張澤紅,王智林,劉 玲,陳永峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

中波(3～5 μm)為大氣窗口，光波衰減小，是光譜成像探測(cè)的常用波段。利用中波聲光可調(diào)濾光器(簡(jiǎn)稱“中波濾光器”)制作的中波光譜成像系統(tǒng)具有凝視成像，光譜分辨率高，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，響應(yīng)速度快，重現(xiàn)性好及環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，其工作方式靈活、方便，工作波長(zhǎng)既可以連續(xù)掃描，也可以針對(duì)多個(gè)特征光譜跳選，還可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)同時(shí)工作，達(dá)到迅速識(shí)別單一波段無(wú)法識(shí)別復(fù)雜目標(biāo)的目的[1]。

1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 光譜范圍、工作頻率與光譜分辨率

氧化碲晶體的聲光優(yōu)值高，是制作聲光可調(diào)濾光器的常用晶體材料，因此，本文采用氧化碲晶體為聲光互作用介質(zhì)材料。為了盡可能多的匯聚光能量，中波濾光器采用具有大角孔徑的非同向工作模式設(shè)計(jì)。根據(jù)入射光偏振模式的不同，非同向大角孔徑聲光可調(diào)濾光器有兩種工作模式，即：

1) e光入射型。入射光為e光(非尋常光)，得到的衍射光為o光(尋常光)。

2) o光入射型。入射光為o光(尋常光)，得到的衍射光為e光(非尋常光)。

根據(jù)偏振光成像分析的需要，本文采用o光入射型工作模式，其波矢量布局如圖1所示[2]。

圖1 o光入射型濾光器的波矢量布局

在圖1中，[001]軸為氧化碲晶體光軸， 圓的半徑是o光的折射率no， 橢圓的長(zhǎng)、短軸分別為e光的折射率ne和o光的折射率no，θd為衍射光極角(衍射光與光軸的夾角，簡(jiǎn)稱“衍射角”)；θi為入射光極角(入射光與光軸的夾角，簡(jiǎn)稱“入射角”)；θa為超聲極角(超聲波與光軸的夾角，簡(jiǎn)稱“超聲角”)。Ki、Kd和Ka分別為入射光波矢量、衍射光波矢量和超聲波矢量，對(duì)于入射o光，Ki、Kd和Ka的相互關(guān)系為

Kd=Ki+Ka

(1)

根據(jù)o光入射型濾光器的非同向大角孔徑理論[2]，衍射e光在晶體內(nèi)的θd為

(2)

(3)

式中nd為衍射e光的折射率，則有：

(4)

θi對(duì)應(yīng)的θa為

(5)

濾出的光波長(zhǎng)λ0與工作頻率f的調(diào)諧關(guān)系為

(6)

衍射e光的光譜分辨率Δλ0為

(7)

式中:b為氧化碲晶體的色散常數(shù)；L為濾光器的聲光互作用長(zhǎng)度。晶體外，衍射e光與入射光的分離角Δθ為

(8)

1.2 孔徑角

o光入射型濾光器的Ki、Kd和Ka的角度關(guān)系如圖2所示。

圖2 波矢量角度關(guān)系

(9)

其中

(sin2θd/no)

(10)

(11)

表1 不同λ0的和

1.3 衍射效率

對(duì)于光孔徑20 mm×20 mm的濾光器，聲波傳輸距離大，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮聲波的衰減影響，因此,采用考慮了聲波衰減系數(shù)的衍射效率公式[3]:

(12)

式中:M2為氧化碲晶體的聲光優(yōu)值;k為換能器機(jī)電耦合系數(shù);H為光孔徑;μ為1 GHz聲波在距離換能器10 mm處的聲波衰減系數(shù)(290 dB/(cm·GHz2));m為光到換能器的距離。

θi對(duì)聲光可調(diào)濾光器的光譜范圍、f、衍射效率(η)、Δθ、Δλ0等參數(shù)的影響均較大。目前成熟的氧化碲晶體長(zhǎng)度為60 mm，制作光孔徑20 mm×20 mm的濾光器能達(dá)到的最佳互作用長(zhǎng)為21 mm。當(dāng)L=21 mm、驅(qū)動(dòng)電功率P=8 W時(shí)，利用式(6)～(8)、(11)可得θi不同時(shí)的光譜范圍、η、Δθ、f和Δλ0，如表2所示。

表2 θi不同時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)

由表2可知，在L和P一定時(shí)，θi越小，衍射效率越高，f越低，Δλ0越大、Δθ越??；反之，θi越大，衍射效率越低，f越高，Δλ0越小，Δθ越大。

器件的Δθ對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的體積影響較大。Δθ越小，需要分開(kāi)衍射光的距離越長(zhǎng)，成像系統(tǒng)的體積越大；反之，Δθ越大，需要分開(kāi)衍射光的距離越短，成像系統(tǒng)的體積越小，因此，為減小成像系統(tǒng)整機(jī)的體積，則Δθ盡可能高。

綜合考慮，θi=20°時(shí)濾光器的衍射效率、Δθ、f與Δλ0為最佳，因此，θi=20°時(shí)，不同λ0對(duì)應(yīng)的f、Δθ及Δλ0如表3所示。

表3 不同λ0對(duì)應(yīng)的f、Δθ及Δλ0

由表3可知，中波濾光器平均分離角為5.279°，3～4.5 μm光譜內(nèi)，最大的角度偏差為0.011°，因此，中波濾光器可不用考慮衍射光角度漂移的問(wèn)題。

利用式(12)可得不同λ0的η(見(jiàn)表4)。由式(12)可知，η與λ0的平方成反比,即λ0越長(zhǎng)，η越小。解決的辦法是隨著λ0的增加而增大P，以彌補(bǔ)η的降低。

表4 不同λ0的衍射效率

由表4可知，λ0對(duì)η的影響較大，雖然P隨著λ0的增加而增大，但η還是隨著λ0的增加而逐漸降低。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們利用單片換能器實(shí)現(xiàn)了3.0～4.5 μm的濾光范圍，實(shí)測(cè)工作頻率為13.9～20.8 MHz。器件外形如圖3所示，驅(qū)動(dòng)器外形如圖4所示。

圖3 器件外形

圖4 驅(qū)動(dòng)器外形

使用上海技術(shù)物理所研制的聲光可調(diào)濾光器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量，濾出的光譜圖形如圖5～7所示。由圖5～7可知，濾出的中心波長(zhǎng)分別為3 000 nm、4 000 nm和4 500 nm，這3個(gè)中心光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的η分別為90.3%、83.6%和64.2%，對(duì)應(yīng)的Δλ0分別為21.8 nm、37.5 nm和43.9 nm。

圖5 中心波長(zhǎng)為3 000 nm的光譜圖形

圖6 中心波長(zhǎng)為4 000 nm的光譜圖形

圖7 中心波長(zhǎng)為4 500 nm的光譜圖形

P≈10 W時(shí)，濾光器的f、η、Δλ0與λ0的關(guān)系如表5所示。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值之間存在一定的差異，差異主要是因?yàn)榫w加工誤差、測(cè)量誤差兩方面。

表5 η、f、Δλ0與λ0的實(shí)測(cè)關(guān)系

續(xù)表

3 分析與結(jié)論