超聲角度對(duì)濾波器濾波線寬的影響

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目： 超聲角度對(duì)濾波器濾波線寬的影響學(xué) 院： 應(yīng)用科技學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 年 級(jí)： 2010級(jí) 學(xué) 號(hào)： 120352010042 姓 名： 陳前利 指導(dǎo)教師： 王 號(hào) 2014年3月3日超聲角度對(duì)濾波器濾波線寬的影響 應(yīng)用科技學(xué)院 電子信息工程專業(yè)120352010042 陳前利 指導(dǎo)老師 王號(hào) 【摘要】聲光可調(diào)濾波器是利用超聲波與光信號(hào)在透明介質(zhì)中的相互作用來(lái)工作的，聲光可調(diào)濾波器；Acoustic-Optic Turnable Fiter，簡(jiǎn)稱AOTF，是一種新器件。它是基于光波和聲波在光學(xué)各向異性介質(zhì)中的相互作用。聲光濾波器的功用是由寬光譜區(qū)中分出窄譜線及根據(jù)控制信號(hào)調(diào)整其波長(zhǎng)。原則上所有聲光裝置都有彌散特性,因?yàn)橛陕暡ㄒ鸬慕橘|(zhì)折射率周期變化相當(dāng)于“動(dòng)態(tài)”相位衍射光柵。由于取決于聲發(fā)散角的孔徑不大而效率低,因此光譜儀很少使用各向同性介質(zhì)光衍射。聲光可調(diào)濾波器具有很大的角孔徑（既聚光能力），可獲得大視場(chǎng)和高分辨率，在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。 【關(guān)鍵詞】聲光可調(diào)濾波器；衍射光柵；光譜儀；聲光介質(zhì) 【Abstract】 Acousto-optic tunable filter is the use of ultrasonic and optical signal in transparent media interaction to work, the acousto-optic tunable filter; Acoustic-Optic Turnable Fiter, referred to as AOTF, is a new device. It is the interaction between light waves and sound waves in the optical anisotropic medium based on. Acousto-optic filter function is composed of a wide spectral region from narrow line and according to the control signal to adjust the wavelength. In principle all acousto-optic devices have dispersion characteristics, because the refractive index caused by the acoustic wave rate cycle change is equivalent to dynamic phase grating. Depending on the acoustic divergence angle aperture small, low efficiency, therefore spectrometer rarely use isotropic medium light diffraction. Acousto optic tunable filter with angular aperture large (both light gathering power), can achieve a large field of view and high resolution, can be applied in many fields. 【keywords】 Acousto-optic tunable filter (AOTF); Diffraction grating; Spectrometer; Acousto-optic medium目錄1 緒論41.1 引言41.2聲光可調(diào)諧濾波器的發(fā)展歷程41.3 聲光可調(diào)諧濾波器的研究現(xiàn)狀42 聲光可調(diào)諧濾波器的基本原理52.1聲光可調(diào)諧濾波器52.2 聲光可調(diào)諧濾波器的特點(diǎn)52.3 聲光濾波器的應(yīng)用63聲光相互作用原理63.1拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射73.2 正常布拉格衍射93.3反常布拉格衍射94 非共線聲光相互作用關(guān)系114.1 傳統(tǒng)非共線聲光作用關(guān)系114.2改進(jìn)非共線聲光作用關(guān)系124.3超聲頻率，超聲角度和線寬的關(guān)系13結(jié)論19參考文獻(xiàn)201 緒論1.1 引言AOTF是一種固體的電調(diào)帶通濾波器，它利用了各向異性介質(zhì)中的聲光原理。