1、本科毕业设计（20 届）旋光性对 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旋光性对 AOTF 性能的影响【摘要】物质旋光性的发现具有重要的现实意义，尤其是在生命科学和医学领域。因为活机体中几乎所有的化合物都含有不对称的碳原子。而且，活机体总是只利用化合物的两种镜像形态中的一种。物质旋光性的发现让我们进一步认识了自己，认识了我们周围的世界。声光可调滤波器是利用超声波与光信号在透明介质中的互相作用来工作的，声光可调滤波器：Acousto-Optics Tunable Filter，简称 AOTF，是声光器件的新产品，是一种新型的分光
2、器件。首先，本文对旋光性和声光可调滤波器的概念以及它们的进展过程做了介绍。在此基础上，明确了本文的主要研究和意义。第二，本文介绍了旋光性判断方法和声光可调滤波器（AOTF）的工作原理。AOTF 是依赖于反常声光布拉格衍射工作的声光器件。这些知识介绍为后文奠定了基础。第三，本文研究了材料特性对声光可调滤波器频率调谐关系的影响。旋光性对调谐关系的影响，并分析和比较传统的调谐方式，进一步地通过多个角度对比和分析 3 种频率调谐关系，得到入射光极角 f 和入射光波 o 对超声频率影响的规律。第四，本文对非同向互作用声光可调谐滤波器的立体角孔径基本原理做了介绍以及研究对不同的 的立体角孔径计算同时还考虑
3、了极角变化 i 和方位角变化 i 对非同向互作用声光可调滤波器性能的影响。得出光线入射角取小于 54.74的较小值或大于 54.74的较大值时，立体角孔径将分别取闭合的近似椭圆包络或非闭合的近似双曲线形。本文综合开展了旋光性对声光可调滤波器（AOTF）性能的影响的相关理论的研究。通过研究得出旋光性对调谐关系的影响、对线宽的影响和角孔径的影响机制和规律。这对更好地改善 AOTF 的光谱分辨率性能具有现实指导意义。【关键字】 旋光性；声光可调滤波器；频率调谐；线宽；角孔径IIThe influence of the optical activity of AOTFAbstract Opticall
4、y active substances findings have important practical significance , especially in the life sciences and medicine. Because almost all of the living organism containing compounds have asymmetric carbon atoms . Moreover , using only two living body is always mirrored in a form of the compound . Optica
5、lly active substances found to further our understanding of ourselves, understanding the world around us . AOTF is the use of ultrasound and optical signals interact in a transparent medium to work, acousto-optic tunable filters : Acousto-Optics Tunable Filter, referred to as the AOTF, acousto-optic
6、 device is a new product , is a the new spectroscopic devices. Firstly, the optical activity of the acousto-optic tunable filter concepts and their progression introduced. On this basis , a clear sense of the main research and this article.Second, the article describes the method for determining the
7、 optical properties of light and sound tunable filter (AOTF) works. AOTF is dependent on the acousto-optic Bragg diffraction abnormal working acousto-optic devices . This knowledge was later introduced the foundation .Third , we study the effects of material properties on the acousto-optic tunable f
8、ilter frequency tuning relations. Affect the tuning of the relationship between the optical and the analysis and comparison of traditional tuning mode , through a plurality of angles further comparative analysis of three kinds of frequency tuning and relationships give f and polar angle of the incid
