1、本科毕业设计（20 届）入射光角度对 AOTF 的性能影响所在学院 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 2目 录1.绪论 .21.1 引言 .21.2 声光可调谐滤波器的发展历程 .22. 声光器件 .22.1 声光器件的研究历史及现状 .22.2 声光器件的发展 .32.3 声光技术的应用 .33.光的衍射 .43.1 光的衍射现象 .43.2 干涉与衍射的区别 .43.3 拉曼-奈斯（RAMAN-NATH）衍射 .44.AOTF 声光可调滤光器 .54.1AOTF 工作原理 ： .54.2 AOTF 构造和特点： .75.入射光角度对 AOTF 性能的
2、影响： .75.1 结论： .17参考文献: .203超声角度对滤波器的角孔径的影响【摘要】本文主要以声光滤波器入射光角度对 AOTF性能影响展开研究。声光可调谐滤波器(Acousto-opticTunableFilter，AOTF)的原理是根据声光衍射原理制成的分光器件，它由晶体和键合在其上的换能器构成，换能器将高频的 RF驱动电信号（一般约为几十兆赫至二百兆赫之间）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率有着一一对应的关系。因此，只要改变 RF驱动信号的频率，即可改变衍射光的波
3、长，进而达到了分光的目的。【关键字】声光滤波器，光谱仪器，声光效应，AOTF 成像。【Abstract】 this paper mainly AOTF angle of incident light effect on theperformance of AOTF. Acousto optic tunable filter (Acousto-opticTunableFilter,AOTF) the principle is based on optical devices made acousto-optic diffraction principle, it is composed of c
4、rystal and the transducer in the constitution,transducer frequency RF drive signal (usually around tens of megahertz to two hundred megahertz) into ultrasonic vibration in the crystal, ultrasonic themodulation of spatial periodicity, its role as a diffraction grating. When the incident light to the
5、grating will produce Bragg diffraction, the diffraction light wavelength and frequency drive signal frequency is one one to one correspondence. Therefore, as long as the change in the RF frequency of the driving signal, can change the diffraction light wavelength, so as to achieve thepurpose of ligh
6、t.【keyword】 acousto optic filter, spectrum instrument, the acousto-optic effect,AOTF imaging.41.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 的主要结构成分包括声光晶体和它上面的压电换能器。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
7、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
8、 AOTF 应用在光谱成像技术上的不可估量潜力。1.2 声光可调谐滤波器的发展历程1922 年，法国物理学家 Brilloun 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。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
9、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，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。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
10、流方向与光能流相互垂直的声增强型AOTF。1976 年，Yano 和 Watannabe 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。2. 声光器件2.1 声光器件的研究历史及现状早在三十年代，就已发现各向同性介质内的声光互作用现象，这就是众所周知的“超声光栅” 。然而，由于声光互作用引起的光的频率和方向的变化都很小，所以在激光问世以前，它没有多少实用价值，长期以来未受到重视。激光的问世改变了这种情况。由于激光的单色性和方向性好，亮度高，而且因具有相干性而使激光束能量可以全部聚焦成衍射限大小的光斑等特
11、性，因此，利用声光互作用可以快速而有效地控制激光束的频率、方向和强度，大大扩展了激光的应用范围，从而推动了声光器件的发展。在六十年代中期到七十年代中期，声光器件的性能迅速地提高，而且无论控制激光束哪方面5的特性，所用声光器件的工作原理、器件结构和制作工艺都是一样的，只要在设计上加以一定考虑，就可适应各种需要，甚至一个器件同时可起到多种功能。这是其它光电子器件（如光电器件、机械的光偏转器等）望尘莫及的。因此，进入七十年代后，声光器件的应用越来越广，在许多场合已取代其它器件，并发展了许多只有声光器件才能完成的应用。同时，声光器件本身也已开始系列化的生产七十年代以前的声光器件发展主要集中在体波声光器
12、件的发展，以上介绍的均为体波声光器件的发展。在七十年代，由于光波导技术和声表面波技术的进展，发展了利用表面声波和导光波之间声光互作用的表面波声光器件。因为表面声波和导光波均集中在介质表面厚度为波长数量级的薄层内，能量非常集中，故表面波声光器件只需很小的驱动功率；同时，表面波声光器件是用平面工艺制作的，工艺比较简单灵活，很容易做出结构复杂的换能器，因而可以得到比体波器件更大的带宽。目前，表面波声光器件的性能已超过体波器件，它在光信号处理方面获得许多应用，在集成光通讯方面亦可望得到重要应用。2.2 声光器件的发展主要有三个方面：首先是声光互作用理论的发展，其中特别重要的是：1967年 R. W.