這種調(diào)制器能夠與多種激光光源（混合氣體激光器，激光二極管）或者寬帶光源（氙燈，鹵燈）一起使用。它們能夠從入射光源中選擇、透射出單一波長(zhǎng)的光。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其為波長(zhǎng)的調(diào)諧提供了可靠、穩(wěn)定與快速的方法。作用在AOTF換能器上的射頻信號(hào)控制著透射光的波長(zhǎng)（被濾出的一級(jí)衍射光）。根據(jù)波長(zhǎng)范圍來(lái)改變載波頻率，我們就能夠做全范圍的光譜分析了。通過(guò)調(diào)節(jié)射頻信號(hào)的幅度，我們也能達(dá)到調(diào)節(jié)透射光（濾出光）強(qiáng)度的目的。這也是AOTF所具有的獨(dú)特性所在。它具有快速（幾個(gè)微秒）、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，并能獲得很高的消光比。1.2聲光可調(diào)諧濾波器的發(fā)展歷程 1922年，法國(guó)物理學(xué)家Brilloun提出光可以被聲波衍射。1932年Debve,Sears和French等觀察到當(dāng)超聲波在透明介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的折射率會(huì)發(fā)生周期性變化，低頻聲波和可見(jiàn)光直接通過(guò)有機(jī)溶液，會(huì)發(fā)生多級(jí)衍射。這為Debve和Sears發(fā)展Bragg衍射原理奠定了根基【1】。 19世紀(jì)60年代聲光作用得到了較為實(shí)際的應(yīng)用。入射光經(jīng)過(guò)聲波的衍射，會(huì)發(fā)生振幅、頻率、波長(zhǎng)等方面的變化。發(fā)生聲光作用的節(jié)奏的特性決定了衍射光的轉(zhuǎn)變形式。這都可以用Bragg衍射原理來(lái)解釋。聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器就是基于各向同性質(zhì)的聲光作用原理來(lái)工作的。當(dāng)聲光作用在各向異性介質(zhì)中時(shí)，不僅會(huì)使入射光的頻率、方向發(fā)生變化，還會(huì)使入射光的波長(zhǎng)發(fā)生變化。這種衍射將不能用正常Bragg衍射原理解釋。 1967年，Dixon單獨(dú)首次提出了各向異性介質(zhì)中的聲光作用。1969年，Stanfford大學(xué)的Harris和Wallace等人首次提出聲波與光波相互作用可以達(dá)到濾波的目的【2】，至70年代美國(guó)的I.C.Chang與日本的T.Yano分別提出了非共線模型的AOTF概念【3】。前者采用準(zhǔn)布拉格衍射，制得了所謂滿足切面平行條件的大孔徑AOTF；后者利用遠(yuǎn)軸反常布拉格衍射，制備了聲能流方向與光能流相互垂直的聲增強(qiáng)型AOTF。1976年，Yano和Watannabe利用近似式求出了Dixon方程的完整數(shù)值解，描述了VIS和IR區(qū)TeO2AOTF的特點(diǎn)。至此，AOTF的發(fā)展逐步趨于成熟。1.3 聲光可調(diào)諧濾波器的研究現(xiàn)狀 隨著聲光相互作用理論的發(fā)展，七十年代AOTF大多是利用體聲波和光波的相互作用，并已由共線方式發(fā)展到非共線方式【4】。八十年代初集成光學(xué)型濾波器，以其功耗小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被人們重視。集成光學(xué)型濾波器利用聲表波（SAW），以行波聲波代替集總聲波，提高了聲光相互作用效率，減少了驅(qū)動(dòng)功率，為多通道光學(xué)集成提供了可能。 為了提高集成AOTF的性能，人們提出了各種不同的方案。聲光可調(diào)濾波器的特點(diǎn)的能疊加許多獨(dú)立的聲波，使之同時(shí)作用于波導(dǎo)中進(jìn)行多波長(zhǎng)選擇，從而在WDM中發(fā)揮巨大的作用【5】。但首先要解決的問(wèn)題之一是如何獲得低的驅(qū)動(dòng)功率。目前常用的方法是：用聲表波，笑的光波導(dǎo)，SAW束的壓縮與限制等方法達(dá)到mW量級(jí)的驅(qū)動(dòng)功率。1991年David.A.Smith和Johnson J.Johnson【6】利用小型叉指換能器把聲波傳輸限制在幾個(gè)聲波波長(zhǎng)寬度的聲波導(dǎo)中來(lái)提高作用效率，在1550nm附近用8nW的射頻即可獲得近100%的TE-TM轉(zhuǎn)換，濾波線寬1.8nm。 