福晶科技 | 声光可调谐滤波器及其应用（二）：声光可调谐滤波器的优势和应用【连载】
光纤在线编辑部 2024-11-01 10:14:03 文章来源：本站消息 版权所有,未经许可严禁转载.
导读：在这一期的连载中我们来谈一谈声光可调谐滤波器的优势和应用。
11/01/2024，光纤在线讯，在上一期的小课堂，《声光可调谐滤波器及其应用连载（一）：声光可调谐滤波器原理》中我们详细的介绍了声光可调谐滤波器的相关基础理论和主要性能指标，在这一期的连载中我们来谈一谈声光可调谐滤波器的优势和应用。
1、声光可调谐滤波器优势
AOTF与传统分光器件(棱镜、光栅、液晶)相比具有以下几个显著优点：
（1）它体积小，无机械运动，抗干扰能力强；
（2）通光孔径大，入射角孔径和输出孔径大，非常适合应用到成像中；且在调谐范围内衍射光光谱分辨率和衍射效率都比较高；
（3）波长调谐稳定、可靠和且范围宽；
（4）结构简单，工作方式灵活多样，可以利用计算机灵活地选取光波长的线性扫描输出、随机输出或多波长混合输出等方式。
（5）波长切换速度快，通常只有几个微秒。
2、声光可调谐滤波器的应用
由于以上AOTF的优势，AOTF在快速光谱分析、光谱成像处理、环境计算、光计算、彩色信息处理、相干光源探测及波分复用技术等领域获得了广泛应用[1-2]。AOTF的光谱分析仪器已经在可见光至红外光谱波段的多个谱区内得到广泛应用，且在紫外等其他谱区逐渐发展；同时，AOTF技术易于实现仪器的微型化、智能化，对于工作环境要求比较低，市场前景广阔。
（1）光谱分析领域
在原子分子分析领域，Fulton等，将亚硒酸盐类AOTF用于电感耦合等离子体原子发射光谱法[3]。Gillespie[4]等，利用同相互作用AOTF扩展了该技术在紫外光谱区的用途。C.D. Tran等曾将AOTF结合激光二极管耦合到一个掺铒光纤放大器中，用于近红外分光光度计分析[5]。他还采用装配石英AOTF的高效液相色谱分析检测仪分离氯苯。利用AOTF的快速波长转换特性,当化合物洗脱时也可以获得100 nm范围的光谱。
在荧光光谱和拉曼光谱分析领域，AOTF可代替荧光分光计中的激励单色仪，用于碳氰染料的检测[6]。Bucher等[7]人报道了采用氙气电弧灯、激发滤色镜和一个AOTF做发射波长的选择，并用该方法检测了香豆素、罗丹明染料、对二甲苯和卟啉。E.N. Lewis 等利用氪激光器和AOTF建立一个小型中等分辨率的拉曼光谱仪[8]。关于激光在拉曼光谱和其他光谱测量中的应用，AOTF也可以用于染料和气体激光器的电子调谐和幅度调制。通过调整所使用AOTF的声功率，可补偿在入射光强度中的波动[9]。
2011 年， 美国新墨西哥州立大学和美国国家宇航局戈达德宇宙飞行中心(NASA/Goddard Space Flight Center)联合开发了一个基于二氧化碲的非共线 AOTF 近红外点光谱分析仪(point spectrometer )，该仪器主要用来研究太阳系行星的生物样品和有机生物痕迹， 其光谱范围为 1.7~3.4 μm， 光谱分辨率为 4~12 nm，有效通光孔径为 10 mm×10 mm，图2.1为该仪器的立体效果示意图[10-11]。
图2.1 点光谱分析仪的立体示意图[10-11]
（2）光谱成像领域
AOTF用于光谱成像中，可获得有关目标的空间、光谱和偏振方面的信息，因其波长调谐范围可以从紫外波段一直到长波红外区域， 且波长切换速度快， AOTF 作为分光元件的新势力， 在最近几十年得到了高速发展， 已经成为成像传感系统、空间与地球观察系统和生物细胞观察系统等光谱成像应用中不可或缺的核心器件。但AOTF或由于入射光不完全准直而导致图像退化，并且图像随波长的变化而变化。这些影响可以通过遮挡和数学数据处理来进行补偿[12]。H.T. Skinner等研制一套使用AOTF和空间相干超细光纤探头的成像系统，它能够在不清晰视线的情况下获取拉曼图像[13]。该仪器通过获取高散射样品的混合图像来测试的，其分辨率约4 mm。
2013 年， 嫦娥三号探测器在其有效载荷的探测任务中， 以TeO2单晶作为声光介质的非共线 AOTF 在红外光谱成像仪中扮演了重要的角色，表2.1为嫦娥三号可见-红外光谱成像仪的主要技术指标。该光谱仪的主要任务是获取月球表面上的可见光波段的波谱信息以及红外光谱和图像曲线，主要用来对月球表面的矿物组成和分布进行研究[14-15]。来自月球表面矿物质的反射或者辐射光被准直以后与超声波在 AOTF 中发生相互作用以后被探测器接收，其系统方案如图2.2所示。