13、Dixon 发现，在各向异性介质内，声光互作用应分为正常和反常两大类：正常互作用的几何关系仍可用光栅（平面光栅或体光栅）衍射来说明，相应的理论可纳入各向同性介质的声光互作用理论，但反常互作用不能用以往的理论来解释。1976年张以拯（I. C. Chang）利用非线性光学中的参量互作用理论，建立了声光互作用的统一理论，并用动量（或位相）匹配和失配等概念进行讨论，从而对声光互作用有了更进一步的认识；林耕华（E. G. H. Lean）阐述了表面声波和导光波之间声光互作用的理论形式。其次是高性能声光互作用材料的开发，在可见光和近红外范围内，最著名的是钼酸铅和氧化碲晶体。最后是工作在100MHz 或更
14、高频率的体波和表面波压电换能器理论和工艺的发展。正是由于这些理论、材料和工艺上的发展奠定了声光器件进入实用阶段的基础1。2.3 声光技术的应用声光器件所产生的频移和偏转角都很小，对于非相干光没有什么实用价值，因而长期以来未得到实际应用。激光的发现彻底改变了这种情况，由于激光束具有单色性好、方向性好、亮度高以及整个激光束能量可全部聚焦在衍射限大小的光斑内等一系列特点，通过声光器件可以对激光的频率、相位、振幅或强度进行调制，快速完成电、声、光信息间的传递与转换，可随机改变激光束的传播方向，实现对光束的自动选频、分光和扫描等。主要用于激光加工机、激光通讯、激光雷达、激光图像遥感、激光干扰、声光频谱分
15、析领域，产品已得到广泛应用，从而大大扩大了激光的应用领域。激光束的控制分为内部控制和外部控制，内部控制主要指声光调 Q、声光锁模等用于对激光性能的改善，外部控制则主要指对激光束的应用，如常见的激光传真机、激光打印机、磁转胶系统以及激光函数图示仪和全息光存储器的快速寻址器等；此外，声光移频器还用于激光多普勒测速仪(或测振仪)、光纤直径自动控制仪；而声光可调谐滤光器(AOTF)则用于分析光源的光谱成份，弱相干光探测，以及燃料激光器的电调谐和获得彩色图像的分色像。由于声表面波技术独特的优点：能量集中、驱动功率小、体积小、重量轻、时间带宽积大等，使得声表面波器件在集成光通讯中可以有效地控制导光波的方向
16、和强弱以及进行模式转换等，而在光信号处理中进行宽带信号的实时频谱分析，以及进行声光相关和声光卷积，得到前所未有的重视，此外，声光技术还是探测物质声光性能的重要手段，即光探测技术。63.光的衍射3.1 光的衍射现象光波动性的另一个重要标志是光的衍射现象，光的衍射现象也是光波在传播过程中的重要性质之一。但凡是不能用反射、折射或散射来解释的光偏离直线传播的现象统称为光的衍射。也可以把它叫做光的绕射。也就是光可以绕过障碍物，传播到障碍物的几何阴影区域当中，光强的不均匀分布是在障碍物后的观察屏上呈现出来的。我们通常将观察屏上的不均匀光强分布称为衍射图样。让一个人足够亮的点光源发出的光透过一个圆孔照射到屏
17、幕上，并且慢慢的改变圆孔的大小，我们就会发现，当圆孔足够大的时候，就能在屏幕上看到一个具有清晰边界的非常均匀的光斑，我们所说的光斑的大小就是圆孔的几何投影；随着圆孔的不断缩小，刚开始的光斑也会逐渐的变小，接着光斑边缘就会开始慢慢的变模糊，并且会在圆斑外面产生许多围绕圆斑的同心圆环；后面即使圆孔变小，光斑及圆环也不会跟着变小，反而会增大起来，这种成反比的现象，就是光的衍射现象。由于波长的不同光的衍射也不相同，当使用单色光源时，就会出现一组明暗相间的同心环带，当使用白色光源时，则会出现一组色彩相间的彩色环带，这就说明光的衍射与波长有关。衍射的基本原理：光的衍射现象是光的波动性的具体体现，而建立在光
18、的直线传播定律的基础上的几何光学是没有办法解释光的衍射的，这种现象的完善只能靠波动光学来解释了。3.2 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”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。因此绝对没有单纯的干涉或衍射的现象，它们之间是相互关联、相互影响的。它们分别代表了光波性质的两个方面。在绝大部分显
19、示光的波动性的实验中，干涉和衍射现象是共存的，如杨氏双缝实验，入射光为平行光，它入射到双缝上，没缝均可看成是由无限多个次波源组成一个发散光源，发散光源将向一个宽度的角度发光，这实际上就是衍射现象，这样的两个发散光源在其交叠区产生相干叠加就属于干涉现象。所以说杨氏双缝实验是干涉和衍射的综合问题。3.3 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2ss互作用下长度 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