1989年D.A.Smith等人提出一種偏振無(wú)關(guān)的聲光可調(diào)濾波器。它是一個(gè)2*2結(jié)構(gòu)，光從一個(gè)波導(dǎo)端口輸入，遇到一個(gè)作為偏振分束器使用的方向耦合器，使TE波分量保留在原地波導(dǎo)上傳輸，TM分量被耦合到另一個(gè)與之平行的波導(dǎo)，即空間分離偏振狀態(tài)（TE,TM），使之進(jìn)入兩個(gè)不同的作用區(qū)，與SAW作用，分別發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，最后在經(jīng)由定向耦合器，選出所需要波長(zhǎng)的TE、TM模合輸出，達(dá)到偏振無(wú)關(guān)的目的。改變聲波頻率，這種2*2結(jié)構(gòu)可以于不同波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)交換。 1989年AT&T Bell Laboratory的G.D.Boyd等人和Bellcore的David.A.Smith【7】等人分別提出了二級(jí)聲光濾波器的概念。二級(jí)濾波器的濾波特性是單級(jí)特性的乘積，所以有很強(qiáng)的側(cè)瓣抑制作用以及能大大減少濾波線寬。二級(jí)聲光可調(diào)濾波器的實(shí)現(xiàn)主要分為兩類：一類是兩個(gè)匹配的單級(jí)AOTF制在一個(gè)基片上，中間用極化控制器隔開(kāi)；另一類是聲光可調(diào)反射濾波器。 1994年德國(guó)的R.brinkman和M.Dinand【8】等人，第一次報(bào)道了集成光學(xué)放大型摻鉺LiNbO3聲光可調(diào)濾波器。帶增益聲光濾波器的制作，首先是在X切LiNbO3上濺上11nm的鉺材料層，再在1100時(shí)內(nèi)擴(kuò)100小時(shí)，然后制作波導(dǎo)，Al2O3緩沖層，叉指換能器。從理論上說(shuō)，由于散射損耗和增益與偏振態(tài)有關(guān)，光的放大和極化轉(zhuǎn)換又不是相互獨(dú)立的。 國(guó)內(nèi)在聲光方面的研究工作起步很早、做的較多，聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF）已被開(kāi)發(fā)成為較為成熟的商品。美國(guó)、德國(guó)、意大利、日本等國(guó)家從70年代的體器件到80年代的波導(dǎo)器件，開(kāi)展了一系列的技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)了各種器件，重點(diǎn)面準(zhǔn)新一代光通訊技術(shù)WDM、OADM系統(tǒng)應(yīng)用，美國(guó)于1994年開(kāi)始的MONE計(jì)劃，包含基于聲光可調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)的8波長(zhǎng)通道OADM節(jié)點(diǎn)的研究。同時(shí)AOTF作為一種優(yōu)異特性的濾波分光元件，在小型近紅外光譜儀、可調(diào)諧光纖激光器制作方面都有極大的應(yīng)用價(jià)值。2 聲光可調(diào)諧濾波器的基本原理 聲光效應(yīng)是彈光效應(yīng)中的一種表現(xiàn)形式。當(dāng)聲波在聲光介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)便發(fā)生應(yīng)變，使介質(zhì)折射率n產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因?yàn)槁曀龠h(yuǎn)小于光速，所以可以認(rèn)為相當(dāng)于光來(lái)說(shuō)，介質(zhì)折射率的這種變化是靜止的。這就形成了所謂的折射率光柵。利用這種相互作用效應(yīng)可以研制出各種聲光器件，其中最基本的就是聲光可調(diào)諧濾波器、聲光調(diào)制器等。2.1聲光可調(diào)諧濾波器 聲光調(diào)諧濾波器是一種建立在光學(xué)各向異性介質(zhì)的聲光衍射原理上的電調(diào)諧光學(xué)濾波器，故通常稱為聲光濾波器。其顯著特點(diǎn)是，只要簡(jiǎn)單的改變外加RF信號(hào)的頻率就能在打的光波領(lǐng)域上迅速調(diào)諧此濾波器的通帶，達(dá)到角孔徑大、頻率高、調(diào)諧范圍大而無(wú)二次通帶，而且還具有按時(shí)、隨機(jī)存取和多波長(zhǎng)工作能力。 聲光衍射原理在許多方面與衍射光柵相似，而聲光光柵常數(shù)可以用電路改變，完全有可能制成電子調(diào)諧分光計(jì)。