表2.1嫦娥三号可见-红外光谱成像仪的主要技术指标[14-15]
图2.2嫦娥三号中红外光谱成像仪系统方案[14-15]
（3）超快激光领域
超快激光系统中，由于增益窄化和未补偿的相位误差，系统中一系列放大结构带来的群延迟时间色散会加宽输出信号的脉宽。因此需要对其进行补偿，优化系统的性能。通常采用在激光腔内加入棱镜对[16]、干涉仪或色散镜来进行色散补偿，但这些方式只可对部分色散进行补偿，且不可编程。为了进一步缩短光信号脉宽，需要在宽带范围内能补偿大量色散的可编程装置，同时能提供振幅整形以获得高的对比度。1993年Fermann提出了一种声光可调谐滤波器对脉冲进行整形[17]。1997年Tournois提出一种可编程的声光色散滤波器(AOPDF)[18]，具有大范围的色散补偿，并首次实验证明了在100 fs范围内用TeO2声光滤波器实现对Ti:S飞秒脉冲压缩，所采用的声光滤波器是基于准共线设计的。随后，科学家们对可编程声光色散滤波器展开了一系列研究[19-21]，如图2.3所示为基于可编程声光色散滤波器的光放大系统。
图2.3 基于可编程声光色散滤波器的光放大系统
参考文献
[1] He ZH,Lian WL and Wu MJ. Determination of Tobacco Constituents with Acousto-optic Tunable Filter [J].Journal of Near Infrared Spectroscopy.2006,14(1):45-50.
[2] Takabayashi K,Takada K and Hashimoto N. Widely(132nm) Wavelength Tunable Laser using a Semiconductor Optical Amplifier an an Acousto-optic Tunable filter[J].Electronics Letter. 2004,
[3] Horlick G, Fulton G. AOTFs as Atomic Spectrometers: Basic Characteristics[J]. Applied Spectroscopy, 1996,50(7):885-892.
[4] Carnahan J W, Gillespie S R. Ultraviolet Quartz Acousto-optic Tunable Filter Wavelength Selection for Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry[J]. Applied Spectroscopy, 2001,55(6):730-738.
[5] Tran C D, Gao G H. Characterization of an erbium-doped fiber amplifier as a light source and development of a near-infrared spectrophotometer based on the EDFA and an acoustooptic tunable filter.[J]. Analytical Chemistry, 1996,68(13):2264-2269.
[6] Tarazi L, George A, Patonay G, et al. Spectral characterization of a novel near-infrared cyanine dye: a study of its complexation with metal ions[J]. Talanta, 1998,46(6):1413-1424.
[7] Bucher E G, Carnahan J W. Characterization of an Acousto-optic Tunable Filter and Use in Visible Spectrophotometry[J]. Applied Spectroscopy, 1999,53(5):603-611.
[8] Lewis E N, Treado P J, Levin I W. A Miniaturized, No-Moving-Parts Raman Spectrometer[J]. Applied Spectroscopy, 1993,47(5):539-543.
