旋光性對AOTF性能的影響VIP

福 建 師 范 大 學(xué) 應(yīng) 用 科 技 學(xué) 院學(xué) 生 論 文論文題目:旋光性對AOTF性能的影響指導(dǎo)教師： 張春光 學(xué) 號： 120352010032 姓 名： 翁曉青 年 級： 2010級 專 業(yè)： 電子信息工程 二0一四 年 五 月 十 日1旋光性對AOTF性能的影響福建師范大學(xué)應(yīng)用科技學(xué)院 電子信息工程專業(yè)120352010032 翁曉青 指導(dǎo)老師 王號【摘要】物質(zhì)旋光性的發(fā)現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實意義，尤其是在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。因為活機體中幾乎所有的化合物都含有不對稱的碳原子。而且，活機體總是只利用化合物的兩種鏡像形態(tài)中的一種。物質(zhì)旋光性的發(fā)現(xiàn)讓我們進一步認識了自己，認識了我們周圍的世界。聲光可調(diào)濾波器是利用超聲波與光信號在透明介質(zhì)中的互相作用來工作的，聲光可調(diào)濾波器：Acousto-Optics Tunable Filter，簡稱AOTF，是聲光器件的新產(chǎn)品，是一種新型的分光器件。首先，本文對旋光性和聲光可調(diào)濾波器的概念以及它們的進展過程做了介紹。在此基礎(chǔ)上，明確了本文的主要研究和意義。第二，本文介紹了旋光性判斷方法和聲光可調(diào)濾波器（AOTF）的工作原理。AOTF是依賴于反常聲光布拉格衍射工作的聲光器件。這些知識介紹為后文奠定了基礎(chǔ)。第三，本文研究了材料特性對聲光可調(diào)濾波器頻率調(diào)諧關(guān)系的影響。旋光性對調(diào)諧關(guān)系的影響，并分析和比較傳統(tǒng)的調(diào)諧方式，進一步地通過多個角度對比和分析3種頻率調(diào)諧關(guān)系，得到入射光極角f和入射光波o對超聲頻率影響的規(guī)律。第四，本文對非同向互作用聲光可調(diào)諧濾波器的立體角孔徑基本原理做了介紹以及研究對不同的的立體角孔徑計算同時還考慮了極角變化i和方位角變化i對非同向互作用聲光可調(diào)濾波器性能的影響。得出光線入射角取小于54.74的較小值或大于54.74的較大值時，立體角孔徑將分別取閉合的近似橢圓包絡(luò)或非閉合的近似雙曲線形。本文綜合開展了旋光性對聲光可調(diào)濾波器（AOTF）性能的影響的相關(guān)理論的研究。通過研究得出旋光性對調(diào)諧關(guān)系的影響、對線寬的影響和角孔徑的影響機制和規(guī)律。這對更好地改善AOTF的光譜分辨率性能具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義?！娟P(guān)鍵字】 旋光性；聲光可調(diào)濾波器；頻率調(diào)諧；線寬；角孔徑The influence of the optical activity of AOTFCollege of Applied Science and Technology Fujian Normal UniversityElectronic And Information Engineering 120352010032 Wen xiao qing Tutor: Wang Hao Abstract Optically active substances findings have important practical significance , especially in the life sciences and medicine. Because almost all of the living organism containing compounds have asymmetric carbon atoms . Moreover , using only two living body is always mirrored in a form of the compound . Optically active substances found to further our understanding of ourselves, understanding the world around us . AOTF is the use of ultrasound and optical signals interact in a transparent medium to work, acousto-optic tunable