雙波段大孔徑角聲光可調濾光器

張澤紅,王智林,何曉亮,劉 玲

(中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

與傳統的分光元件相比,非共線聲光可調濾光器(簡稱“濾光器”)具有孔徑角大,集光能力強,穩定性強,調諧靈活快速,信號接收和處理方便等優點,在光譜成像領域具有很高的應用價值[1]。

常用濾光器均針對單個波段進行設計,把可見光與中波波段設計在同一濾光器上,為可見光光譜成像系統和中波光譜成像系統集成為一個系統創造了條件。它能同時對目標的可見光與中紅外波段進行快速光譜成像,在充分挖掘生物細胞組織的可見光與中波紅外光譜特征信息方面具有重要意義。

為了提高濾光器的集光能力,一般都采用“切面平行動量匹配條件”理論[2],把濾光器設計成大孔徑角。在設計大孔徑角濾光器時,對于同一入射極角θi(入射光與光軸的夾角),入射e光[3]所需最佳超聲極角(超聲波與光軸的夾角)為θe,入射o光[3]所需最佳超聲極角為θo。θo和θe不同,其原因是晶體的o光和e光的折射率不同(o光和e光的折射率相同的晶體無法制作大孔徑角濾光器)。

把入射e光設計成可見光波段,入射o光設計成中波波段,這時濾光器可同時兼顧可見光與中波波段的雙波段大孔徑角聲光可調濾光器。

1 理論分析

1.1 基本原理

圖1為雙波段大孔徑角聲光可調濾光器基本原理,其特點是1個共同的入射極角θi、2個不同的超聲極角θo和θe。共同的入射極角θi是指入射o 、e光采用相同的入射角進入聲光晶體,即共用一個光路入射。超聲極角θo(超聲波Kao與光軸的夾角,也是通聲面2法線與光軸的夾角)專門針對入射o光設計,能滿足入射o 光(中波波段)的大孔徑角要求;超聲極角θe(超聲波Kae與光軸的夾角,也是通聲面1法線與光軸的夾角)專門針對入射e光設計,能滿足入射e光(可見光波段)的大孔徑角要求。這種雙波段大孔徑角聲光可調濾光器聲光介質的兩個通聲面(通聲面1和通聲面2)相差角度β=θo-θe。

圖1 雙波段大孔徑角聲光可調濾光器原理圖

對于入射e光,濾出得到的衍射光為o光,其波矢量布局如圖2所示。[001]軸為晶體光軸,o光的折射率曲面是半徑為no的圓,e光的折射率曲面是以長短軸分別為ne、no的橢圓。入射光Ki與超聲波Kae發生聲光互作用,濾出衍射光Kde,衍射光與光軸的夾角為衍射光極角θde。根據非同向聲光可調濾光器“切面平行動量匹配條件”理論,結合圖2,入射e光獲得大孔徑角的條件:

圖2 入射光為e光時的波矢量布局

Kde=Ki-Kae

(1)

同理,對于入射o光,濾出得到的衍射光為e光,其波矢量布局如圖3所示。入射光Ki與超聲波Kao發生聲光互作用濾出衍射光Kdo,衍射光與光軸的夾角為衍射光極角θdo。結合圖3,入射o光獲得大孔徑角的條件:

圖3 入射光為o光時的波矢量布局

Kdo=Ki+Kao

(2)

由圖2、3可見,兩種濾光模式的波矢量布局差別較大。對于入射光為e光的濾光器,其入射光折射率曲面是以長短軸分別為ne、no的橢圓,衍射光折射率曲面是半徑為no的圓,且θi>θde;入射光為o光的濾光器,其入射光折射率曲面是半徑為no的圓,衍射光是以長短軸分別為ne、no的橢圓,且θi<θdo。

由圖1可見,入射e、o光經過濾光器濾光后,得到的衍射光分別為衍射o、e光,衍射o光和衍射e光空間分離。濾光器工作示意圖如圖4所示。入射e光在可見光波段工作,經過濾光器后得到衍射o光,進入可見光探測器。入射o光在中波波段工作,經過濾光器后得到衍射e光,進入中波探測器,兩個探測器相互獨立,不相互干擾。

圖4 濾光器工作示意圖

1.2 光波長調諧關系

1.2.1 可見光波段

入射光e光在可見光波段工作,得到衍射光o光。根據非同向濾光器“切面平行動量匹配條件”理論[4],入射光折射率ni為

(3)

衍射o光在晶體內的衍射光極角θde為

(4)

入射極角為θi時,入射光e光獲得大孔徑角需要的最佳超聲極角θe為

(5)

濾出的可見光光波長λe為

(6)

式中:ve為在超聲極角θe時氧化碲晶體的超聲波速度;fe為可見光波段的工作頻率。

式(6)是可見光波段的光波長調諧關系,根據式(6)可求出λe(入射e光)對應的工作頻率fe,或工作頻率fe對應的光波長λe。

1.2.2 中波波段

中波波段工作入射光取o光,得到的衍射光為e光。根據非同向濾光器“切面平行動量匹配條件”理論[3],衍射e光在晶體內的衍射光極角θdo為

(7)

衍射光的折射率nd為

(8)

入射極角為θi時,入射光o光獲得大孔徑角需要的最佳超聲極角θo為

(9)

濾出的中波光波長λo為

(10)

式中:vo為在超聲極角θo時氧化碲晶體的超聲波速度;fo為可見光波段的工作頻率。

式(10)是中波波段的光波長調諧關系。根據式(10)可求出光波長λo(入射o光)對應的工作頻率fo,或工作頻率fo對應的光波長λo。

1.3 孔徑角

孔徑角是表征濾光器性能的一個重要指標,分為水平孔徑角和豎直孔徑角兩種,水平孔徑角通常都小于豎直孔徑角。因此,實際應用中側重考察水平孔徑角,孔徑角越大,濾光器集光能力越強,系統靈敏度越高。