將一束偏振的寬帶光入射到一個(gè)聲光介質(zhì)內(nèi)，與聲波發(fā)生作用，處于聲光濾波器光譜通帶內(nèi)的光被聲光光柵衍射，衍射后的光，其偏振方向與入射光的偏振方向垂直，如共線濾波器，入射光與衍射光在同方向上傳播，則可用檢偏器將所需要的衍射光檢出；如非共線濾波器，則衍射光與入射光在不同方向上傳播，可用空間分離辦法將所需要的衍射窄帶寬光選出。2.2 聲光可調(diào)諧濾波器的特點(diǎn)AOTF作為一種色散（分光）元件用于復(fù)雜光譜成分的光譜分析，與傳統(tǒng)的分光元件相比，AOTF具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1） 能以極高的速度進(jìn)行電調(diào)諧，從輸出一種光譜成分切換到另一種成分所需的時(shí)間一般為10us，因而能以極高的速度完成光信號(hào)的光譜成分分析工作。2） 工作方式多樣化，具有按序列、隨機(jī)和波長(zhǎng)方式工作的能力，切易于與微機(jī)聯(lián)用，完成多功能實(shí)時(shí)程序控制。3） 合理設(shè)計(jì)的AOTF具有相當(dāng)大的角孔徑，聚光能力強(qiáng)，衍射效率高，因此可以直接進(jìn)行微弱信號(hào)的光譜分析。而且經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的AOTF，可以在同一器件中實(shí)現(xiàn)不同的工作方式而具有不同的光譜分辨率，使其非常靈活。4） 隨著紅外區(qū)和紫外區(qū)相互作用介質(zhì)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，其工作光譜將大大擴(kuò)展，可制成各種不同用途的光譜分析儀器。5） AOTF沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，這就在很大的程度上減少了測(cè)量結(jié)果的誤差來(lái)源。6） 在中等驅(qū)動(dòng)功率下，透光率高。7） 耐惡劣環(huán)境，重量輕2.3 聲光濾波器的應(yīng)用 在國(guó)外，基于AOTF的光譜分析儀器已經(jīng)在可見(jiàn)和紅外光譜波段多個(gè)譜區(qū)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，而且正逐漸在紫外等其他譜區(qū)開(kāi)始應(yīng)用。由于AOTF技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)儀器的微型化、智能化，對(duì)于工作環(huán)境條件要求低，市場(chǎng)前景非?？春?。 目前，在國(guó)際市場(chǎng)上已有多家廠商推出了采用AOTF技術(shù)的光譜分析儀器，廣泛應(yīng)用于煙草、石油化工、制藥和食品等多個(gè)領(lǐng)域。如美國(guó)Brimrose公司推出的應(yīng)用于在線分析的近紅外分析儀Luminar3030，該儀器的光譜范圍為8502400nm，分辨率為210nm，波長(zhǎng)準(zhǔn)確性為0.5nm，重復(fù)性優(yōu)于0.01nm，其優(yōu)異的性能極佳的適應(yīng)了在線分析領(lǐng)域的需求。美國(guó)IFS公司推出的PlastiScan系列AOTF型光譜儀采用鹵素?zé)糇鳛楣庠?，掃描速度?400波長(zhǎng)點(diǎn)/秒，工作譜區(qū)為12004500nm。其中PlastiScanSH尺寸僅為9*6*2cm，重量小于1kg，PlastiScanHH尺寸為10*6*3.5cm，重量為1.5Kg，是種高性能的微型、智能光譜儀器，非常適合在線或野外分析，也很方便與其它儀器配套使用。美國(guó)Applitek公司、德國(guó)Bran+Luebbe公司、Siemens公司、Laser2000公司和Maihak公司等也都有各自的AOTF型光譜分析儀器產(chǎn)品面市。 近年來(lái)，AOTF技術(shù)在多光譜成像和物體識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展成為光譜分析領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，在以色列正在研制的多用途農(nóng)業(yè)機(jī)器人和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）的美國(guó)無(wú)人控制地面車輛（UGV）項(xiàng)目中均采用AOTF技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行成像識(shí)別。美國(guó)美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全與健康研究院也在進(jìn)行利用采用AOTF技術(shù)的光譜成像儀對(duì)潛在滑坡危險(xiǎn)地段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以避免發(fā)生事故的實(shí)驗(yàn)。