[9] Tran C D, Furlan R J. Electronic Tuning, Amplitude Modulation of Lasers by a Computer-Controlled Acousto-optic Tunable Filter[J]. Applied Spectroscopy, 1992,46(7):1092-1095.
[10] Chanover N J, Glenar D A, Mcadam A, et al. An AOTF-LDTOF spectrometersuite for In Situ organic detection and characterization[C]. IEEE Aerospace Conference, 2011, 41: 1-13.
[11] Voelz D G, Xiao X, Tawalbeh R, et al. Infrared acousto-optic tunable filter point spectrometer for detection of organics on mineral surfaces[J].
[12] Gupta N, Dahmani R, Bennett K, et al. Progress in AOTF hyperspectral imagers: Automated Geo-spatial Image & Data Exploitation, 2000[C].
[13] Skinner H T, Sharma S K, Angel S M, et al. Remote Raman Microimaging Using an AOTF and a Spatially Coherent Microfiber Optical Probe[J]. Applied Spectroscopy, 1996,volume 50(8):1007-1014.
[14] 代树武, 吴季, 孙辉先, 等. 嫦娥三号巡视器有效载荷[J]. 空间科学学报,
2014, 34(3): 332-340.
[15] He Z P, Wang B Y, Lv G, et al. Visible and near-infrared imaging
spectrometer and its preliminary results from the Chang’E 3 project[J].
Review of Scientific Instruments, 2014, 85(8): 083104.
[16] Backus S , Durfee C G , Murnane M M ,et al.High power ultrafast lasers[J].Review of Scientific Instruments, 1998, 69(3):1207.
[17] Fermann M , Silva V D , Smith D A ,et al.Shaping of ultrashort optical pulses by using an integrated acousto-optic tunable filter[J].Ol/18/18/ol Pdf, 1993.
[18] Tournois P .Acousto-optic programmable dispersive filter for adaptive compensation of group delay time dispersion in laser systems[J].Optics Communications, 1997, 140(4-6):245-249.
[19] Verluise F.Huignard JP.Tournois P.Migus A.Laude V.Arbitrary dispersion control of ultrashort optical pulses with acoustic waves[J].Journal of The Optical Society of America B-optical Physics, 2000, 17:138-145.
[20] Frédéric Verluise, Laude V , Cheng Z ,et al.Amplitude and phase control of ultrashort pulses by use of an acousto-optic programmable dispersive filter: pulse compression and shaping.[J].Optics Letters, 2000, 25(8):575-7.
[21] Pittman M ,S. Ferré, Rousseau J P ,et al.Design and characterization of a near-diffraction-limited femtosecond 100-TW 10-Hz high-intensity laser system[J].Applied Physics B, 2002, 74(6):529-535.
1、声光可调谐滤波器优势
AOTF与传统分光器件(棱镜、光栅、液晶)相比具有以下几个显著优点：