1.3.1 可見光波段

對于可見光波段,其入射光取e光,得到的衍射光為o光。根據e光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[2],晶體外的水平孔徑角Δθe和豎直孔徑角ΔΦe[2]分別為

(11)

(12)

式中Le為可見光波段的聲光互作用長度。式(11)與文獻[2]的水平孔徑角相差2倍,其原因是文獻[2]只考慮了相位失配0.45的情況,式(11)按照相位失配±0.45計算,故式(11)更符合濾光器的實際測量結果。

1.3.2 中波波段

對于中波波段,其入射光取o光,得到的衍射光為e光。根據o光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[3],晶體外的水平方向孔徑角Δθo為

(13)

(14)

式中Lo為中波波段的聲光互作用長度。

晶體外的豎直方向孔徑角ΔΦo為

(15)

1.4 光譜分辨率

1.4.1 可見光波段

對于可見光波段,其入射光取e光,得到的衍射光為o光。根據e光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[2],入射e光的光譜分辨率Δλe為

(16)

式中b為氧化碲晶體的色散常數。

1.4.2 中波波段

根據o光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[3],入射o光的光譜分辨率Δλo為

(17)

由式(16)、(17)可見,對于相同的入射極角θi,在光波長和互作用長度等參數相同的條件下,由于o光入射型濾光器的θd>θi(見圖3),所以對于相同的入射極角θi,入射o光能得到更小的光譜分辨率,即o光入射型濾光器可獲得比e光入射型濾光器更高的光譜分辨率?；谶@個原理,在設計雙波段濾光器時,把中紅外波段設計成o光入射,可見光波段設計成e光入射,即可以較小的聲光互作用長度獲得更高的光譜分辨率。

2 實驗結果分析

按照圖1的原理制作出有效光孔徑為?20 mm×20 mm的雙波段大孔徑角聲光可調濾光器,如圖5所示。其主要設計參數:取入射極角θi=20°,可見光波段的超聲極角θe=98.55°,中波波段的超聲極角θo=99.65°,可見波段互作用長度Le=3 mm,中波波段互作用長度Lo=23.1 mm。

圖5 濾光器器件外形

如圖1所示,在通聲面1上制作高頻換能器,它吸收高頻段射頻信號(RF1)產生超聲波Kae,超聲波Kae與入射光發生聲光互作用濾出可見光;在通聲面2上制作低頻換能器,它吸收低頻段射頻信號(RF2)產生超聲波Kao,超聲波Kao與入射光發生聲光互作用濾出中波。

2.1 光透過率

濾光器同時工作在可見光與中紅外兩個波段,因此需要鍍制同時兼顧可見光與中紅外兩個波段的光學增透膜。其工作波長范圍較寬,因此在器件通光面上鍍制了多達12層寬帶減反射膜。用分光光度計測量濾光器光透過率,如表1所示。

表1 光透過率

制作濾光器的聲光介質材料是氧化碲晶體,其透光區為 0.35～5.00 μm,在0.45～4.00 μm內透明,但從4 μm開始光吸收系數逐漸增加,光透過率呈下降趨勢。因此,鍍膜后濾光器的透過率從光波長4 000 nm開始降低。

2.2 光波長與光譜分辨率

濾光器可見光波段使用的驅動功率約4 W,中波波段使用的驅動功率約11 W,全光譜范圍衍射效率達60%。濾光器在紫外波長450 nm時衍射效率較低,其原因是工作頻率較高,聲波衰減較大[5]。使用專用的兩套聲光可調濾光器測試系統分別測量了濾光器可見光與中波的工作頻率、衍射效率和光譜分辨率,如表2所示。由表可知,光譜分辨率與理論值吻合。

表2 濾光器的光波長、工作頻率、衍射效率和光譜分辨率

2.3 孔徑角

孔徑角測試框圖如圖6所示。使用632.8 nm激光器測試可見光波段,使用3 200 nm激光器測試中波波段。測試時,激光垂直射入器件入射面,調整驅動頻率使衍射效率達到最大,測出此時的衍射光強度I。順時針旋轉器件的角度,當衍射光強度降低為I/2(相當于相位失配0.45)時記錄機械式分度臺的角度θ1;反時針旋轉器件的角度,當衍射光強度再次降低為I/2(相當于相位失配-0.45)時記錄機械式分度臺的角度θ2,則器件孔徑角θ=|θ1-θ2|,則測出的孔徑角相當于相位失配±0.45。

圖6 孔徑角測試框圖

孔徑角測試結果如表3所示?？梢姽馀c中波兩個波段都同時獲得了大于6°的孔徑角?？紤]到工藝制作誤差與測量誤差,可見光與中波兩個波段的孔徑角與理論值相吻合。

表3 濾光器孔徑角測試結果

3 結束語

測試結果與理論值基本吻合,高頻段濾出了可見光(450～750 nm),低頻段濾出了中波(3 000～4 500 nm),并且可見光與中波兩個波段同時獲得了大孔徑角濾光,因此,在一個濾光器上實現了同時兼顧可見光與中波波段的功能。

把可見光與中波兩個波段集成在一個濾光器上的工作模式是聲光光譜濾光中的一大創新,為同時快速獲取目標的可見光與中波光譜圖像創造了條件,在充分挖掘生物細胞組織的光譜特征信息、深入識別生物組織的結構特征、觀察病灶多光譜變化趨勢、精準給出診斷結果方面具有重要的意義。