9、ent light incident on the frequency of the ultrasonic wave o law .Fourth , the paper solid angle aperture to the basic principles of an unusual interaction acousto-optic tunable filter made the introduction and study of the solid angle of aperture different calculation also takes into account change
10、s in the polar angle and azimuth change i on i unusual to affect the interaction of acousto-optic tunable filter performance . Take a smaller angle of incidence of light arriving at a value less than or greater than 54.74 54.74 larger value , the solid angle of aperture closure will take approximate
11、ly elliptical envelope approximation of non- hyperbolic closed .This paper conducted a comprehensive study of the optical properties of the acousto-optic tunable filters affect (AOTF) performance of the underlying theory. Obtained by studying the impact of optically tunable relations, the impact on
12、the width and angle of aperture of the impact mechanism and laws . This has practical significance to improve the spectral resolution of better performance of the AOTF .Keyword optical rotation; acousto-optic tunable filter; frequency tuning; linewidth; angular aperture目 录1 绪 论 .11.1 引言 .11.2 旋光性发展历
13、史 .11.3 声光可调滤波器进展 .11.4 本论文的研究内容和意义 .22 旋光性与声光可调滤波器基本理论 .32.1 引言 .32.2 分子旋光性的概念 .32.3 旋光性的判断方法 .32.4 声光可调滤波器原理 .32.5 本章小结 .43 材料特性对 AOTF 频率调谐关系的影响 .53.1 引言.53.2 超声频率与入射光波长的调谐关系.53.3 在有旋光性条件下的超声频率与入射光波的关系.63.4 传统的超声频率与入射光波长调谐关系.83.5 不考虑旋光性的情况下超声频率与入射光波长的关系.93.5 本章小结 .114 超声频率 fa 与线宽的关系 .124.1 有旋光性时超声
14、频率与线宽的关系 .124.2 无旋光性时超声频率与线宽的关系 .134.3 本章小结 .155 非同向互作用声光可调谐滤波器的立体角孔径 .165.1 引言 .165.2 非同向互作用声光可调谐滤波器的立体角孔径基本原理 .165.3 在有、无旋光性的情况下的角孔劲 .175.4 本章小结 .18结论语.19参考文献.2011 绪 论1.1 引言近几年来，我们知道声光可调滤波器的基本理论知识相应成熟，进而我们会对各项性能及设计理论逐渐熟悉，并且应用在多个领域。在 AOTF 分光原理基础上，声光可调滤波器与其他传统分光元件相比有比较突出的优点，譬如衍射效率高，通光孔径大，调谐范围宽和光谱扫面速
15、度快等。TeO2 晶体具有三个特性分别为：色散性、双折射性和旋光特性，这三个特性对 AOTF 的基本设计的影响是不可忽略的，因此不能忽略 TeO2 晶体的旋光特性对 AOTF 的影响。本文研究 AOTF 调谐、线宽和立体角孔径之间的关系。基于非共线声光作用关系，考虑 TeO2 声光材料的特性，得出超声频率与入射光波长的调谐关系的表达形式和关系图，并分析和比较先前的传统调谐公式，和给出了超声频率与线宽关系图以及比较有无旋光性时 AOTF 的立体角孔径变化。1.2 旋光性发展历史1815 年，毕奥（法国物理学家）发现当平面偏振光通过石英晶体时，偏振面会转动。即光以波浪进入一个平面又从另一个平面以波
16、浪形射出。1844 年，巴斯德发现酒石酸和外消旋酸具有相同的化学成分，但外消旋酸和酒石酸却不一样。因为外消旋酸不能使偏振光的振动平面转动，而酒石酸却能。观察这两组盐的晶体，发现两二者均为不对称。然而，外消旋酸盐晶体有两种不对称性的形式：一半晶体与酒石酸盐晶体的形状相同，另一半则为镜像。即外消旋酸盐的晶体一半是左旋，一半是右旋。1863 年，维斯利采努斯（德国化学家）发现，乳酸（酸奶中的酸）能形成镜像化合物。这进一步证明除了对偏振光所产生的作用不同外，这两种乳酸的其他性质完全一样， 。1874 年，勒贝尔与范托夫分别提出了关于碳的价键的新理论，解答了镜像分子的构成问题。1.3 声光可调滤波器进展
