基于声光可调谐滤波器的光谱成像数值模拟

白如雪

摘 要：为了提高声光可调滤波器的性能，运用双偏振法设计了声光可调滤波器的光路，分析了设计系统进行的数值模拟分析。结果表明，运用双偏振法提高了光能利用率，可达到在弱光条件下检测的目的，同时，其分辨率和信噪比等性能参数优良。

关键词：AOTF；光谱成像；衍射效率；滤波器

中图分类号：TN713 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.099

声光可调滤波器（AOTF）作为一种利用声光原理的新型分光器件，具有体积小、扫描速度快和衍射效率高等优点，在航空、工农业等领域获得了很好的应用。但声光可调滤波器在应用中也存在一定的问题，比如因TeO2材料的色散引起的图像模糊和图像漂移等问题。本文对声光可调滤波器的光谱成像数值进行了模拟分析，目的在于通过对比分析提高声光可调滤波器的调谐精度和调谐速度，从而提高信号检测的信噪比。

1 声光可调滤波器的光路设计

声光可调谐滤光器在应用中的重要环节之一是对光路系统的设计，其要求是尽量提高光谱分辨力和光谱信噪比，但也要保证系统的衍射光光谱纯度和衍射效率。本文在运用双偏振法的基础上对设计方法进行了改进，分光系统如图1所示。对于光源产生的自然光通过准直系统的校正，经过起偏器后自然光变成偏振光，再由声光可调谐滤光器的声光互作用后，出射光分为0级光以和±1级衍射光。

图1 试验装置系统

2 数值模拟试验的设计

2.1 光源的选择

声光可调谐滤光器的工作范围为900～1 500 nm，而本试验要求光源的波长范围较广。为了避免光源损坏探测器，光源的强度不能过高，因此，本试验选取了卤钨灯，其特点是在近红外波长范围内比较敏感。

2.2 准直系统与检偏器

考虑到要减少光强的损耗，本试验选取K7平凸准直透镜作为准直系统，其优点是对可见光、近红外光的透过率均较好。为了获得满足试验需求的偏振光，选择了起偏波长为760 nm～2 000 MQ的近红外偏振片。

2.3 试验方案

试验采用的光源为钨灯，产生的自然光作为试验光源，入射光经准直透镜准直。为了尽量避免0级光对试验结果造成影响，将1组透镜分别放置在光轴的上、下部分，使通过声光作用的衍射光直接经过透镜组聚在检偏器上。这样可提高衍射光的利用率，降低杂光的污染，从而提高微弱信号检测的信噪比。当光在近似水平方向入射时，调谐频率为58 MHz，输出波长为1 205 nm。通过公式计算衍射角，可得到Te02晶体的折射率no=2.18，ne=2.32，因此，θd=19.8°。

透镜组中心在轴上高度H=tanα·f=24.2 mm处，进而可得出放置在光轴上、下部分的透镜组的距光轴为4.2 mm，相距8.4 mm，在调节光路的实际过程中可忽略不计。利用组合透镜的计算公式可求出透镜组的焦距，已知d=20 mm，则f1'=f2'=150 mm。

3 试验结果

为了对本系统的光谱强度性能进行分析，本文选择调谐频率为58 MHz、应波长为1 204 nm进行了三组试验。第一组为正常光照强度下直接测量；第二组为利用双偏振法消除0级光，进而测量光谱强度；第三组为本试验介绍的试验光路测量。三组试验的峰值都出现在1 204 nm附近，即在58 MHz的驱动信号下的衍射波长。在第一组正常的分光系统中，峰值在220左右，说明光能通过该系统后的能量损失较少；在第二组双偏振法分光系统中的峰值在115左右，能量损失严重，只有在正常系统中52.2%的能量被利用；第三组为本文设计的光路，峰值达到148左右，与未经该改进的正交双偏振法分光系统相比，能量提高了28.6%. 与除1 205 nm附近以外的曲线进行对比可发现，无论是双偏振法的分光系统，还是试验所改进的分光系统，在抑制杂光污染等方面都有很大提升。

参考文献

[1]毕卫红，唐予军，杨小莉，等.基于AOTF的便携式近红外光谱测量仪[J].半导体光电，2005，26（3）：264-266.

〔编辑：张思楠〕

Numerical Simulation of Spectral Imaging based on an Acoustic optic Tunable Filter

Bai Ruxue

Abstract： In order to improve the performance of the acoustic optic tunable filter， a dual polarization method is used to design the optical path and the numerical simulation analysis of the design system is carried out. The results show that the use of double polarization method can improve the utilization of light energy， and can achieve the purpose of detecting the weak light condition.

Key words： AOTF； spectral imaging； diffraction efficiency； filter