[发明专利]声光色散滤光片

说明书

本发明涉及可同时监测两个或两个以上光波长的装置和方法，特别是同时监测两个或两个以上光波长的方法及实施该方法的装置。本发明是一种声光色散滤光片（AODLF），它是一种可用电子学方法调节的分光器件，用一个固定的激励频率可同时监测许多波长。本发明光谱范围约为一个倍频程，其中心波长可通过改变射频频率（RF）而任意选择。在红外波段，这种声光色散滤光片的分辨率为数千左右，而且也可以用电子学方法加以调节。本发明的方法和装置对于检测和分析例如短的光脉冲是极为有用的。

声光可调谐滤光片（AODLF）长期以来被认为是一种在大的光谱带宽内用全固态器件快速分析光的有效途径。声光可调谐滤光片的优点之一是它具有大的孔径角和高的光谱分辨率，这使它能很好地用于可见光和红外波段。然而，声光可调谐滤光片在本质上只是一个单通道的器件，即，在其正常工作状态下，一次只能通过一个波长分辨单元，虽然也可以在大约几十微秒的时间内分几次随机存取多种这样的单元。但这一随机存取时间却被声波通过光学孔径的传输时间所限制。因而，滤过的光照射到一个单一的检测元件上，光谱扫描则由外加射频源的线性时间扫描来完成，在等幅波（CW）或光信号变化很慢的情况下，这种光谱扫描是令人满意的，因为这时在射频波段完成一个全扫描的期间内，光的成份保持不变。然而，在有脉冲光信号存在的情况下，会使事情变得复杂化，这时，除非在光脉冲通过的时刻在光阑中有适当的声调谐频率，否则这个光脉冲就会被漏检。因此要想在不知道光脉冲何时到达的情况下，检测出一个已知波长的光，就必须用相应的同一射频频率激励声光可调谐滤光片。这种方法也可以用来检测几个波长，但这时必须把 相应于每一个波长的激励频率同时加到该声光可调谐滤光片上。在这种情况下，要确定所检测到的波长究竟是它们之中的哪一个，就需要将每一激励频率的宽度限定在几个光脉冲的范围内。工作在降低了的脉宽比会导致检测率下降。这些困难使人们开始考虑利用在实质上是多通道的声光技术的可能性，从而使该器件可以同时接收所有待分辨的波长单元。

本发明的目的就是提供一种声光色散光分析器，这是一种可用电子学方法调节的分光器件，用一固定的激励频率，可同时监测许多波长。本发明同时还提供这种声光器件的技术，以获得上述结果。

声光色散滤光片的功能与固定光栅非常相似，但有几点重要的差别，这些差别在某些应用中是非常有利的。最主要的两个差别是声光色散滤光片的可调谐性及其双折射作用。普通光栅在光学上是各向同性的（即：衍射光的偏振方向没有改变），这种光栅必须进行闪耀才能将衍射光聚焦到一个单一的光谱级中，然而，声光色散滤光片的双折射则只产生一个光谱级。由于固定光栅是各向同性的，所以，一个带有闪耀的孔径角比声光色散滤光片的孔径角将受到更大的限制，因而其光谱范围也更加有限。在固定光栅中，要想较大地改变光谱带中心需要用机械方法改变入射角，而对声光色散滤光片，要改变光谱带中心只需简单地改变射频频率即可，而无需改变入射角。因此，本发明的声光色散滤光片所具有的独特的特点，是光栅常数可用电子学的方法调谐，从而提高操作的灵活性，例如可较大的改变光谱范围。用电子学方法调谐也使得很容易对光信号进行频率调制，以便进行衍生光谱学（derivative    spectroscopy）的工作，这可以改善一恒定信号频谱的信噪比。

众所周知，原则上可以使用在扫描和偏转中所采用的最简单的声光布喇格（AO    Bragg）衍射来实现一个光谱分析仪。然而，这种简单的方法受到很大的限制。在理想情况下，这种仪器应以如下方式工作：待分析的光以某一固定角度入射到声光盒上，这个入射角在整个光 谱范围内保持不变且具有足够大的角孔径;声光盒用一固定等幅射频激励，从而使之具有均一的截获几率，且尽可能的以近乎100%的效率获得最大灵敏度;每一波长分辨单元将以不同的衍射角从声光盒出射出来，从而可以采用位于本系统的聚焦平面上的探测器阵列对入射光进行空间分析;光谱范围和分辨率可用电子学方法加以控制，因此，在其操作过程中，不需要进行机械调节。

在最简单的结构中，即低频或Raman-Nath衍射模式中，光波长λ、声波长∧＝V/f以及干涉长度L之间必须满足：

4Lλ/∧²≡Q＜＜l （1）

式中，V是声波速度，f是声波频率。在满足上述条件的前提下，与声波传播方向垂直的入射光，将以布喇格角（Bragg    angle）θB按照下述公式：

Sin    nθB＝nλ/∧＝nλf/∨    （2）