（1）它体积小，无机械运动，抗干扰能力强；
（2）通光孔径大，入射角孔径和输出孔径大，非常适合应用到成像中；且在调谐范围内衍射光光谱分辨率和衍射效率都比较高；
（3）波长调谐稳定、可靠和且范围宽；
（4）结构简单，工作方式灵活多样，可以利用计算机灵活地选取光波长的线性扫描输出、随机输出或多波长混合输出等方式。
（5）波长切换速度快，通常只有几个微秒。
2、声光可调谐滤波器的应用
由于以上AOTF的优势，AOTF在快速光谱分析、光谱成像处理、环境计算、光计算、彩色信息处理、相干光源探测及波分复用技术等领域获得了广泛应用[1-2]。AOTF的光谱分析仪器已经在可见光至红外光谱波段的多个谱区内得到广泛应用，且在紫外等其他谱区逐渐发展；同时，AOTF技术易于实现仪器的微型化、智能化，对于工作环境要求比较低，市场前景广阔。
（1）光谱分析领域
在原子分子分析领域，Fulton等，将亚硒酸盐类AOTF用于电感耦合等离子体原子发射光谱法[3]。Gillespie[4]等，利用同相互作用AOTF扩展了该技术在紫外光谱区的用途。C.D. Tran等曾将AOTF结合激光二极管耦合到一个掺铒光纤放大器中，用于近红外分光光度计分析[5]。他还采用装配石英AOTF的高效液相色谱分析检测仪分离氯苯。利用AOTF的快速波长转换特性,当化合物洗脱时也可以获得100 nm范围的光谱。
在荧光光谱和拉曼光谱分析领域，AOTF可代替荧光分光计中的激励单色仪，用于碳氰染料的检测[6]。Bucher等[7]人报道了采用氙气电弧灯、激发滤色镜和一个AOTF做发射波长的选择，并用该方法检测了香豆素、罗丹明染料、对二甲苯和卟啉。E.N. Lewis 等利用氪激光器和AOTF建立一个小型中等分辨率的拉曼光谱仪[8]。关于激光在拉曼光谱和其他光谱测量中的应用，AOTF也可以用于染料和气体激光器的电子调谐和幅度调制。通过调整所使用AOTF的声功率，可补偿在入射光强度中的波动[9]。
2011 年， 美国新墨西哥州立大学和美国国家宇航局戈达德宇宙飞行中心(NASA/Goddard Space Flight Center)联合开发了一个基于二氧化碲的非共线 AOTF 近红外点光谱分析仪(point spectrometer )，该仪器主要用来研究太阳系行星的生物样品和有机生物痕迹， 其光谱范围为 1.7~3.4 μm， 光谱分辨率为 4~12 nm，有效通光孔径为 10 mm×10 mm，图2.1为该仪器的立体效果示意图[10-11]。
图2.1 点光谱分析仪的立体示意图[10-11]
（2）光谱成像领域
AOTF用于光谱成像中，可获得有关目标的空间、光谱和偏振方面的信息，因其波长调谐范围可以从紫外波段一直到长波红外区域， 且波长切换速度快， AOTF 作为分光元件的新势力， 在最近几十年得到了高速发展， 已经成为成像传感系统、空间与地球观察系统和生物细胞观察系统等光谱成像应用中不可或缺的核心器件。但AOTF或由于入射光不完全准直而导致图像退化，并且图像随波长的变化而变化。这些影响可以通过遮挡和数学数据处理来进行补偿[12]。H.T. Skinner等研制一套使用AOTF和空间相干超细光纤探头的成像系统，它能够在不清晰视线的情况下获取拉曼图像[13]。该仪器通过获取高散射样品的混合图像来测试的，其分辨率约4 mm。
2013 年， 嫦娥三号探测器在其有效载荷的探测任务中， 以TeO2单晶作为声光介质的非共线 AOTF 在红外光谱成像仪中扮演了重要的角色，表2.1为嫦娥三号可见-红外光谱成像仪的主要技术指标。该光谱仪的主要任务是获取月球表面上的可见光波段的波谱信息以及红外光谱和图像曲线，主要用来对月球表面的矿物组成和分布进行研究[14-15]。来自月球表面矿物质的反射或者辐射光被准直以后与超声波在 AOTF 中发生相互作用以后被探测器接收，其系统方案如图2.2所示。
表2.1嫦娥三号可见-红外光谱成像仪的主要技术指标[14-15]
图2.2嫦娥三号中红外光谱成像仪系统方案[14-15]
（3）超快激光领域
超快激光系统中，由于增益窄化和未补偿的相位误差，系统中一系列放大结构带来的群延迟时间色散会加宽输出信号的脉宽。因此需要对其进行补偿，优化系统的性能。通常采用在激光腔内加入棱镜对[16]、干涉仪或色散镜来进行色散补偿，但这些方式只可对部分色散进行补偿，且不可编程。为了进一步缩短光信号脉宽，需要在宽带范围内能补偿大量色散的可编程装置，同时能提供振幅整形以获得高的对比度。1993年Fermann提出了一种声光可调谐滤波器对脉冲进行整形[17]。1997年Tournois提出一种可编程的声光色散滤波器(AOPDF)[18]，具有大范围的色散补偿，并首次实验证明了在100 fs范围内用TeO2声光滤波器实现对Ti:S飞秒脉冲压缩，所采用的声光滤波器是基于准共线设计的。随后，科学家们对可编程声光色散滤波器展开了一系列研究[19-21]，如图2.3所示为基于可编程声光色散滤波器的光放大系统。
图2.3 基于可编程声光色散滤波器的光放大系统
参考文献
[1] He ZH,Lian WL and Wu MJ. Determination of Tobacco Constituents with Acousto-optic Tunable Filter [J].Journal of Near Infrared Spectroscopy.2006,14(1):45-50.
