中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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聲光可調諧濾波器（Acousto-optic Tunable Filters, AOTF）利用各向異性聲光效應來(lái)實(shí)現波長(cháng)的快速選取，在光譜分析、光譜成像、光通信等領(lǐng)域中得到廣泛應用。聲光可調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諧濾波器連載欄目，連續三天為您系統詳盡地介紹關(guān)于聲光可調諧濾波器的基礎原理、應用領(lǐng)域、產(chǎn)品系列等相關(guān)知識和發(fā)展方向。
圖1.1非共線(xiàn)型AOTF工作原理
在連載（一）中，首先介紹聲光可調諧濾波器的工作原理。聲光可調諧濾波器可快速地從寬帶光源或多線(xiàn)激光光源中選擇特定波長(cháng)，對單一波長(cháng)或多波長(cháng)進(jìn)行快速調諧。其工作時(shí)，在聲光介質(zhì)內部形成超聲光柵，和復色光相互作用，僅有狹窄的頻帶滿(mǎn)足相位匹配條件時(shí)發(fā)生衍射。無(wú)需機械運動(dòng)，通過(guò)改變頻率可快速調節衍射波長(cháng)。相比其他傳統分光器件，AOTF具有調諧速度快，體積小，角孔徑大，分辨率高等優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域中得到廣泛應用，尤其是在波長(cháng)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A(yíng)OTF設計中，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(cháng)范圍內，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(xiàn)互作用AOTF的裝置。但是，如果選擇的材料存在個(gè)很小的Δn但又是非中心對稱(chēng)的，則可用于共線(xiàn)裝置的設計。此外，材料還應具備良好的聲光互作用性能。
聲光優(yōu)值M2(又稱(chēng)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)值的晶體對于AOTF的設計至關(guān)重要，其定義式為：
其中，n是介質(zhì)折射率，Ps是有效聲光系數，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、聲光可調諧濾波器理論基礎
聲光可調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(guò)壓電換能器把電振蕩轉換成同頻超聲振蕩，并通過(guò)壓電換能器和聲光晶體之間的金屬鍵合層傳輸到聲光晶體中，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)量標準[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(cháng)，并可通過(guò)改變應用頻率進(jìn)行調諧，從而達到濾波的作用[2,5]。
福晶科技生產(chǎn)的聲光可調諧濾波器使用優(yōu)質(zhì)二氧化碲(TeO2)晶體，工藝精良、晶體質(zhì)量?jì)?yōu)，可用于多種波長(cháng)條件。
展開(kāi)來(lái)說(shuō)，AOTF的現象可用基于粒子相互作用的矢量式來(lái)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(xiàn)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，K是入射光波矢量，Ka是聲波矢量，Kd是衍射光波矢量[2,3]?；?jiǎn)公式得：
在各向異性介質(zhì)中，AOTF相互作用時(shí)偏振旋轉伴隨著(zhù)折射率變化[3]。由于入射光為o光，衍射光為e光，故有ni=noo、nd=ne。。代入得：
其中，λ是光波長(cháng)，f是聲頻率，va是聲速[1,3,9]。在一些AOTF結構中，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(xiàn)互作用AOTF的調諧關(guān)系可得：
當θi=θa=90°時(shí)，便還原成共線(xiàn)互作用AOTF的關(guān)系式，即：
在非中心對稱(chēng)晶體材料中，也可通過(guò)AOTF設計使光子與聲波傳播一致(準共線(xiàn))，實(shí)現最大化光子-聲子互作用9。
3、性能指標
（1）調諧關(guān)系
根據非同向互作用AOTF的調諧關(guān)系式，對應確定的AOTF(離軸角已定)，所需的超聲頻率和光波長(cháng)與入射角θi有關(guān)。入射角固定時(shí)，超聲頻率與波長(cháng)呈反比關(guān)系，如圖1.3(a)所示。衍射光波長(cháng)固定時(shí)，不同的的入射角度需要匹配相應的超聲頻率，趨勢如圖1.3(b)所示，其曲線(xiàn)極小值處為最佳使用角度。
圖1.3(a)波長(cháng)-頻率調諧關(guān)系；(b)入射角-頻率調諧關(guān)系
（2）光譜寬度和入射光角孔徑
在實(shí)際應用中，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，衍射光的衍射強度將下降為中心波長(cháng)的一半。這里定義帶通為衍射光的半峰強度寬（Δλ，或FWHM）。非共線(xiàn)互作用AOTF的帶寬關(guān)系式為：
式中，b為色散常數，L為聲光作用長(cháng)度[1,9]。
在一些應用中，為了提高靈敏度，AOTF需要足夠多的集光能力或角孔徑。當角度θi±δθi內變化時(shí)，即衍射光的衍射強度將下降為θi的一半，±δθi稱(chēng)為角孔徑，非共線(xiàn)互作用AOTF角孔徑的關(guān)系式為：
當θi=θa=90°時(shí)，該式便還原成共線(xiàn)互作用的AOTF角孔徑關(guān)系式[1,9,10]。
圖1.4(a)角孔徑-波長(cháng)曲線(xiàn)；(b)光譜帶寬-波長(cháng)曲線(xiàn)
由圖1.4可以看出，AOTF的角孔徑和光譜帶寬與波長(cháng)均呈正比關(guān)系，因此，角孔徑與光譜帶寬呈正比。對于A(yíng)OTF而言，角孔徑越大越好，光譜帶寬越小越好，因此需要根據實(shí)際應用環(huán)境，對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：
Pd為超聲波的功率密度，l為換能器的長(cháng)度M2為聲光晶體的聲光優(yōu)值[9]。