filters : Acousto-Optics Tunable Filter, referred to as the AOTF, acousto-optic device is a new product , is a the new spectroscopic devices. Firstly, the optical activity of the acousto-optic tunable filter concepts and their progression introduced. On this basis , a clear sense of the main research and this article.Second, the article describes the method for determining the optical properties of light and sound tunable filter (AOTF) works. AOTF is dependent on the acousto-optic Bragg diffraction abnormal working acousto-optic devices . This knowledge was later introduced the foundation .Third , we study the effects of material properties on the acousto-optic tunable filter frequency tuning relations. Affect the tuning of the relationship between the optical and the analysis and comparison of traditional tuning mode , through a plurality of angles further comparative analysis of three kinds of frequency tuning and relationships give f and polar angle of the incident light incident on the frequency of the ultrasonic wave o law .Fourth , the paper solid angle aperture to the basic principles of an unusual interaction acousto-optic tunable filter made the introduction and study of the solid angle of aperture different calculation also takes into account changes in the polar angle and azimuth change i on i unusual to affect the interaction of acousto-optic tunable filter performance . Take a smaller angle of incidence of light arriving at a value less than or greater than 54.74 54.74 larger value , the solid angle of aperture closure will take approximately elliptical envelope approximation of non- hyperbolic closed .This paper conducted a comprehensive study of the optical properties of the acousto-optic tunable filters affect (AOTF) performance of the underlying theory. Obtained by studying the impact of optically tunable relations, the impact on the width and angle of aperture of the impact mechanism and laws . This has practical significance to improve the spectral resolution of better performance of the AOTF .Keyword