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[6] Tarazi L, George A, Patonay G, et al. Spectral characterization of a novel near-infrared cyanine dye: a study of its complexation with metal ions[J]. Talanta, 1998,46(6):1413-1424.
[7] Bucher E G, Carnahan J W. Characterization of an Acousto-optic Tunable Filter and Use in Visible Spectrophotometry[J]. Applied Spectroscopy, 1999,53(5):603-611.
[8] Lewis E N, Treado P J, Levin I W. A Miniaturized, No-Moving-Parts Raman Spectrometer[J]. Applied Spectroscopy, 1993,47(5):539-543.
[9] Tran C D, Furlan R J. Electronic Tuning, Amplitude Modulation of Lasers by a Computer-Controlled Acousto-optic Tunable Filter[J]. Applied Spectroscopy, 1992,46(7):1092-1095.
[10] Chanover N J, Glenar D A, Mcadam A, et al. An AOTF-LDTOF spectrometersuite for In Situ organic detection and characterization[C]. IEEE Aerospace Conference, 2011, 41: 1-13.
[11] Voelz D G, Xiao X, Tawalbeh R, et al. Infrared acousto-optic tunable filter point spectrometer for detection of organics on mineral surfaces[J].
[12] Gupta N, Dahmani R, Bennett K, et al. Progress in AOTF hyperspectral imagers: Automated Geo-spatial Image & Data Exploitation, 2000[C].
[13] Skinner H T, Sharma S K, Angel S M, et al. Remote Raman Microimaging Using an AOTF and a Spatially Coherent Microfiber Optical Probe[J]. Applied Spectroscopy, 1996,volume 50(8):1007-1014.
[14] 代树武, 吴季, 孙辉先, 等. 嫦娥三号巡视器有效载荷[J]. 空间科学学报,
2014, 34(3): 332-340.
[15] He Z P, Wang B Y, Lv G, et al. Visible and near-infrared imaging
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Review of Scientific Instruments, 2014, 85(8): 083104.
[16] Backus S , Durfee C G , Murnane M M ,et al.High power ultrafast lasers[J].Review of Scientific Instruments, 1998, 69(3):1207.
[17] Fermann M , Silva V D , Smith D A ,et al.Shaping of ultrashort optical pulses by using an integrated acousto-optic tunable filter[J].Ol/18/18/ol Pdf, 1993.
[18] Tournois P .Acousto-optic programmable dispersive filter for adaptive compensation of group delay time dispersion in laser systems[J].Optics Communications, 1997, 140(4-6):245-249.
[19] Verluise F.Huignard JP.Tournois P.Migus A.Laude V.Arbitrary dispersion control of ultrashort optical pulses with acoustic waves[J].Journal of The Optical Society of America B-optical Physics, 2000, 17:138-145.
[20] Frédéric Verluise, Laude V , Cheng Z ,et al.Amplitude and phase control of ultrashort pulses by use of an acousto-optic programmable dispersive filter: pulse compression and shaping.[J].Optics Letters, 2000, 25(8):575-7.
[21] Pittman M ,S. Ferré, Rousseau J P ,et al.Design and characterization of a near-diffraction-limited femtosecond 100-TW 10-Hz high-intensity laser system[J].Applied Physics B, 2002, 74(6):529-535.
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