11/01/2024，光纖在線訊，在上一期的小課堂，《聲光可調(diào)諧濾波器及其應(yīng)用連載（一）：聲光可調(diào)諧濾波器原理》中我們?cè)敿?xì)的介紹了聲光可調(diào)諧濾波器的相關(guān)基礎(chǔ)理論和主要性能指標(biāo)，在這一期的連載中我們來(lái)談一談聲光可調(diào)諧濾波器的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用。

1、聲光可調(diào)諧濾波器優(yōu)勢(shì)
      AOTF與傳統(tǒng)分光器件(棱鏡、光柵、液晶)相比具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：
      （1）它體積小，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，抗干擾能力強(qiáng)；
      （2）通光孔徑大，入射角孔徑和輸出孔徑大，非常適合應(yīng)用到成像中；且在調(diào)諧范圍內(nèi)衍射光光譜分辨率和衍射效率都比較高；
      （3）波長(zhǎng)調(diào)諧穩(wěn)定、可靠和且范圍寬；
      （4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作方式靈活多樣，可以利用計(jì)算機(jī)靈活地選取光波長(zhǎng)的線性掃描輸出、隨機(jī)輸出或多波長(zhǎng)混合輸出等方式。
      （5）波長(zhǎng)切換速度快，通常只有幾個(gè)微秒。

2、聲光可調(diào)諧濾波器的應(yīng)用
      由于以上AOTF的優(yōu)勢(shì)，AOTF在快速光譜分析、光譜成像處理、環(huán)境計(jì)算、光計(jì)算、彩色信息處理、相干光源探測(cè)及波分復(fù)用技術(shù)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用^[1-2]。AOTF的光譜分析儀器已經(jīng)在可見光至紅外光譜波段的多個(gè)譜區(qū)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，且在紫外等其他譜區(qū)逐漸發(fā)展；同時(shí)，AOTF技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)儀器的微型化、智能化，對(duì)于工作環(huán)境要求比較低，市場(chǎng)前景廣闊。

（1）光譜分析領(lǐng)域
      在原子分子分析領(lǐng)域，F(xiàn)ulton等，將亞硒酸鹽類AOTF用于電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法^[3]。Gillespie^[4]等，利用同相互作用AOTF擴(kuò)展了該技術(shù)在紫外光譜區(qū)的用途。C.D. Tran等曾將AOTF結(jié)合激光二極管耦合到一個(gè)摻鉺光纖放大器中，用于近紅外分光光度計(jì)分析^[5]。他還采用裝配石英AOTF的高效液相色譜分析檢測(cè)儀分離氯苯。利用AOTF的快速波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換特性,當(dāng)化合物洗脫時(shí)也可以獲得100 nm范圍的光譜。

      在熒光光譜和拉曼光譜分析領(lǐng)域，AOTF可代替熒光分光計(jì)中的激勵(lì)單色儀，用于碳氰染料的檢測(cè)^[6]。Bucher等^[7]人報(bào)道了采用氙氣電弧燈、激發(fā)濾色鏡和一個(gè)AOTF做發(fā)射波長(zhǎng)的選擇，并用該方法檢測(cè)了香豆素、羅丹明染料、對(duì)二甲苯和卟啉。E.N. Lewis 等利用氪激光器和AOTF建立一個(gè)小型中等分辨率的拉曼光譜儀^[8]。關(guān)于激光在拉曼光譜和其他光譜測(cè)量中的應(yīng)用，AOTF也可以用于染料和氣體激光器的電子調(diào)諧和幅度調(diào)制。通過(guò)調(diào)整所使用AOTF的聲功率，可補(bǔ)償在入射光強(qiáng)度中的波動(dòng)^[9]。

      2011 年， 美國(guó)新墨西哥州立大學(xué)和美國(guó)國(guó)家宇航局戈達(dá)德宇宙飛行中心(NASA/Goddard Space Flight Center)聯(lián)合開發(fā)了一個(gè)基于二氧化碲的非共線 AOTF 近紅外點(diǎn)光譜分析儀(point spectrometer )，該儀器主要用來(lái)研究太陽(yáng)系行星的生物樣品和有機(jī)生物痕跡， 其光譜范圍為 1.7~3.4 μm， 光譜分辨率為 4~12 nm，有效通光孔徑為 10 mm×10 mm，圖2.1為該儀器的立體效果示意圖^[10-11]。