此外，采用AOTF技術(shù)的拉曼成像顯微鏡的研制和應(yīng)用也正成為另一個(gè)受到廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)對(duì)于AOTF的研究起步較晚，在應(yīng)用中也取得了一部分進(jìn)展。如天津大學(xué)精密儀器學(xué)院研制的AOTF牛奶品質(zhì)分析儀，浙江大學(xué)光科系光譜實(shí)驗(yàn)室研制的基于AOTF的面光譜探測(cè)系統(tǒng)。但國(guó)內(nèi)的研究大多還停留實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)踐應(yīng)用方面還處于探索中，與國(guó)外還有相當(dāng)大的差距。3聲光相互作用原理 介質(zhì)在外力作用下，組成介質(zhì)的微光質(zhì)點(diǎn)將發(fā)生位移，介質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)變，并引起介質(zhì)的極化性質(zhì)（或介電常數(shù)）發(fā)生變化，最將表現(xiàn)為折射率的變化。介質(zhì)由于外力作用而引起折射率變化的現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。 聲波是一種彈性波。當(dāng)將聲源置于彈性介質(zhì)中，它將激起介質(zhì)中個(gè)質(zhì)點(diǎn)沿著聲波的傳播方向振動(dòng)，并使介質(zhì)的密度產(chǎn)生稠密和稀疏相間的周期性交替變化，稠密的地方折射率高，稀疏的地方折射率低，如圖2-1，介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)由聲波引起的位移與外力引起的位移物理效果相同，通常由超聲波引起的光彈效應(yīng)被稱為聲光效應(yīng)?？梢钥闯?，聲光效應(yīng)是光彈效應(yīng)的具體表現(xiàn)形式之一。圖2-1表明，在聲波的作用下，介質(zhì)的折射率呈動(dòng)態(tài)漸變型分布。也就是說(shuō)，它是一個(gè)折射率跟隨時(shí)間變化不均勻介質(zhì)。而聲光相互理論正是研究聲波引起的介質(zhì)折射率的變化情況，以及光在這種時(shí)變不均勻介質(zhì)中的傳播情況。 圖2-1為聲波引起的介質(zhì)折射率的變化。變化周期是聲波的波數(shù)， 并且這個(gè)模式是以聲波的速度傳播的利用聲光效應(yīng)可以研制多種聲光器件，如聲光Q開(kāi)關(guān)，聲光調(diào)制器，聲光偏轉(zhuǎn)器，聲光信號(hào)處理器，可調(diào)諧濾波器和頻率分析儀等【9】，其中有些器件在光電子技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用。常用的聲光器件大多工作在布拉格衍射狀態(tài)。按照波動(dòng)粒子的觀點(diǎn)，聲光相互作用的過(guò)程既是聲子與光子的碰撞過(guò)程，其粒子的動(dòng)量應(yīng)當(dāng)保持守恒，由此可得到入射光波矢i，衍射光波矢d和聲波矢a之間的關(guān)系 （2-1-1）并且有 （2-1-2）其中0為光波在真空中的波長(zhǎng)，為介質(zhì)對(duì)入射光的折射率，為介質(zhì)對(duì)衍射光的折射率，分別為超聲波頻率和速度。3.1拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射 當(dāng)l入射光與聲波波面平行，且l時(shí)，（為超聲波波長(zhǎng)，為入射光波長(zhǎng)），即在聲光相互作用下長(zhǎng)度l比較小的時(shí)候，超聲頻率s比較低的情況下，出現(xiàn)正常的衍射現(xiàn)象，即在中心未衍射的入射光束兩側(cè)出現(xiàn)若干對(duì)稱的一級(jí)、二級(jí)和更高的衍射光束，如圖3.1所示，各衍射光的衍射方向可按下式計(jì)算： （n=1,2,3，.） (3-1-1) 式中，為第n級(jí)衍射角，為入射光波長(zhǎng)。在一般情況下，聲場(chǎng)越強(qiáng)，衍射光的強(qiáng)度就越強(qiáng)，所出現(xiàn)的衍射光也越多。 圖3.1喇曼-奈斯衍射示意圖 圖3.2為入射光與聲波波面成一斜角時(shí)喇曼-奈斯衍射示意圖 當(dāng)入射光束聲波波面成斜角時(shí)，在未衍射兩側(cè)仍出現(xiàn)對(duì)稱的各級(jí)衍射光束，如圖2.3所示，衍射光束方向仍滿足： （n1,2,3,.） （3-1-2） 式中為第n級(jí)衍射角，當(dāng)入射光束傾斜入射時(shí)，各級(jí)超聲衍射光的強(qiáng)度隨入射角改變而改變，在未衍射光束兩側(cè)的同級(jí)衍射光的光強(qiáng)度一般也不一樣。