宽光谱AOTF匹配网络对光谱衍射效率影响的研究

王玉江，王志斌, 2, 3*，王耀利，宋雁鹏，李晋华，张敏娟，薛 锐

1. 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原 030051

2. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051

3. 中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051

宽光谱AOTF匹配网络对光谱衍射效率影响的研究

王玉江1，王志斌1, 2, 3*，王耀利1，宋雁鹏1，李晋华1，张敏娟1，薛 锐1

1. 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原 030051

2. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051

3. 中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051

基于声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter，AOTF)光谱成像分析仪在可见至红外光谱的多个谱区内广泛应用，对AOTF的光谱带宽及衍射效率提出了更高的要求。超声换能器作为AOTF的核心部件，其3 dB工作带宽决定AOTF的光谱衍射范围，故在同一声光介质上制作两片厚度不同的换能器来提高AOTF光谱带宽。由于超声换能器在不同频率下具有不同的输入阻抗，当驱动信号源输出阻抗与超声换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗，导致无法把功率最大限度的传递给超声换能器，从而使AOTF光谱衍射效率降低，影响光谱成像清晰度。通过射频电路先进设计系统(ADS)仿真及实验测试，设计了一种新型宽带阻抗匹配网络，在60～200 MHz带宽范围内，阻抗匹配网络功率效率达到90%以上，光谱衍射效率最高达90%，提高了在420～1 150 nm波段内的光谱灵敏度。

AOTF超声换能器； 阻抗分析； 宽带阻抗匹配网络； 光谱测量； 光谱衍射效率

引 言

AOTF作为一种新型分光系统，具有可调滤波范围宽、分辨率高、衍射效率高等优点，广泛应用于机载或星载的成像光谱仪[1]。AOTF系统采用低频换能器(60～120 MHz)和高频换能器(120～200 MHz)双路来扩展AOTF光谱选择范围，使其范围达到0.42～1.15 μm。影响AOTF光谱衍射效率的因素： 一是AOTF系统自身此系统采用非线性反常布拉格(Bragg)衍射原理及高低换能器多片并联结构，衍射效率理论达到最大； 二是高低换能器宽带阻抗匹配网络的设计，由于换能器在不同频率下具有不同的输入阻抗，当驱动信号源输出阻抗与功率超声换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗，导致换能器两端的电能无法最大限度的转变为对外做功的机械能，从而影响换能器的光谱衍射效率。因此，在换能器自身因素不变的情况下，阻抗匹配网络对光谱衍射效率的影响是最严重的。为了解决换能器宽带匹配功率损耗问题，本研究采用LC储能元件设计了一种宽频带、损耗小、衍射效率高、稳定性好的新型阻抗匹配网络。

1 AOTF超声换能器工作原理

非线性反常布拉格(Bragg)衍射的AOTF具有相对Bragg带宽大、衍射效率高等优点被广泛采用，在超声换能器设计中，Bragg带宽和衍射效率是最重要的考虑因素。反常Bragg衍射光的偏振方向与入射光不同，入射光折射率与衍射光的折射率也不相等，故满足其动量匹配条件，如图1所示。

图1 反常Bragg衍射动量匹配条件

根据动量匹配的条件可以得出θi与θd之间的关系，得到狄克逊(Dixon)方程及几何关系

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，θi为入射角，θd为衍射角，V为声速，f为声频率，λ为真空光波长。当声光介质ni和nd确定后，即可由Dixon方程解出θi-f关系和θd-f关系，再与AOTF矢量合成关系结合可以得出射频驱动频率与衍射波长的对应关系[2-3]

(3)

式(3)中Va为矢量方向的超声波速度。由式(3)可以看出，当ni和nd，θi和θd确定后，衍射波长仅受射频驱动频率的影响，改变射频驱动频率即可改变相应的衍射波长。

AOTF系统基于反常布拉格衍射的声-光互作用原理，当一束准直入射光以某一特定入射角进入声光介质晶体中，由两路射频驱动系统产生的高频信号经过高低阻抗匹配网络加载在高低超声换能器上时，超声换能器把电振荡转成超声振荡，并通过换能器与声光介质间的金属镀层传递到声光介质中形成超声波，在声光介质中通过声光互作用，超声波将引起入射光的Bragg衍射，产生衍射光，从而起到滤光作用，其衍射光波长与超声波频率有着对应的关系。通过CCD对60～200 MHz频率波长进行成像采集, 实现0.42～1.15 μm光谱波段清晰成像。其工作原理如图2所示。

