大孔径中波声光可调滤光器

张泽红,王智林,刘 玲,陈永峰

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

中波(3～5 μm)为大气窗口，光波衰减小，是光谱成像探测的常用波段。利用中波声光可调滤光器(简称“中波滤光器”)制作的中波光谱成像系统具有凝视成像，光谱分辨率高，无运动部件，响应速度快，重现性好及环境适应性好等优点，其工作方式灵活、方便，工作波长既可以连续扫描，也可以针对多个特征光谱跳选，还可以通过编程实现多波长同时工作，达到迅速识别单一波段无法识别复杂目标的目的[1]。

1 主要参数设计

1.1 光谱范围、工作频率与光谱分辨率

氧化碲晶体的声光优值高，是制作声光可调滤光器的常用晶体材料，因此，本文采用氧化碲晶体为声光互作用介质材料。为了尽可能多的汇聚光能量，中波滤光器采用具有大角孔径的非同向工作模式设计。根据入射光偏振模式的不同，非同向大角孔径声光可调滤光器有两种工作模式，即：

1) e光入射型。入射光为e光(非寻常光)，得到的衍射光为o光(寻常光)。

2) o光入射型。入射光为o光(寻常光)，得到的衍射光为e光(非寻常光)。

根据偏振光成像分析的需要，本文采用o光入射型工作模式，其波矢量布局如图1所示[2]。

图1 o光入射型滤光器的波矢量布局

在图1中，[001]轴为氧化碲晶体光轴， 圆的半径是o光的折射率no， 椭圆的长、短轴分别为e光的折射率ne和o光的折射率no，θd为衍射光极角(衍射光与光轴的夹角，简称“衍射角”)；θi为入射光极角(入射光与光轴的夹角，简称“入射角”)；θa为超声极角(超声波与光轴的夹角，简称“超声角”)。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，对于入射o光，Ki、Kd和Ka的相互关系为

Kd=Ki+Ka

(1)

根据o光入射型滤光器的非同向大角孔径理论[2]，衍射e光在晶体内的θd为

(2)

(3)

式中nd为衍射e光的折射率，则有：

(4)

θi对应的θa为

(5)

滤出的光波长λ0与工作频率f的调谐关系为

(6)

衍射e光的光谱分辨率Δλ0为

(7)

式中:b为氧化碲晶体的色散常数；L为滤光器的声光互作用长度。晶体外，衍射e光与入射光的分离角Δθ为

(8)

1.2 孔径角

o光入射型滤光器的Ki、Kd和Ka的角度关系如图2所示。

图2 波矢量角度关系

(9)

其中

(sin2θd/no)

(10)

(11)

表1 不同λ0的和

1.3 衍射效率

对于光孔径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，因此,采用考虑了声波衰减系数的衍射效率公式[3]:

(12)

式中:M2为氧化碲晶体的声光优值;k为换能器机电耦合系数;H为光孔径;μ为1 GHz声波在距离换能器10 mm处的声波衰减系数(290 dB/(cm·GHz2));m为光到换能器的距离。

θi对声光可调滤光器的光谱范围、f、衍射效率(η)、Δθ、Δλ0等参数的影响均较大。目前成熟的氧化碲晶体长度为60 mm，制作光孔径20 mm×20 mm的滤光器能达到的最佳互作用长为21 mm。当L=21 mm、驱动电功率P=8 W时，利用式(6)～(8)、(11)可得θi不同时的光谱范围、η、Δθ、f和Δλ0，如表2所示。

表2 θi不同时的各项参数

由表2可知，在L和P一定时，θi越小，衍射效率越高，f越低，Δλ0越大、Δθ越小；反之，θi越大，衍射效率越低，f越高，Δλ0越小，Δθ越大。

器件的Δθ对整机系统的体积影响较大。Δθ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，Δθ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，为减小成像系统整机的体积，则Δθ尽可能高。

综合考虑，θi=20°时滤光器的衍射效率、Δθ、f与Δλ0为最佳，因此，θi=20°时，不同λ0对应的f、Δθ及Δλ0如表3所示。

表3 不同λ0对应的f、Δθ及Δλ0

由表3可知，中波滤光器平均分离角为5.279°，3～4.5 μm光谱内，最大的角度偏差为0.011°，因此，中波滤光器可不用考虑衍射光角度漂移的问题。

利用式(12)可得不同λ0的η(见表4)。由式(12)可知，η与λ0的平方成反比,即λ0越长，η越小。解决的办法是随着λ0的增加而增大P，以弥补η的降低。

表4 不同λ0的衍射效率

由表4可知，λ0对η的影响较大，虽然P随着λ0的增加而增大，但η还是随着λ0的增加而逐渐降低。

2 实验结果

我们利用单片换能器实现了3.0～4.5 μm的滤光范围，实测工作频率为13.9～20.8 MHz。器件外形如图3所示，驱动器外形如图4所示。

图3 器件外形

图4 驱动器外形

使用上海技术物理所研制的声光可调滤光器测试系统测量，滤出的光谱图形如图5～7所示。由图5～7可知，滤出的中心波长分别为3 000 nm、4 000 nm和4 500 nm，这3个中心光波长对应的η分别为90.3%、83.6%和64.2%，对应的Δλ0分别为21.8 nm、37.5 nm和43.9 nm。

图5 中心波长为3 000 nm的光谱图形

图6 中心波长为4 000 nm的光谱图形

图7 中心波长为4 500 nm的光谱图形

P≈10 W时，滤光器的f、η、Δλ0与λ0的关系如表5所示。实测结果与理论值之间存在一定的差异，差异主要是因为晶体加工误差、测量误差两方面。

表5 η、f、Δλ0与λ0的实测关系

续表

3 分析与结论