3.2 正常布拉格衍射 對(duì)于正常布拉格衍射，從而。入射光和衍射光在同一折射率曲面上，入射角與衍射角相等，因此，動(dòng)量三角形閉合條件（2-1-1）給出的等腰三角形，如圖3-2所示。 圖3-2 正常布拉格衍射動(dòng)量三角形閉合條件從圖中可以得到 （3-2-1）其中為聲波波長(zhǎng)。由式（2-1-3）可知入射光和衍射光之間的偏轉(zhuǎn)角為 （3-2-2）可以看出偏轉(zhuǎn)角與聲波頻率成正比，改變超聲波的頻率，即可達(dá)到控制光束方向的目的。3.3反常布拉格衍射 在反常布拉格衍射中，表達(dá)式不在成立，因而。由于衍射是在不同折射率曲面上完成的，因此入射角和衍射角不相等，偏振態(tài)也發(fā)生了變化，相應(yīng)的幾何關(guān)系比正常布拉格衍射復(fù)雜得多（如圖3-3） 圖3-3 反常布拉格衍射動(dòng)量三角形閉合條件 反常布拉格衍射的一個(gè)特點(diǎn)就是可存在共線相互作用，即，均在同一直線上，如圖2-4所示，顯然動(dòng)量三角形閉合條件可化為標(biāo)量，從而得到： （3-3-1） 利用反常布拉格衍射的共線相互作用可以方便的制成可調(diào)聲光濾波器。對(duì)于一定介質(zhì)和一定的傳播方向，式（3-3-1）右邊為一常數(shù)，因此，當(dāng)具有復(fù)雜光譜成分的入射光時(shí)，對(duì)于一定的超聲頻率，只有滿足（3-3-1）式的那個(gè)光譜成分才能被衍射；如果改變，將使不同的光譜成分被衍射而制成可調(diào)諧濾波器。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)超聲波頻率而改變輸出波長(zhǎng)。在同向作用中，衍射光和入射光的方向雖然相同，但由于它們的偏振態(tài)發(fā)生了變化，所以很容易把它們分離出來(lái)。 圖3-4 共線作用時(shí)動(dòng)量三角形比和條件4 非共線聲光相互作用關(guān)系4.1 傳統(tǒng)非共線聲光作用關(guān)系 圖4-1是TeO2聲光可調(diào)諧濾波器的非共線聲光作用矢量布局方案。聲光作用發(fā)生在110面內(nèi)。如圖4-1(a)所示,這里認(rèn)為T(mén)eO2是單軸正晶體,具有雙折射特性,不計(jì)TeO2的旋光性。在110面內(nèi)傳播的光波存在兩種線偏振的本征模式:反常e光和尋常o光。e光和o光的波面分別為橢圓和圓,兩者在光軸方向相切。入射光波矢ki、衍射光波矢kd和聲波矢Ka之間滿足ki+Ka=kd。對(duì)于選定的超聲波矢,對(duì)應(yīng)的入射光波矢和衍射光波矢要求滿足動(dòng)量匹配切線平行條件,即入射光波矢和衍射光波矢在對(duì)應(yīng)波矢曲面的切線相互平行。動(dòng)量匹配切線平行條件使得折射率隨著雙折射角度的變化補(bǔ)償了因角度變化而引起的動(dòng)量失配,體現(xiàn)了大角孔徑非共線AOTF設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 圖4-1非共線聲光相互作用矢量布局（a）不計(jì)TeO2晶體旋光性（b）考慮了TeO2的旋光性入射光波矢、衍射光波矢和超聲波矢的大小分別滿足:， （4-1-1）式中為真空中的光波長(zhǎng)，和分別為晶體內(nèi)的入射光折射率和衍射率，和分別為超聲波的頻率和聲速。當(dāng)設(shè)入射光為e光，衍射光為o光，由圖4-1（a）： ， （4-1-2）， （4-1-3）式中為入射光極角，表示入射光方向與光軸的夾角；和分別為垂直于光軸方向上的o光和e光的折射率，它們都是光波長(zhǎng)的函數(shù)。由動(dòng)量匹配切線平行條件可得： ， （4-1-4）， （4-1-5）式中為衍射光極角，為超聲波極角。引入，并忽略以上項(xiàng)，（4-1-2）式可寫(xiě)成：， （4-1-6）將（4-1-3），（4-1-5），（4-1-6）式中，得到 ， （4-1-7）（4-1-7）可用來(lái)確定在固定超聲波方向的入射光方向。由三角形余弦定理,并利用(4-1-5)和(4-1-6)式，可以得到超聲頻率與衍射光波長(zhǎng)的調(diào)諧關(guān)系【6】：， （4-1-8）P.A.Gass【7】在文獻(xiàn)【6】的理論的基礎(chǔ)上，從提高非共線AOTF的設(shè)計(jì)精度的角度出發(fā)，給出了設(shè)計(jì)理論。其特色在于采用入射折射率一般表達(dá)式(4-1-2)代替折射率的一級(jí)近似式(4-1-6)，相應(yīng)的超聲極角與入射光極角的關(guān)系為：， （4-1-9）4.2改進(jìn)非共線聲光作用關(guān)系 實(shí)際上,TeO2聲光材料不僅具有雙折射特性,還具有旋光特性。以往不計(jì)及材料旋光性質(zhì)的相關(guān)研究會(huì)對(duì)非共線聲光作用理論有一定的影響。