红外声光可调滤光器的性能测试及理论分析

　　1　前　言

　　声光可调滤光器(AOTF)是上世纪六十年代末七十年代初发展起来的一种新型分光器件。它是根据各向异性介质中声光布拉格衍射原理而工作的电调谐滤光器。通过改变外加调谐信号的频率,可使滤光器的光谱通带在很宽的范围内得到快速地调谐,从而达到分光目的。最初的AOTF是Harris和Wallace提出的同向声光互作用的AOTF[1],之后I.C.Chang又介绍了以TeO2单轴晶体作为材料的非同向声光互作用的AOTF,从此便相继出现利用不同声光介质制作的工作波段,从紫外扩展到远红外的各种类型的AOTF。而且,因非同向互作用的AOTF具有大角孔径、结构简单及使用方便等特点,而在光谱分析、成像技术及远程检测等领域得到广泛地应用。

　　2　非同向声光滤光器的工作原理

　　具有大角孔径的非同向声光滤光器的波矢量布局如图1所示,图中Z轴为晶体光轴, n0和ne代表寻常光线o光和非常光线e光的折射率曲面,由图1可看出o光和e光的折射率曲面分别为圆和椭圆。

　　取入射光为e光,则衍射光为o光,θi和θd分别为入射光线与晶体光轴的夹角; ki、kd和ka分别为入射光波矢量、衍射光波矢量和超声波矢量。此图描述的是I. C. Chang提出的平行切线动量匹配条件[1]。它仍保持ki曲面和kd曲面在ki和kd端点处的切面平行,因而当θi有一个很小的变化时,仍能保持动量匹配条件成立;亦即利用双折射量随角度的变化恰好补偿因角度变化所引起的动量失配,从而制成了即有大声光优值又保持大角孔径的非同向互作用声光可调滤光器。其中平行切线动量匹配条件的数学描述为:

　　又由折射率关系, o光的折射率曲面是半径为no的圆,而e光的折射率曲面是以长短轴分别为ne和no的椭圆,其关系式如(3)式[2]。

　　3　红外AOTF性能测试及特性分析

　　对美国NEOS公司的红外AOTF(工作波段1. 5~4μm)进行性能测试。将该AOTF置入美国Nico-let2Nexus 870型傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)样品室,如图2所示,外置驱动频率控制模块,将其与计算机连接。利用光阑对光束进行准直,红外透镜进行聚焦。由于AOTF的衍射光与入射光具有偏振方向正交的特性,因此利用起偏器与检偏器互向垂直的方法将透射光与衍射光分开,提高其光谱分辨率。

　　3. 1　衍射光中心波长与驱动频率的关系

　　由上(9)式可看出,衍射光的中心波长是AOTF入射角的函数,因此在测试过程中必须保持入射角不变。图3是25MHz驱动下所测AOTF衍射光的谱图,该图是以AOTF未加驱动频率时的光路为背景,即基准为100%,因此所测的衍射光峰值透过率应大于100%,零级光峰值透过率低于100%。而在实际测量时,因检偏器不能将零级透射光完全滤掉,使得在测试过程中有少部分零级光被探测器检测,因此该衍射光谱图中有两个峰,即衍射光和零级光,如图3所示, a为所测的衍射光, b为部分零级光。