b=0.08nm 如图 4-5 所示：af5.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-70.20.40.60.81图 4-5：匹配单次滤波线宽=80.5Mhz =586nm b=0.075nm 如图 4-6 所示：af