圖4-1(b)是考慮材料的旋光性情況的TeO2非共線聲光可調(diào)諧濾波器的聲光相互作用矢量布局。對(duì)于一般的入射光方向,TeO2晶體內(nèi)兩個(gè)本征振動(dòng)模式分別為右旋橢圓偏振模式(右旋e光)和左旋橢圓偏振模式(左旋o光)。設(shè)入射光為右旋e光,衍射光為左旋o光。入射光折射率和衍射光折射率分別滿足：，（4-1-10）式中是一個(gè)與晶體旋光率有關(guān)的量。根據(jù)圖4-1(b)所示的幾何關(guān)系和切線平行動(dòng)量匹配關(guān)系,考慮材料旋光性質(zhì),非共線聲光可調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)理論即改進(jìn)的非共線聲光作用關(guān)系為：， （4-1-11）理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),對(duì)于確定的超聲方向,由(4-1-7)和(4-1-11)式計(jì)算的入射光極角會(huì)存在明顯差別。如對(duì)應(yīng)相同的超聲極角,由(4-1-7)和(4-1-11)式計(jì)算出的入射光極角分別為和,說(shuō)明在應(yīng)用中考慮聲光材料雙折射性質(zhì)和旋光性質(zhì)的必要性。4.3超聲頻率，超聲角度和線寬的關(guān)系通過(guò)確定超聲頻率，改變超聲角度,觀察波長(zhǎng)當(dāng)時(shí)，改變獲得一個(gè)單峰平頂?shù)牟ㄐ?圖4-3-1匹配單次濾波角孔徑此時(shí)=，的值在，我們做了如下觀察：當(dāng)=時(shí)，波形如圖4-3-2 圖4-3-2匹配單次濾波線寬 b=1.15nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-3 圖4-3-3匹配單次濾波線寬 b=1.25nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-4 圖4-3-4匹配單次濾波線寬 b =1.3nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-5 圖4-3-5匹配單次濾波線寬 b=1.4nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-6 圖4-3-6匹配單次濾波線寬 b=1.5nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-7 圖4-3-7匹配單次濾波線寬b=1.6nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-8 圖4-3-8 匹配單次濾波線寬b=1.7nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-9 圖4-3-9匹配單次濾波線寬 b=1.8nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-10 圖4-3-10匹配單次濾波線寬b=1.9nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-11 圖4-3-11匹配單次濾波線寬 b=2.05nm當(dāng)時(shí)，波形如圖4-3-12 圖4-3-12匹配單次濾波線寬b=2.2nm結(jié)論從以上數(shù)據(jù)我們研究了超生角度和線寬的變化關(guān)系，當(dāng)Mhz時(shí)，這個(gè)范圍內(nèi)我們可以發(fā)現(xiàn)線寬b的變化，關(guān)系如表4-4-1，圖4-4-2超聲角度（）9393.193.293.393.493.593.693.793.893.994線寬b（nm）1.151.251.31.41.51.61.71.81.92.052.2表4-4-1超聲角度與線寬的關(guān)系 圖4-4-2超聲角度與線寬的關(guān)系 可以從圖4-4-2我們均可以看出，當(dāng)我們確定的值時(shí)，在一個(gè)范圍內(nèi)改變超聲角度值的時(shí)候可以觀察線寬b隨著值的增大而增大，從而得出濾波器的濾波線寬b與超聲角度呈線性關(guān)系。 從4-3-2到4-3-12我們可以看出從，b=1.15nm，到，b=2.2nm，變化了1.05nm。我們得到這樣一個(gè)結(jié)論，那就是和比線寬明顯變大了，所以超聲角度影響著濾波器線寬的大小。參考文獻(xiàn)【1】P.Carter,A.M.Merchant,Curr.Opin.Biotechnol.,1997,8,449【2】S.E.Harris,R.w.Wallace,Acousto-Optic Tunable FilterJ.JOSA,1969,59(6):744-749【3】Chang 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開(kāi)展本課題的意義及工作內(nèi)容：意義：聲光可調(diào)諧濾波器的原理是根據(jù)聲光衍射原理制成的分光器件，它由晶體和鍵合在其上的換能器構(gòu)成，換能器將高頻的RF驅(qū)動(dòng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為在晶體內(nèi)的超聲波振動(dòng)，超聲波產(chǎn)生了空間周期性的調(diào)制，其作用像衍射光柵。