optical rotation; acousto-optic tunable filter; frequency tuning; linewidth; angular aperture1目 錄1 緒 論11.1 引言11.2 旋光性發(fā)展歷史11.3 聲光可調(diào)濾波器進展11.4 本論文的研究內(nèi)容和意義22 旋光性與聲光可調(diào)濾波器基本理論32.1 引言32.2 分子旋光性的概念32.3 旋光性的判斷方法32.4 聲光可調(diào)濾波器原理32.5 本章小結(jié)43 材料特性對AOTF頻率調(diào)諧關(guān)系的影響53.1 引言53.2 超聲頻率與入射光波長的調(diào)諧關(guān)系53.3在有旋光性條件下的超聲頻率與入射光波的關(guān)系63.4 傳統(tǒng)的超聲頻率與入射光波長調(diào)諧關(guān)系83.5不考慮旋光性的情況下超聲頻率與入射光波長的關(guān)系93.5 本章小結(jié)114 超聲頻率fa與線寬的關(guān)系124.1有旋光性時超聲頻率與線寬的關(guān)系124.2無旋光性時超聲頻率與線寬的關(guān)系134.3 本章小結(jié)155 非同向互作用聲光可調(diào)諧濾波器的立體角孔徑165.1 引言165.2 非同向互作用聲光可調(diào)諧濾波器的立體角孔徑基本原理165.3 在有、無旋光性的情況下的角孔勁175.4 本章小結(jié)18結(jié)論語19參考文獻201 緒 論1.1 引言近幾年來，我們知道聲光可調(diào)濾波器的基本理論知識相應(yīng)成熟，進而我們會對各項性能及設(shè)計理論逐漸熟悉，并且應(yīng)用在多個領(lǐng)域。在AOTF分光原理基礎(chǔ)上，聲光可調(diào)濾波器與其他傳統(tǒng)分光元件相比有比較突出的優(yōu)點，譬如衍射效率高，通光孔徑大，調(diào)諧范圍寬和光譜掃面速度快等。TeO2晶體具有三個特性分別為：色散性、雙折射性和旋光特性，這三個特性對AOTF的基本設(shè)計的影響是不可忽略的，因此不能忽略TeO2晶體的旋光特性對AOTF的影響。本文研究AOTF調(diào)諧、線寬和立體角孔徑之間的關(guān)系?；诜枪簿€聲光作用關(guān)系，考慮TeO2聲光材料的特性，得出超聲頻率與入射光波長的調(diào)諧關(guān)系的表達形式和關(guān)系圖，并分析和比較先前的傳統(tǒng)調(diào)諧公式，和給出了超聲頻率與線寬關(guān)系圖以及比較有無旋光性時AOTF的立體角孔徑變化。1.2 旋光性發(fā)展歷史1815年，畢奧（法國物理學(xué)家）發(fā)現(xiàn)當平面偏振光通過石英晶體時，偏振面會轉(zhuǎn)動。即光以波浪進入一個平面又從另一個平面以波浪形射出。1844年，巴斯德發(fā)現(xiàn)酒石酸和外消旋酸具有相同的化學(xué)成分，但外消旋酸和酒石酸卻不一樣。因為外消旋酸不能使偏振光的振動平面轉(zhuǎn)動，而酒石酸卻能。觀察這兩組鹽的晶體，發(fā)現(xiàn)兩二者均為不對稱。然而，外消旋酸鹽晶體有兩種不對稱性的形式：一半晶體與酒石酸鹽晶體的形狀相同，另一半則為鏡像。即外消旋酸鹽的晶體一半是左旋，一半是右旋。1863年，維斯利采努斯（德國化學(xué)家）發(fā)現(xiàn)，乳酸（酸奶中的酸）能形成鏡像化合物。這進一步證明除了對偏振光所產(chǎn)生的作用不同外，這兩種乳酸的其他性質(zhì)完全一樣，。1874年，勒貝爾與范托夫分別提出了關(guān)于碳的價鍵的新理論，解答了鏡像分子的構(gòu)成問題。1.3 聲光可調(diào)濾波器進展聲光可調(diào)濾波器：Acousto-Optics Tunable Filter，簡稱AOTF，是聲光器件的新產(chǎn)品，是一種新型的分光器件。聲光可調(diào)濾波器利用了超聲波與光信號在透明介質(zhì)中的互相作用工作的。最初由SEHarris和RWwallace1提出，并由SEHarris、STKNieh和DKWinslow2通過實驗驗證，之后經(jīng)ICChang及AWatanable的工作使其走向?qū)嵱?。?969年，SEHarris等最初提出了AOTF工作在可見光波段和聲光互相作用條件下發(fā)生聲波矢共線，成為共線型AOTF。能滿足這種條件的聲光晶體不多，并且器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這樣它的應(yīng)用就受到很多限制。