大孔径可见光声光可调滤光器

王晓新，张泽红，刘 玲，周益民，吴中超

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

声光可调滤光器(简称“滤光器”)的功能是通过电调谐的方式从复杂光谱中滤出所需波长的光谱图像，具有孔径大，分辨率高，全固化无可移动部件，分光快速及波长任意切换等优点，是光谱成像系统常用的分光元件，其滤光特性直接影响光谱成像系统的性能。目前常用声光可调滤光器的光孔径约为10 mm×10 mm，限制了光谱成像系统的通光能量[1]，同时也难以与焦平面阵列探测器相匹配，为此我们设计制作了一种大孔径声光可调滤光器。

1 结构设计

滤光器是利用各向异性介质氧化碲晶体设计的反常布喇格器件，为了增加滤光器的光谱范围，器件设计了高频换能器和低频换能器两个换能器，原理示意图如图1所示[2]。高频换能器的工作频率为f1～f2，对应滤出的光波长为λ1～λ2；低频换能器的工作频率为f2～f3，对应滤出的光波长为λ2～λ3(见图2)，这样两个换能器同时工作的光谱范围为λ1～λ3，实现了宽光谱滤光。

图1 原理示意图

图2 滤光器光波长与声频的关系

2 主要参数设计

2.1 光谱范围与工作频率

滤光器采用具有大角孔径的非同向工作模式设计，其波矢量布局如图3所示。图中，[001]轴为晶体光轴，ne和no分别为寻常光线o光和非常光线e光的折射率。由图3可知,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。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。

图3 波矢量图

根据非同向大角孔径声光可调滤光器理论[3]，入射光是e光，其折射率为

(1)

式中θi为入射光的极角。衍射光在晶体内的衍射角θd为

(2)

工作频率(f)与光波长(λ0)的调谐曲线：

(3)

式中v为声波速度。光孔径20 mm×20 mm的滤光器，声波传输距离大，设计时必须考虑声波的衰减影响。氧化碲晶体内声波衰减与工作频率的平方成正比，工作频率越高，声波衰减越大，衍射效率越低，因此,设计时需尽量降低器件的工作频率。

器件工作频率与衍射光分离角成正比。工作频率越低，分离角就越小，需要分开衍射光的距离越长，成像系统的体积越大；反之，工作频率越高，分离角就越大，需要分开衍射光的距离越短，成像系统的体积越小，因此，从减小成像系统体积的角度，希望工作频率尽可能高。

经过综合考虑，入射光取e光，θi=15°，这时衍射光分离角大于3.9°。λ0=0.4～0.9 μm时对应的f为139.2～49.8 MHz，其工作带宽约0.95个倍频程。以λ0=0.6 μm、f=79 MHz点分段，139.2～79 MHz为高频段，对应的光波长为0.4～0.6 μm；79～49.8 MHz为低频段，对应的λ0=0.6～0.9 μm。λ0与f的对应关系如表1所示。

表1 λ0与f的对应关系

2.2 衍射效率

滤光器是反常布喇格衍射模式，其衍射效率[4]为

(4)

式中:M2为氧化碲晶体的声光优值；Pa为超声功率；H为光孔径；L为声光互作用长度。Pa与驱动电功率(P)的关系：

(5)

式中:σ为声波衰减系数;k为换能器机电耦合系数。氧化碲晶体的σ为

σ=10-19×μmf2

(6)

式中：μ=290 dB/(cm·GHz2)为1 GHz声波在距离换能器10 mm处的声波衰减系数；m为光到换能器的距离(见图4)。将式(5)、(6)代入式(4)中，滤光器的衍射效率为

(7)

图4 光到换能器距离

根据式(7)可以更准确地计算出不同f、m的声光可调滤光器的衍射效率。显然，声光可调滤光器的η与f、m密切相关。f越高、m越大，则μ也越大，Pa会越小，η就越低；反之，f越低、m越小，则μ也越小，Pa会越大，η就越高。

光到换能器不同距离的光波长-衍射效率如表2所示。由表可知，λ0越短，f越高，η受m的影响就越大，这与声波衰减理论相吻合。

表2 光到换能器不同距离的光波长-衍射效率

2.3 光谱分辨率

对于声光可调滤光器，在满足动量匹配的条件下，光谱分辨率Δλ为

(8)

式中b为氧化碲晶体的色散系数。

高、低频段的L分别为3 mm和8 mm，λ0与Δλ的对应关系如表3所示。

表3 λ0与Δλ的对应关系

3 实验结果

我们利用两片换能器实现了0.4～0.9 μm的滤光范围，实测工作频率为140.8～48.6 MHz，相对带宽接近0.95个倍频程。器件外形如图5所示，外形尺寸为54 mm×45 mm×39 mm。

图5 器件外形

滤光器孔径角与λ0有关，用532 nm激光测试高频段孔径角为5.8°，用633 nm激光测试低频段孔径角为4°。滤光器分离角也与λ0有关，用532 nm激光测试高频段分离角为4.3°，用1 064 nm激光测试低频段分离角为3.8°。

滤光器的f、η、Δλ与λ0的关系如表4所示。由表可知，实测结果与理论值吻合。

表4 f、η、Δλ与λ0的关系

4 结束语

通过优选入射极角和工作频率，滤光器较好地兼顾了光孔径、衍射效率和分离角等参数间的制约关系。滤光器采用双换能器设计，突破了单片换能器对带宽的限制，扩大了滤光器的工作频率与滤光范围，这样能充分利用焦平面阵列探测器的光谱探测能力，提高光谱成像系统探测的光谱范围。

文章推导了包含声波衰减系数、工作频率、光到换能器距离的声光可调滤光器衍射效率公式。根据这个公式，可以更准确地计算出不同工作频率、光到换能器不同距离的声光可调滤光器的衍射效率。

在P<3 W的前提下，滤光器实现了20 mm×20 mm的光孔径、在全光谱范围内衍射效率大于60%的指标。与光孔径10 mm×10 mm的滤光器相比，光孔径20 mm×20 mm的滤光器的光通量提高了3倍，这样能大幅提高光谱成像系统的视场和通光能量，为大幅提高光谱成像系统的灵敏度和探测距离奠定了基础。