福晶科技 | 声光可调谐滤波器及其应用（一）：声光可调谐滤波器原理【连载】

10/31/2024，光纤在线讯，声光可调谐滤波器（Acousto-optic Tunable Filters, AOTF）利用各向异性声光效应来实现波长的快速选取，在光谱分析、光谱成像、光通信等领域中得到广泛应用。声光可调谐滤波器是福晶科技的重要声光器件产品。本期福晶小课堂推出声光可调谐滤波器连载栏目，连续三天为您系统详尽地介绍关于声光可调谐滤波器的基础原理、应用领域、产品系列等相关知识和发展方向。

      
图1.1非共线型AOTF工作原理

      在连载（一）中，首先介绍声光可调谐滤波器的工作原理。声光可调谐滤波器可快速地从宽带光源或多线激光光源中选择特定波长，对单一波长或多波长进行快速调谐。其工作时，在声光介质内部形成超声光栅，和复色光相互作用，仅有狭窄的频带满足相位匹配条件时发生衍射。无需机械运动，通过改变频率可快速调节衍射波长。相比其他传统分光器件，AOTF具有调谐速度快，体积小，角孔径大，分辨率高等优势，在众多领域中得到广泛应用，尤其是在波长选择和光学成像方面上具有极大潜力^[6-8]。

1、声光晶体的选择
      在AOTF设计中，几个重要的性能决定了材料的适用性。首先，在研究的波长范围内，声光材料必须是光透的。如果折射率相差很大，则方便制作非共线互作用AOTF的装置。但是，如果选择的材料存在个很小的Δn但又是非中心对称的，则可用于共线装置的设计。此外，材料还应具备良好的声光互作用性能。

      声光优值M₂(又称声光品质因素)主要用于衡量器件的声光互作用性能的优劣。声光衍射效率与M₂成正比关系^[9]，因此，高声光优值的晶体对于AOTF的设计至关重要，其定义式为：

      
      其中，n是介质折射率，P_s是有效声光系数，ρ是材料密度，vs是声速。可看出声光优值与介质材料特性和声光工作模式有关。

2、声光可调谐滤波器理论基础
      声光可调谐光滤波器是基于各向异性声光介质的反常布拉格衍射原理制成的，是一种全固态新型色散器件^[2,5]。它是通过压电换能器把电振荡转换成同频超声振荡，并通过压电换能器和声光晶体之间的金属键合层传输到声光晶体中，形成超声波^[2]。在AOTF中，光辐射与声子相互作用，产生光子的偏振或方向变化。这些现象只发生在选定的一组光子上，这些光子遵循一定的能量和动量标准^[3]。利用该超声波与入射光波的相互作用，使得AOTF能够选择性地衍射单一或多个波长，并可通过改变应用频率进行调谐，从而达到滤波的作用^[2,5]。

      福晶科技生产的声光可调谐滤波器使用优质二氧化碲(TeO₂)晶体，工艺精良、晶体质量优，可用于多种波长条件。

      展开来说，AOTF的现象可用基于粒子相互作用的矢量式来解释^[3]。入射光被想象成一束光子，而晶体中移动的声波想象成是声子。以TeO2为例，声光互作用几何关系如图1.2所示：

      
图1.2 非共线互作用AOTF几何关系图^[10]

动量关系式表示为：
      
      其中h是普朗克常数，K是入射光波矢量，K_a是声波矢量，K_d是衍射光波矢量^[2,3]。化简公式得：
      
      在各向异性介质中，AOTF相互作用时偏振旋转伴随着折射率变化^[3]。由于入射光为o光，衍射光为e光，故有n_i=no_o、n_d=n_e^。。代入得：

      
      其中，λ是光波长，f是声频率，v_a是声速^[1,3,9]。在一些AOTF结构中，衍射光子的速度和方向是随折射率差（Δn）而变化的。

      整理上式，并整合入射角θi动量式，非共线互作用AOTF的调谐关系可得：
      
      当θ_i=θa=90°时，便还原成共线互作用AOTF的关系式，即：
      
在非中心对称晶体材料中，也可通过AOTF设计使光子与声波传播一致(准共线)，实现最大化光子-声子互作用⁹。
      
3、性能指标
（1）调谐关系
      根据非同向互作用AOTF的调谐关系式，对应确定的AOTF(离轴角已定)，所需的超声频率和光波长与入射角θi有关。入射角固定时，超声频率与波长呈反比关系，如图1.3(a)所示。衍射光波长固定时，不同的的入射角度需要匹配相应的超声频率，趋势如图1.3(b)所示，其曲线极小值处为最佳使用角度。

      
图1.3(a)波长-频率调谐关系；(b)入射角-频率调谐关系

（2）光谱宽度和入射光角孔径
      在实际应用中，衍射会存在一定的布拉格带宽，会造成相位失配。在这种情况下，衍射光的衍射强度将下降为中心波长的一半。这里定义带通为衍射光的半峰强度宽（Δλ，或FWHM）。非共线互作用AOTF的带宽关系式为：
      
      式中，b为色散常数，L为声光作用长度^[1,9]。

      在一些应用中，为了提高灵敏度，AOTF需要足够多的集光能力或角孔径。当角度θ_i±δθ_i内变化时，即衍射光的衍射强度将下降为θ_i的一半，±δθ_i称为角孔径，非共线互作用AOTF角孔径的关系式为：
      
      当θ_i=θa=90°时，该式便还原成共线互作用的AOTF角孔径关系式^[1,9,10]。

      
图1.4(a)角孔径-波长曲线；(b)光谱带宽-波长曲线

      由图1.4可以看出，AOTF的角孔径和光谱带宽与波长均呈正比关系，因此，角孔径与光谱带宽呈正比。对于AOTF而言，角孔径越大越好，光谱带宽越小越好，因此需要根据实际应用环境，对角孔径和光谱带宽进行取舍。

（3）衍射效率
      在考虑动量失配的情况下， AOTF 的衍射效率为：

      
      P_d为超声波的功率密度，l为换能器的长度M₂为声光晶体的声光优值^[9]。

参考文献
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