17、声光可调滤波器：Acousto-Optics Tunable Filter，简称 AOTF，是声光器件的新产品，是一种新型的分光器件。声光可调滤波器利用了超声波与光信号在透明介质中的互相作用工作的。最初由SEHarris 和 RWwallace1提出，并由 SEHarris、 STKNieh 和 DKWinslow2通过实验验证，之后经 ICChang 及 AWatanable 的工作使其走向实用。在 1969 年，S EHarris 等最初提出了 AOTF 工作在可见光波段和声光互相作用条件下发生声波矢共线，成为共线型 AOTF。能满足这种条件的声光晶体不多，并且器件结构复杂，这样它的应用就
18、受到很多限制。随着声光互相作用理论的发展， AOTF 从共线方式已发展到非共线方式，在设计上表现非常灵活；工作波段也从可见光（0.4-0.75um）扩展到紫外（0.24-0.4um） 、近红外（1.0-16um） 、中红外（2.0-5.0um）以及红外（10.6-18um）等波段，因此应用领域也越来越广泛 3声光可调滤波器受到各领域的重视。在各方面条件限制，国内许多从人员大多只能从理论上探讨，基本上在可见光波段，研究声光可调滤波器的工作原理和性能分析。许多声光器件的研制仍受到固体材料、设计方法特别是加工工艺技术等方面的限制。由于声光可调滤波器在宽的波长范围内能提供快速的电调谐光源而在动态光谱分
19、析、光谱成像、光计算、辐射光谱测量、光探测、多谱影像、Raman散射测量、分光仪等领域中有广泛的应用前景，并且在电子对抗的信号处理中具有很大潜力。面对现代通讯技术的迅猛发展，光纤技术的应用逐渐广泛，而在光通讯中声光可调谐滤波器占有着重要地位，如波分复用(WDM)的局域网作为多通道变换（Switching） 、路由（Routing ） 、分配（Distribution） 、分集（Segreg-ation ）和用户收发多路器（ ADM Add-Drop-Multiplexer）等。由于它的快速连续可调谐等优点是其他一些光学器件所不能比拟的，它将在以后的光学系统中发挥重要的作用。AOTF 是通过调谐
20、电信号的频率从宽光谱光（复色光）中滤出所需光谱成分。与一般色散元件相比，AOTF 具有以下特点:2(1) 输出光谱切换速度快，切换时间仅几微秒，因此易实现光信号的快速光谱分析；(2) 可工作在单点、连续扫描、随机扫描和多点方式适合于多光谱成像、超光谱成像系统；(3) 通过电信号进行调谐，实际使用中计算机易于控制盒系统集成；(4) 在成像/非成像光谱仪应用中大角孔径特征很重要；(5) 光学系统无移动部件，波长重现性好，环境适应性强，适用于机载、星载系统。1.4 本论文的研究内容和意义本文综合开展了旋光性对声光可调滤波器（AOTF）性能的影响的相关理论的研究。对旋光性和AOTF 的原理与发展历史大
21、概了解。通过研究得出旋光性对调谐关系的影响、对线宽的影响和角孔径的影响机制和规律。分析对比有旋光性与无旋光性的情况下的线宽变化等不同。32 旋光性与声光可调滤波器基本理论2.1 引言发现物质旋光性具有重要的现实意义，尤其是在生命科学和医学领域。因为活机体中大部分的化合物都含有不对称的碳原子。而且，活机体总是只利用化合物的两种镜像形态中的一种。物质旋光性的发现让我们进一步认识了自己，认识了我们周围的世界。声光可调滤波器这种反常布拉格衍射器件能够以很高的速度进行电调谐并具有很大的角孔径（即集光能力） ，可获得大视场和高分辨率，在许多领域中得到应用，能够完成一般色散元件所无法完成的任务。2.2 分子
22、旋光性的概念物质有种性质称之为旋光性也叫光学活性。是指在可见光范围内的平面偏振光（一般指钠光，D线）穿过某些固体，液体或气体化合物以及它们的溶液时，偏振光的偏振面会向左或向右旋转一定的角度。分子的旋光性：当光通过含有某物质的溶液时，使得经过此物质的偏振光平面发生旋转的现象。因为物质内存在不对称碳原子或整个分子不对称，所以它可通过存在镜像形式的物质显示出来。正是这种不对称性，物质对偏振光平面有不同的折射率，才表现出向左或向右的旋光性。我们可以这个特性对物质（如某些糖类）进行定性或定量的分析。2.3 旋光性的判断方法平面振动的光称为平面偏振光，简称偏振光。是指当普通光通过一个偏振的透镜或尼科尔棱镜
23、（Nicol prism）时，一部分光就被挡住了，只有振动方向与棱镜轴平行的光才能通过。当平面偏振面通过手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋转了一个角度，向右旋转称为右旋物质（+） ；向左旋转称为左旋物质（-） 。螺旋型分子都是手性分子，手性化合物都具有旋光性，旋光方向与螺旋方向一致，匝数与旋光度成正比关系，螺距旋光度成反比关系，分子旋光度是螺旋旋光度的代数和。一个分子拥有不同的手性碳原子时，有一个手性碳就有一对对映异构体，有两个手性碳就有两对，意思是 2*2 个；若有 n 个手性碳就有 2*n 个旋光异构体（或对映异构体） ，对映异构体的对数为 2*n-1。2.4 声光可调滤波器原理在宽光谱