图2 AOTF双路超声换能器工作原理图

3 超声换能器阻抗分析

AOTF系统中采用厚度驱动模式的薄片换能器，超声换能晶片(LiNbO3)与声光介质晶体(TeO2)之间利用键合工艺压在一起，两个晶体之间需要镀若干层金属膜，其各金属镀层的厚度对换能器的工作频率特性具有非常重要影响。玛森(Mason)等效电路是计算换能器相关性能参数的基础[4]，通过Mason等效电路可以获得换能器参数各频率特性，从而得到换能器3 dB带宽条件下理论输入阻抗值。

换能器进行阻抗分析时，可以把单位换能片视作一个矩阵网络，用等效电路来研究其频率特性。单位换能片的外部参量有电端的电压U与电流I、声端的作用力F与质点的振动速度V，而作用力F与质点的振动速度V之间遵循类似欧姆定律U=RI的关系F=ZmV式中：Zm称为相对声阻抗。单位换能片总网络结构如图3所示。

图3 单位换能片总网络结构图

由单位超声换能晶片Mason等效电路可得其传递矩阵为

(4)

式(4)中s=cosγ-1-z1tanγ1sinγ，φ为纯X切变波铌酸锂模式的变压比。但各个镀层的特性采用传输线的网络传递矩阵更方便，每个镀层看做一个两端网络，各镀层的传递矩阵为

(5)

由式(4)和式(5)得到整个单位换能片网络的总传递矩阵A=A0×A1×A2×A3。对总网络矩阵分析计算可得到换能器的各项频率特性。

由图3可知单位换能片总网络传递矩阵满足式(6)

(6)

单位换能片损耗(TL)为式(7)

(7)

单位换能片输入阻抗(Zi)为

(8)

式(7)和式(8)中a=AZm+B,b=CZm+D,R为驱动电源的内阻。

4 宽带阻抗匹配网络设计

宽带阻抗匹配网络设计采用当前最常用的史密斯图法(Smith Chart)，借助射频电路设计仿真软件ADS，其操作简单，无需计算参量值，复杂程度与匹配网络的元件数目无关且更直观地观察每个元件在匹配网络中的作用，更有利于对匹配阻抗点、LC拓扑结构、LC参数全局修正优化[6-7]。采用共轭匹配，使输出功率最大； 采用LC拓扑结构，使超声换能器频带展宽达到3 dB带宽的S参数要求。最终设计了一种宽频带、无损耗、衍射效率高的新型阻抗匹配网络。

在窄带和宽带情况下的阻抗匹配方法基本相同，但是窄带情况下，其中心频率可以近似代表整个带宽，所以阻抗匹配只考虑一个频率点。在宽带情况下，需要考虑整个宽带，而不是一个频率点，这使得匹配稍显困难。从窄带到宽带的频率扩展上，考虑到本AOTF系统的匹配频率范围为60～200 MHz，低频换能器频率范围为60～120 MHz，高频换能器为100～200 MHz，设计了一种具有创新性的带通型宽带匹配网络，如图4所示。该网络由带通网络和插入一个或二个元件构成的臂或分支网络组成[8-9]。带通网络由低通网络和高通网络拓扑结构构成，当带宽要求很大时，Q值很小，可以通过增加带通网络的个数N(即增加元器件个数)降低Q值，增大带宽，达到系统频率带宽要求。臂或分支网络由LC两个元件串联或并联拓扑结构组成，不同的LC拓扑结构对S11阻抗轨迹曲线有不同的影响。在图4宽带匹配Smith Chart中，低频换能器带通网络数N=2，OA-AB(并电感-串电容)将S11阻抗轨迹曲线调整到Smith圆心附近处，BC-CD(串电感-串电容)LC组合臂插入阻抗匹配网络将S11阻抗轨迹曲线收敛于Smith圆心O，S11回波损耗曲线被压缩，这种变化显示出阻抗轨迹的带宽从窄带变成宽带，如图5(a)所示。高频换能器带通网络数N=3，OE-EO(串电容-串电感)LC组合臂插入阻抗匹配网络将S11阻抗轨迹曲线压缩，OF-FG(并电感-串电容)，将S11阻抗轨迹曲线移动到Smith圆心O附近，如图5(b)所示。

图4 宽带匹配Smith Char

图5 LC串联臂插入阻抗匹配网络前后阻抗变化图

图6 S参数图

ADS仿真中将驱动信号源内阻50 Ω直接匹配到低频阻抗理论值24-j13和高频阻抗理论值12-j6。对实验匹配电路板进行测试，结果AOTF系统的光谱衍射效率并不高。经过不断地优化阻抗匹配值及LC参数值，当低高频换能器的输入阻抗在20-j10和10-j5附近时，衍射效率达到最高，此时输入阻抗为最佳匹配阻抗值。在60～120 MHz低频段内，ADS仿真S参数如图6(a)和(b)所示，S21>-0.05 dB，回波损耗S11<-19 dB； 在100～200 MHz高频段内，ADS仿真S参数如图6(c)和(d)所示，S21>-0.2 dB，回波损耗S11<-13 dB。高低超声换能器阻抗匹配电路网络较好地达到设计要求。

