10/31/2024，光纖在線訊，聲光可調(diào)諧濾波器（Acousto-optic Tunable Filters, AOTF）利用各向異性聲光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的快速選取，在光譜分析、光譜成像、光通信等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。聲光可調(diào)諧濾波器是福晶科技的重要聲光器件產(chǎn)品。本期福晶小課堂推出聲光可調(diào)諧濾波器連載欄目，連續(xù)三天為您系統(tǒng)詳盡地介紹關(guān)于聲光可調(diào)諧濾波器的基礎(chǔ)原理、應(yīng)用領(lǐng)域、產(chǎn)品系列等相關(guān)知識(shí)和發(fā)展方向。

      
圖1.1非共線型AOTF工作原理

      在連載（一）中，首先介紹聲光可調(diào)諧濾波器的工作原理。聲光可調(diào)諧濾波器可快速地從寬帶光源或多線激光光源中選擇特定波長(zhǎng)，對(duì)單一波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)進(jìn)行快速調(diào)諧。其工作時(shí)，在聲光介質(zhì)內(nèi)部形成超聲光柵，和復(fù)色光相互作用，僅有狹窄的頻帶滿足相位匹配條件時(shí)發(fā)生衍射。無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過改變頻率可快速調(diào)節(jié)衍射波長(zhǎng)。相比其他傳統(tǒng)分光器件，AOTF具有調(diào)諧速度快，體積小，角孔徑大，分辨率高等優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在波長(zhǎng)選擇和光學(xué)成像方面上具有極大潛力^[6-8]。

1、聲光晶體的選擇
      在AOTF設(shè)計(jì)中，幾個(gè)重要的性能決定了材料的適用性。首先，在研究的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，聲光材料必須是光透的。如果折射率相差很大，則方便制作非共線互作用AOTF的裝置。但是，如果選擇的材料存在個(gè)很小的Δn但又是非中心對(duì)稱的，則可用于共線裝置的設(shè)計(jì)。此外，材料還應(yīng)具備良好的聲光互作用性能。

      聲光優(yōu)值M₂(又稱聲光品質(zhì)因素)主要用于衡量器件的聲光互作用性能的優(yōu)劣。聲光衍射效率與M₂成正比關(guān)系^[9]，因此，高聲光優(yōu)值的晶體對(duì)于AOTF的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其定義式為：

      
      其中，n是介質(zhì)折射率，P_s是有效聲光系數(shù)，ρ是材料密度，vs是聲速�？煽闯雎暪鈨�(yōu)值與介質(zhì)材料特性和聲光工作模式有關(guān)。

2、聲光可調(diào)諧濾波器理論基礎(chǔ)
      聲光可調(diào)諧光濾波器是基于各向異性聲光介質(zhì)的反常布拉格衍射原理制成的，是一種全固態(tài)新型色散器件^[2,5]。它是通過壓電換能器把電振蕩轉(zhuǎn)換成同頻超聲振蕩，并通過壓電換能器和聲光晶體之間的金屬鍵合層傳輸?shù)铰暪饩�體中，形成超聲波^[2]。在AOTF中，光輻射與聲子相互作用，產(chǎn)生光子的偏振或方向變化。這些現(xiàn)象只發(fā)生在選定的一組光子上，這些光子遵循一定的能量和動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)^[3]。利用該超聲波與入射光波的相互作用，使得AOTF能夠選擇性地衍射單一或多個(gè)波長(zhǎng)，并可通過改變應(yīng)用頻率進(jìn)行調(diào)諧，從而達(dá)到濾波的作用^[2,5]。

      福晶科技生產(chǎn)的聲光可調(diào)諧濾波器使用優(yōu)質(zhì)二氧化碲(TeO₂)晶體，工藝精良、晶體質(zhì)量?jī)?yōu)，可用于多種波長(zhǎng)條件。

      展開來說，AOTF的現(xiàn)象可用基于粒子相互作用的矢量式來解釋^[3]。入射光被想象成一束光子，而晶體中移動(dòng)的聲波想象成是聲子。以TeO2為例，聲光互作用幾何關(guān)系如圖1.2所示：