24、范围内，对一个固定的声频，只有很窄的光频带能近似地满足动量匹配条件而发生衍射。这个频带称之为光学通带，光学通带中心对应于被衍射的光波长。改变输入电信号的频率时，衍射光波长随之改变，即衍射光的波长随输入信号频率而改变，这就是声光调谐滤光器的原理，如图 2.1 所示。在介质中传播的超声波引起介质折射率周期性变化。4图 2.1 声光可调滤波器工作示意图2.5 本章小结本章介绍了旋光性的判断方法对声光可调滤波器的发展和 AOTF 的原理做了简单的介绍。知道AOTF 在生物医学、军事上、农业上、地址勘探、空间遥感等领域具有广泛的应用前景很高的使用价值。53 材料特性对 AOTF 频率调谐关系的影响3.1
25、 引言AOTF 是一种声光器件，是利用各向异性介质中的反常布拉格衍射理论的。它在光谱分析以及光谱成像等众多领域中应用广泛 1-6。当入射光在晶体中传播的超声波作用下发生布拉格衍射时，衍射光的波长与驱动电信号的频率一一对应；改变驱动电信号的频率即可改变衍射光的波长。通过频率调谐关系，可利用加载的超声频率信息，来把握 AOTF 输出光信号的光谱学信息。因此，根据实际应用的情况，明确超声频率与入射光波长的调谐关系的表达形式以及调谐关系的影响因素，是很有研究的必要性。本文以二氧化碲（TeO 2）非共线 AOTF 为研究对象，研究了声光材料的双折射特性和旋光特性对调谐关系的综合影响，给出了频率调谐关系的
26、表达形式，为 AOTF 性能的完善提供了避孕药的技术支持。3.2 超声频率与入射光波长的调谐关系以非共线声光作用关系作为出发点，考虑 TeO2 声光材料特性，分析比较现在超声频率与入射光波长的调谐关系的表达形式与传统的调谐公式。超声频率与入射光波长调谐关系的导出：图 3.1 给出了 TeO2 非共线 AOTF 内非共线声光作用的矢量布局。对于 TeO2 声光材料，它具有双折射特性和旋光特性。对于一般的入射光方向，TeO 2 晶体内存在分别右旋椭圆偏振模式（右旋 e 光）和左旋椭圆偏振模式（左旋 o 光）两个本征振动模式。以下对列出入射光波矢 Ki、衍射光波矢 Kd 和超声波矢 K 的大小关系式
27、为：Ki=2n i/ o, Kd=2n d/ o , K =2f /V (3-1)式（3-1）中， o 为真空中的光波长， ni 和 nd 分别为晶体内的入射光折射率和衍射光折射率， f和 V 分别为超声波频率和声速。声速可由 V （ ）= （V ss2sin2 +Vfs2cos2 ） 0.5 计算，V ss 为617m/s,Vfs 为 2104m/s12。 为超声极角，是超声方向与光轴的夹角。Ki、K d 和 K 之间满足三角形闭合条件：K i +K = Kd。对选定的超声波矢 K ，对应的入射光波矢 Ki 和衍射光波矢 Kd 要求满足动量匹配切线平行条件，即入射光波矢和衍射光波矢在对应波矢
28、曲面的切面相互平行。设衍射光为左旋 o 光、入射光为右旋 e 光、衍射光折率 nd 和入射光折率 ni 分别满足：ni=cos2 i/no2(1+) 2+sin2 i/ne2-1/2（3-2）nd=cos2 i/no2(1-) 2+sin2 d/no2-1/2式（3-2）中， i 为入射光极角，表示入射光方向与光轴的夹角。入射光折射率和衍射光折射率均与方向有关，这体现了声光晶体的双折射特性。 是一个与晶体旋光率 以及光波长 o 有光的量，体现了声光晶体的旋光特性 13.同时，入射光折率和衍射光折率均与方向有关，体现了声光晶体的双折射特性。由赛耳迈耶尔方程描述：n o 和 ne 都是光波长的函数
29、，分别表示垂直于光轴方向上的 o 光和 e光的折射率。由动量匹配条件得：tan(- )=(ni sin i - nd sin d)/( ni cos i - nd cos d) （3-3） d 为衍射光极角。再由切线平行条件，tan d=(no/ne)2(1+) 2/(1-) 2 tan i (3-4）6图 3.1 声光作用的矢量布局- 非共线（忽略 TeO2晶体的旋光性）由图 3.1 所示几何关系和切线平行动量匹配关系，非共线声光作用关系为：tan(- )= tan ino4ne2(1+) 6 tan2 i +ne6(1- 6)-1/2-no4(1+) 6tan2+n o4ne2(1+ 4)
30、1/2/no4ne2(1+) 6 tan2 i +ne6(1- 6)-1/2- no2ne4(1-) 4(1+) 2tan2 i +ne6(1- 4)1/2 (3-5)根据确定的超声方向，可以用（3-5）来判断入射光方向。由 Ki、K d 和 K 之间满足三角形闭合条件，再利用余弦定理可得：（K ） 2=（K i） 2+（K d） 2-2kikdcos( i- d) (3-6)把（3-1）代入（3-6） ，得到超声频率调谐公式：f =（ V / o）n i2+nd2-2nindcos( i- d)1/2 (3-7)分析（3-7）式，为频率调谐关系。根据以上非共线声光作用理论，对于完成设计的 A
31、OTF,超声频率 f 与入射光波 o 之间的确存在一一对应关系。调节超声频率 f ，可改变入射光波 o。3.3 在有旋光性条件下的超声频率与入射光波的关系以下图 3.2-图 3.11 给出具体的图像变化。图 3.12 是从图 3.2-3.11 得出的结论图，可以看出 越大 f 越小，f 与 成反比关系。5.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-70.20.40.60.815.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-70.20.40.60.81图 3.2 fa=82.01MHZ =5.77um，线宽为 1.76cm 图 3.3 当 fa=81.74MHZ o=5.80um，线宽为 1.80cm