5 实验测试

AOTF系统采用反常Bragg衍射方式，其一级衍射效率为

(9)

式(9)中：M2为TeO2晶体声光优值；λ为光波长；Pa为超声功率；H为光孔径；L为声光互作用长度[10]。利用HR4000光谱仪，在实验平台上进行实验测试，如图9所示。将光源透过AOTF高低超声换能器使0级光对准HR4000光谱仪探针，在光谱仪SpectraSuite软件中，实时观察在60～200 MHz频率范围内发生衍射及衍射强度，经过对超声换能器输入阻抗理论值与优化修正阻抗值情况下光谱衍射强度的对比，当高低超声换能器输入阻抗在10-j5和20-j10时，衍射强度波坑下降最大，衍射效率是最高的，此时为高低换能器最佳输入阻抗匹配值。为了便于理论阻抗值与优化修正阻抗值的衍射强度的比较，在60～200 MHz衍射范围内抽取若干点进行数据采集并对单个衍射强度图进行拟合，如图7所示。通过MATLAB对光谱仪采集的数据进行计算与分析，得到高低超声换能器输入理论阻抗和最佳阻抗的衍射效率与反常Bragg理论衍射效率对比，如图8所示，图8(a)—(c)分别为反常Bragg理论衍射效率、最佳阻抗衍射效率、理论阻抗衍射效率。

图7 光谱衍射强度图

图8 光谱衍射效率对比图

Table 1 Spectra diffraction efficiency with different frequency and matching network power efficiency

图9 实验装置图

6 结 论

高低频超声换能器多片结构和LC带通型宽带匹配网络可以使AOTF系统获得较好的分光效果，实现宽光谱选择，衍射效率极高，同时对匹配电路拓扑结构及匹配阻抗点进行全局优化修正，使衍射和功率效率都达到最大值，通过实验测得衍射效率最高达90%，提高了420～1 150 nm光谱波段灵敏度，匹配网络电路的功率效率达到90%以上。该新型宽带匹配技术与传统带有变压器匹配技术相比，具有宽频带、无损耗、衍射效率高、稳定性好等优点，对当前基于AOTF光谱成像技术具有重要的应用意义。

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(Received Oct. 11, 2015; accepted Feb. 5, 2016)

*Corresponding author

The Study on the Influence of Spectral Diffraction Efficiency Based on the Matching Network of Wide Spectrum AOTF

WANG Yu-jiang1，WANG Zhi-bin1, 2, 3*，WAN Yao-li1, SONG Yan-peng1, LI Jin-hua1, ZHANG Min-juan1, XUE Rui1

1. Shanxi Provincal Research Center for Opto-electronic Information and Instrument Enginering Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China

2. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China

3. Electronics Laboratory Testing Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China

Given that AOTF (Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF) spectral imaging analyzer is widely used in a wide spectral region of the visible and infrared spectrum, the spectral bandwidth, diffraction efficiency and power efficiency of the AOTF need to be improved to meet higher standards. Ultrasonic transducer is the core component of AOTF. Its 3 dB working bandwidth determines the spectral diffraction range of AOTF, so it is making two different thicknesses high-low frequency ultrasonic transducer to improve AOTF spectral bandwidth on the same of the acousto-optic medium. Because between the operating frequency of ultrasonic transducer and input impedance there exists non-linear relationship, they have different input impedances at different frequencies. When the between driving signal source’s output impedance and ultrasound transducer have mismatched, It would produce energy consumption and lead to cannot bring the maximum power transfer to the ultrasonic transducer, so that the spectral diffraction efficiency of AOTF is reduced, and it affected spectral imaging quality. So going through to study theoretical ultrasonic transducer impedance frequency characteristics deeply in this paper designed a new broadband impedance matching network, which has important application reference value of the spectral diffraction efficiency improving. By ADS simulation and actual matching circuit experimental test, experimental results show that impedance matching network’ power efficiency reach to more than 90%, spectral diffraction efficiency get up to 90% in the 60～200 MHz bandwidth, and improve to spectral imaging quality within 420～1 150 nm waveband. The higher diffraction efficiency of the matching network has important implications for the current application AOTF based on spectral imaging technology.

AOTF ultrasonic transducer; Impedance analysis; Broadband impedance matching; Spectral measurements; Diffraction efficiency

2015-10-11，

2016-02-05

国家自然科学基金仪器专项基金项目(61127015)，国际科技合作项目(2013DFR10150)，国家自然科学基金青年科学基金项目(61505180)资助

王玉江，1989年生，中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心硕士研究生 e-mail： 1522916824@qq.com *通讯联系人 e-mail： wangzhibin@nuc.edu.cn

TN65

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2300-06