20、 所示，各衍射光的衍射方向可按下式计算：（n=1,2,3，.） (3-1-1)sin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。7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 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。4.AOTF 声
21、光可调滤光器4.1AOTF 工作原理 ：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制成，其工作原理：它由双折射晶体、可调射频源、压电晶体换能器和吸声体组成。双折射晶体作为分光器件，是声光可调滤光器的核心，一般采用具有较高的声光品质因素和较低的声衰减的双折射晶体。常用的双折射晶体有 TeO2 、石英和锗等，而 TeO2由于具有较高的声光品质因素在 AOTF 中被广泛采用；可调射频源对压电晶体换能器提供频率可调的高频电信号激励；压电晶体换能器将高频的驱动电信号转换为在晶体内的超声波振动，它一般是键合在晶体上的；吸声体则是吸收通过晶体后的声波，防止声波在晶体内发生多次重复反射。当对换能器施加
22、一定频率的激励射频电信号时，压电晶体换能器将其转换成相应频率的超声波信号并耦合到双折射晶体中，晶体的折射率随之发生周期性变化，因而相当于晶体中形成了一个位相光栅，光栅常量即为超声波的波长。光通过的时候发生反常布拉格衍射，入射光波矢 、衍射光波矢 和iKd声波矢 之间严格匹配动量三角形闭合条件： aKaidKiin28dnK2Vfa为晶体对入射光的折射率， 为晶体对衍射光的折射率，它们分别是入射光和超声 波波面间的夹indn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i波速。在各向异性介质 AOTF 中，动量匹配条件示意图如下图2所示。 对于一定的
23、声光介质和一定aK的传播方向（即 f、V、 一定） ，AOTF 的器件调谐关系可以由下式表示：i图2非共线 AOTF 动量匹配条件（1） 214siniifnV其中， ，为双折射引起的折射率差。 由式（1）可见，经 AOTF 衍射产生的单色光的波din长 和激励用的射频信号频率 f 存在一一对应关系，只要通过电信号的调谐即可实现快速、随机改变输出光的波长，为光谱分析仪器提供了一种新的容易实现程序控制的滤光器件。4.2 AOTF 构造和特点：AOTF 光谱仪的构造及特点 作为一种新型的色散元件，声光可调谐滤光器具有着棱镜和光栅所无法比拟的优点：体积小重量轻且无可移动部件；电调谐易于程控，波长切换
24、速度快和集光能力强等。因此在光谱分析仪器得到了广泛的应用。由 AOTF 构成的光谱分析仪器基本框架如图 3 所示。 仪器的工作机理为：光源发出的复色光经光学准直系统后变成平行光入射到 AOTF 晶体上，经衍射分光成单色光射出。单色光根据样品物态特征的不同，可以相应的选择透射或者漫反射方式与样品作用加载需要的样品信息。携带着样品信息的光信号进入检测器被检测转换为电信号，电信号传出给 PC 机采集并储存处理。光信号检测器的选择则是根据扫描的光谱范围确定。PC 机（也可以用其它控制器代替）在系统中对检测器输出的电信号进行采集和处理，并根据具体的波长需要对可控射频信号源进行控制。可控射频信号源的作用就
25、是根据 PC 机发来的控制信号生成指定频率的电信号施加在 AOTF 晶体上使其对复色光进行选择性分光。整个仪器系统中不需要使用任何可动器件，通过电信号频率的切换实现光波长的切换。95.入射光角度对 AOTF 性能的影响：在实验中我们确定 Fa=80Mhz 是超声角度 的值为 96和 97的时候发现中心波长和线宽都发生了对应的变化并且我们做了如下图 A 和图 B 观察。当 =96 = 13.59 = 587.5nm b= 1.5 nm 图 A1：5.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-7 6.210-70.20.40.60.81图 A1图 A2：=13.89 = 589.6nm b= 1.46 nm 5.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-7 6.210-70.20.40.60.81图 A210图 A3：=14.19 = 591nm b= 1.42 nm 5.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-7 6.210-70.20.40.60.81图 A3图 A4：=14.49 = 593.7nm b= 1.38 nm 5.710-7 5.810-7 5.910-7 6.110-7 6.210-70.20.40.60.81图 A4图 A5：=14.79 = 596.1nm b= 1.33 nm