隨著聲光互相作用理論的發(fā)展， AOTF從共線方式已發(fā)展到非共線方式，在設(shè)計上表現(xiàn)非常靈活；工作波段也從可見光（0.4-0.75um）擴展到紫外（0.24-0.4um）、近紅外（1.0-16um）、中紅外（2.0-5.0um）以及紅外（10.6-18um）等波段，因此應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛3聲光可調(diào)濾波器受到各領(lǐng)域的重視。在各方面條件限制，國內(nèi)許多從人員大多只能從理論上探討，基本上在可見光波段，研究聲光可調(diào)濾波器的工作原理和性能分析。許多聲光器件的研制仍受到固體材料、設(shè)計方法特別是加工工藝技術(shù)等方面的限制。由于聲光可調(diào)濾波器在寬的波長范圍內(nèi)能提供快速的電調(diào)諧光源而在動態(tài)光譜分析、光譜成像、光計算、輻射光譜測量、光探測、多譜影像、Raman散射測量、分光儀等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，并且在電子對抗的信號處理中具有很大潛力。面對現(xiàn)代通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，光纖技術(shù)的應(yīng)用逐漸廣泛，而在光通訊中聲光可調(diào)諧濾波器占有著重要地位，如波分復(fù)用(WDM)的局域網(wǎng)作為多通道變換（Switching）、路由（Routing）、分配（Distribution）、分集（Segreg-ation）和用戶收發(fā)多路器（ADM Add-Drop-Multiplexer）等。由于它的快速連續(xù)可調(diào)諧等優(yōu)點是其他一些光學(xué)器件所不能比擬的，它將在以后的光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。AOTF是通過調(diào)諧電信號的頻率從寬光譜光（復(fù)色光）中濾出所需光譜成分。與一般色散元件相比，AOTF具有以下特點:(1) 輸出光譜切換速度快，切換時間僅幾微秒，因此易實現(xiàn)光信號的快速光譜分析；(2) 可工作在單點、連續(xù)掃描、隨機掃描和多點方式適合于多光譜成像、超光譜成像系統(tǒng)；(3) 通過電信號進行調(diào)諧，實際使用中計算機易于控制盒系統(tǒng)集成；(4) 在成像/非成像光譜儀應(yīng)用中大角孔徑特征很重要；(5) 光學(xué)系統(tǒng)無移動部件，波長重現(xiàn)性好，環(huán)境適應(yīng)性強，適用于機載、星載系統(tǒng)。1.4 本論文的研究內(nèi)容和意義本文綜合開展了旋光性對聲光可調(diào)濾波器（AOTF）性能的影響的相關(guān)理論的研究。對旋光性和AOTF的原理與發(fā)展歷史大概了解。通過研究得出旋光性對調(diào)諧關(guān)系的影響、對線寬的影響和角孔徑的影響機制和規(guī)律。分析對比有旋光性與無旋光性的情況下的線寬變化等不同。242 旋光性與聲光可調(diào)濾波器基本理論2.1 引言發(fā)現(xiàn)物質(zhì)旋光性具有重要的現(xiàn)實意義，尤其是在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。因為活機體中大部分的化合物都含有不對稱的碳原子。而且，活機體總是只利用化合物的兩種鏡像形態(tài)中的一種。物質(zhì)旋光性的發(fā)現(xiàn)讓我們進一步認識了自己，認識了我們周圍的世界。聲光可調(diào)濾波器這種反常布拉格衍射器件能夠以很高的速度進行電調(diào)諧并具有很大的角孔徑（即集光能力），可獲得大視場和高分辨率，在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，能夠完成一般色散元件所無法完成的任務(wù)。2.2 分子旋光性的概念物質(zhì)有種性質(zhì)稱之為旋光性也叫光學(xué)活性。是指在可見光范圍內(nèi)的平面偏振光（一般指鈉光，D線）穿過某些固體，液體或氣體化合物以及它們的溶液時，偏振光的偏振面會向左或向右旋轉(zhuǎn)一定的角度。分子的旋光性：當光通過含有某物質(zhì)的溶液時，使得經(jīng)過此物質(zhì)的偏振光平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。因為物質(zhì)內(nèi)存在不對稱碳原子或整個分子不對稱，所以它可通過存在鏡像形式的物質(zhì)顯示出來。正是這種不對稱性，物質(zhì)對偏振光平面有不同的折射率，才表現(xiàn)出向左或向右的旋光性。我們可以這個特性對物質(zhì)（如某些糖類）進行定性或定量的分析。2.3 旋光性的判斷方法平面振動的光稱為平面偏振光，簡稱偏振光。