      
圖1.2 非共線互作用AOTF幾何關(guān)系圖^[10]

動(dòng)量關(guān)系式表示為：
      
      其中h是普朗克常數(shù)，K是入射光波矢量，K_a是聲波矢量，K_d是衍射光波矢量^[2,3]�；�簡(jiǎn)公式得：
      
      在各向異性介質(zhì)中，AOTF相互作用時(shí)偏振旋轉(zhuǎn)伴隨著折射率變化^[3]。由于入射光為o光，衍射光為e光，故有n_i=no_o、n_d=n_e^。。代入得：

      
      其中，λ是光波長(zhǎng)，f是聲頻率，v_a是聲速^[1,3,9]。在一些AOTF結(jié)構(gòu)中，衍射光子的速度和方向是隨折射率差（Δn）而變化的。

      整理上式，并整合入射角θi動(dòng)量式，非共線互作用AOTF的調(diào)諧關(guān)系可得：
      
      當(dāng)θ_i=θa=90°時(shí)，便還原成共線互作用AOTF的關(guān)系式，即：
      
在非中心對(duì)稱晶體材料中，也可通過AOTF設(shè)計(jì)使光子與聲波傳播一致(準(zhǔn)共線)，實(shí)現(xiàn)最大化光子-聲子互作用⁹。
      
3、性能指標(biāo)
（1）調(diào)諧關(guān)系
      根據(jù)非同向互作用AOTF的調(diào)諧關(guān)系式，對(duì)應(yīng)確定的AOTF(離軸角已定)，所需的超聲頻率和光波長(zhǎng)與入射角θi有關(guān)。入射角固定時(shí)，超聲頻率與波長(zhǎng)呈反比關(guān)系，如圖1.3(a)所示。衍射光波長(zhǎng)固定時(shí)，不同的的入射角度需要匹配相應(yīng)的超聲頻率，趨勢(shì)如圖1.3(b)所示，其曲線極小值處為最佳使用角度。

      
圖1.3(a)波長(zhǎng)-頻率調(diào)諧關(guān)系；(b)入射角-頻率調(diào)諧關(guān)系

（2）光譜寬度和入射光角孔徑
      在實(shí)際應(yīng)用中，衍射會(huì)存在一定的布拉格帶寬，會(huì)造成相位失配。在這種情況下，衍射光的衍射強(qiáng)度將下降為中心波長(zhǎng)的一半。這里定義帶通為衍射光的半峰強(qiáng)度寬（Δλ，或FWHM）。非共線互作用AOTF的帶寬關(guān)系式為：
      
      式中，b為色散常數(shù)，L為聲光作用長(zhǎng)度^[1,9]。

      在一些應(yīng)用中，為了提高靈敏度，AOTF需要足夠多的集光能力或角孔徑。當(dāng)角度θ_i±δθ_i內(nèi)變化時(shí)，即衍射光的衍射強(qiáng)度將下降為θ_i的一半，±δθ_i稱為角孔徑，非共線互作用AOTF角孔徑的關(guān)系式為：
      
      當(dāng)θ_i=θa=90°時(shí)，該式便還原成共線互作用的AOTF角孔徑關(guān)系式^[1,9,10]。

      
圖1.4(a)角孔徑-波長(zhǎng)曲線；(b)光譜帶寬-波長(zhǎng)曲線

      由圖1.4可以看出，AOTF的角孔徑和光譜帶寬與波長(zhǎng)均呈正比關(guān)系，因此，角孔徑與光譜帶寬呈正比。對(duì)于AOTF而言，角孔徑越大越好，光譜帶寬越小越好，因此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，對(duì)角孔徑和光譜帶寬進(jìn)行取舍。

（3）衍射效率
      在考慮動(dòng)量失配的情況下， AOTF 的衍射效率為：

      
      P_d為超聲波的功率密度，l為換能器的長(zhǎng)度M₂為聲光晶體的聲光優(yōu)值^[9]。

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