當(dāng)入射光照射到此光柵后將產(chǎn)生布喇格衍射，其衍射光 的波長(zhǎng)與高頻驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的頻率有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，只要改變RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，即可改變衍射光的波長(zhǎng)，進(jìn)而達(dá)到了分光的 目的。對(duì)超聲角度對(duì)濾波器濾波線寬的影響探討研究，有很大的現(xiàn)實(shí)意義。工作內(nèi)容：從理論上分析超聲角度對(duì)濾波器濾波線寬的影響的影響，進(jìn)行相應(yīng)的理論計(jì)算，分析超聲角度與濾波器濾波線寬的關(guān)系，從而了解聲光可調(diào)諧濾波器的基本原理。二、 課題工作的總體安排及進(jìn)度：2013.11月-2013.11月中旬 確定選題，進(jìn)行選題資料的初步收集并完成開(kāi)題報(bào)告的內(nèi)容。2013.11月中旬-2014.01月 對(duì)收集到的資料進(jìn)行消化，吸收和整理2014.01月中旬-2014.04月 熟悉所搜集資料并掌握，對(duì)資料進(jìn)行整合，確定選題論文的大綱。提出自己的看法，并通過(guò)相應(yīng)的知識(shí)的掌握和理論研究，驗(yàn)證是否正確，使課題更加完善，完成論文初稿。2014.04月中旬-2014.04月下旬 對(duì)完成的初稿進(jìn)行修改和補(bǔ)充。2014.05月初-2013.05月中旬 進(jìn)行課題設(shè)計(jì)的收尾階段處理，對(duì)畢業(yè)論文進(jìn)行補(bǔ)充和修改。三、 課題預(yù)期達(dá)到的效果：1、通過(guò)對(duì)本畢業(yè)論文的研究工作，學(xué)生不僅鞏固了課本的理論知識(shí)，也初步的認(rèn)識(shí)最前沿的科研工作，加強(qiáng)了學(xué)習(xí)能力的同時(shí)也培養(yǎng)了一定的科學(xué)素養(yǎng)。2、通過(guò)本研究，能夠把學(xué)習(xí)的知識(shí)應(yīng)用到前沿科學(xué)研究中去，充分調(diào)動(dòng)了各方面知識(shí)儲(chǔ)備。四、 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 選題合理，進(jìn)度安排適合，同意開(kāi)放。簽名： 年 月 日福建師范大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目審核表學(xué)院：應(yīng)用科技學(xué)院 系或教研室：電子信息工程 時(shí)間： 2014年 05 月 14日課題情況題目名稱超聲角度對(duì)濾波器濾波線寬的影響教師姓名王號(hào)職稱副教授學(xué)位學(xué)歷博士專業(yè)方向聲光課題來(lái)源A.科研 B.生產(chǎn) C.教學(xué) D.其它 E.學(xué)生自擬成果類別A.論文B.設(shè)計(jì)課題類別A.工程設(shè)計(jì)類 B.理論研究類 C.實(shí)驗(yàn)研究類 D.軟件設(shè)計(jì)類 E.綜合類F.其它學(xué)生應(yīng)具備的條件對(duì)課題有深厚的了解，提高學(xué)習(xí)能力。熟悉聲光在實(shí)際生活中的應(yīng)用，對(duì)課題材料的搜集，具備一定的分析能力、策劃能力和設(shè)計(jì)能力。主要研究?jī)?nèi)容目標(biāo)特點(diǎn)內(nèi)容：加深聲光可調(diào)濾波器的理論的理解，了解AOTF的發(fā)展歷史和工作原理。還有AOTF在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況，例如軍事上的應(yīng)用。目標(biāo)：重點(diǎn)培養(yǎng)實(shí)際操作能力，真正培養(yǎng)自己的策劃能力，通過(guò)對(duì)本文的研究可以為以后聲光可調(diào)濾波器在實(shí)際發(fā)展做貢獻(xiàn)。特點(diǎn)：AOTF濾波器體積小、采用雙光路，并且重量輕。2、精度高。可以極大提高儀器的抗干擾能力，同時(shí)最大限度剔除背景干擾。3、分辨率高。采用電子信號(hào)控制掃描。4、信號(hào)能量大