      
圖2.1 點(diǎn)光譜分析儀的立體示意圖^[10-11]

（2）光譜成像領(lǐng)域
      AOTF用于光譜成像中，可獲得有關(guān)目標(biāo)的空間、光譜和偏振方面的信息，因其波長(zhǎng)調(diào)諧范圍可以從紫外波段一直到長(zhǎng)波紅外區(qū)域， 且波長(zhǎng)切換速度快， AOTF 作為分光元件的新勢(shì)力， 在最近幾十年得到了高速發(fā)展， 已經(jīng)成為成像傳感系統(tǒng)、空間與地球觀察系統(tǒng)和生物細(xì)胞觀察系統(tǒng)等光譜成像應(yīng)用中不可或缺的核心器件。但AOTF或由于入射光不完全準(zhǔn)直而導(dǎo)致圖像退化，并且圖像隨波長(zhǎng)的變化而變化。這些影響可以通過(guò)遮擋和數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)處理來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償^[12]。H.T. Skinner等研制一套使用AOTF和空間相干超細(xì)光纖探頭的成像系統(tǒng)，它能夠在不清晰視線的情況下獲取拉曼圖像^[13]。該儀器通過(guò)獲取高散射樣品的混合圖像來(lái)測(cè)試的，其分辨率約4 mm。

      2013 年， 嫦娥三號(hào)探測(cè)器在其有效載荷的探測(cè)任務(wù)中， 以TeO₂單晶作為聲光介質(zhì)的非共線 AOTF 在紅外光譜成像儀中扮演了重要的角色，表2.1為嫦娥三號(hào)可見-紅外光譜成像儀的主要技術(shù)指標(biāo)。該光譜儀的主要任務(wù)是獲取月球表面上的可見光波段的波譜信息以及紅外光譜和圖像曲線，主要用來(lái)對(duì)月球表面的礦物組成和分布進(jìn)行研究^[14-15]。來(lái)自月球表面礦物質(zhì)的反射或者輻射光被準(zhǔn)直以后與超聲波在 AOTF 中發(fā)生相互作用以后被探測(cè)器接收，其系統(tǒng)方案如圖2.2所示。

表2.1嫦娥三號(hào)可見-紅外光譜成像儀的主要技術(shù)指標(biāo)^[14-15]

      
      
圖2.2嫦娥三號(hào)中紅外光譜成像儀系統(tǒng)方案^[14-15]

（3）超快激光領(lǐng)域
      超快激光系統(tǒng)中，由于增益窄化和未補(bǔ)償?shù)南辔徽`差，系統(tǒng)中一系列放大結(jié)構(gòu)帶來(lái)的群延遲時(shí)間色散會(huì)加寬輸出信號(hào)的脈寬。因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)化系統(tǒng)的性能。通常采用在激光腔內(nèi)加入棱鏡對(duì)^[16]、干涉儀或色散鏡來(lái)進(jìn)行色散補(bǔ)償，但這些方式只可對(duì)部分色散進(jìn)行補(bǔ)償，且不可編程。為了進(jìn)一步縮短光信號(hào)脈寬，需要在寬帶范圍內(nèi)能補(bǔ)償大量色散的可編程裝置，同時(shí)能提供振幅整形以獲得高的對(duì)比度。1993年Fermann提出了一種聲光可調(diào)諧濾波器對(duì)脈沖進(jìn)行整形^[17]。1997年Tournois提出一種可編程的聲光色散濾波器(AOPDF)^[18]，具有大范圍的色散補(bǔ)償，并首次實(shí)驗(yàn)證明了在100 fs范圍內(nèi)用TeO₂聲光濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)Ti:S飛秒脈沖壓縮，所采用的聲光濾波器是基于準(zhǔn)共線設(shè)計(jì)的。隨后，科學(xué)家們對(duì)可編程聲光色散濾波器展開了一系列研究^[19-21]，如圖2.3所示為基于可編程聲光色散濾波器的光放大系統(tǒng)。

      
圖2.3 基于可編程聲光色散濾波器的光放大系統(tǒng)

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