是指當普通光通過一個偏振的透鏡或尼科爾棱鏡（Nicol prism）時，一部分光就被擋住了，只有振動方向與棱鏡軸平行的光才能通過。當平面偏振面通過手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋轉(zhuǎn)了一個角度，向右旋轉(zhuǎn)稱為右旋物質(zhì)（+）；向左旋轉(zhuǎn)稱為左旋物質(zhì)（-）。螺旋型分子都是手性分子，手性化合物都具有旋光性，旋光方向與螺旋方向一致，匝數(shù)與旋光度成正比關(guān)系，螺距旋光度成反比關(guān)系，分子旋光度是螺旋旋光度的代數(shù)和。一個分子擁有不同的手性碳原子時，有一個手性碳就有一對對映異構(gòu)體，有兩個手性碳就有兩對，意思是2*2個；若有n個手性碳就有2*n個旋光異構(gòu)體（或?qū)τ钞悩?gòu)體），對映異構(gòu)體的對數(shù)為2*n-1。2.4 聲光可調(diào)濾波器原理在寬光譜范圍內(nèi)，對一個固定的聲頻，只有很窄的光頻帶能近似地滿足動量匹配條件而發(fā)生衍射。這個頻帶稱之為光學(xué)通帶，光學(xué)通帶中心對應(yīng)于被衍射的光波長。改變輸入電信號的頻率時，衍射光波長隨之改變，即衍射光的波長隨輸入信號頻率而改變，這就是聲光調(diào)諧濾光器的原理，如圖2.1所示。在介質(zhì)中傳播的超聲波引起介質(zhì)折射率周期性變化。圖2.1 聲光可調(diào)濾波器工作示意圖2.5 本章小結(jié)本章介紹了旋光性的判斷方法對聲光可調(diào)濾波器的發(fā)展和AOTF的原理做了簡單的介紹。知道AOTF在生物醫(yī)學(xué)、軍事上、農(nóng)業(yè)上、地址勘探、空間遙感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景很高的使用價值。3 材料特性對AOTF頻率調(diào)諧關(guān)系的影響3.1 引言AOTF是一種聲光器件，是利用各向異性介質(zhì)中的反常布拉格衍射理論的。它在光譜分析以及光譜成像等眾多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛1-6。當入射光在晶體中傳播的超聲波作用下發(fā)生布拉格衍射時，衍射光的波長與驅(qū)動電信號的頻率一一對應(yīng)；改變驅(qū)動電信號的頻率即可改變衍射光的波長。通過頻率調(diào)諧關(guān)系，可利用加載的超聲頻率信息，來把握AOTF輸出光信號的光譜學(xué)信息。因此，根據(jù)實際應(yīng)用的情況，明確超聲頻率與入射光波長的調(diào)諧關(guān)系的表達形式以及調(diào)諧關(guān)系的影響因素，是很有研究的必要性。本文以二氧化碲（TeO2）非共線AOTF為研究對象，研究了聲光材料的雙折射特性和旋光特性對調(diào)諧關(guān)系的綜合影響，給出了頻率調(diào)諧關(guān)系的表達形式，為AOTF性能的完善提供了避孕藥的技術(shù)支持。3.2 超聲頻率與入射光波長的調(diào)諧關(guān)系以非共線聲光作用關(guān)系作為出發(fā)點，考慮TeO2聲光材料特性，分析比較現(xiàn)在超聲頻率與入射光波長的調(diào)諧關(guān)系的表達形式與傳統(tǒng)的調(diào)諧公式。超聲頻率與入射光波長調(diào)諧關(guān)系的導(dǎo)出：圖3.1給出了TeO2非共線AOTF內(nèi)非共線聲光作用的矢量布局。對于TeO2聲光材料，它具有雙折射特性和旋光特性。對于一般的入射光方向，TeO2晶體內(nèi)存在分別右旋橢圓偏振模式（右旋e光）和左旋橢圓偏振模式（左旋o光）兩個本征振動模式。以下對列出入射光波矢Ki、衍射光波矢Kd和超聲波矢K的大小關(guān)系式為：Ki=2ni/o,Kd=2nd/o,K=2f/V (3-1)式（3-1）中，o為真空中的光波長，ni和nd分別為晶體內(nèi)的入射光折射率和衍射光折射率，f和V分別為超聲波頻率和聲速。聲速可由V（）=（Vss2sin2+Vfs2cos2）0.5計算，Vss為617m/s,Vfs為2104m/s12。為超聲極角，是超聲方向與光軸的夾角。Ki、Kd 和K之間滿足三角形閉合條件：Ki +K= Kd。對選定的超聲波矢K，對應(yīng)的入射光波矢Ki和衍射光波矢Kd要求滿足動量匹配切線平行條件，即入射光波矢和衍射光波矢在對應(yīng)波矢曲面的切面相互平行。設(shè)衍射光為左旋o光、入射光為右旋e光、衍射光折率nd和入射光折率ni分別滿足：ni=cos2i/no2(1+)2+sin2i/ne2-1/2 （3-2）nd=cos2i/no2(1-)2+sin2d/no2-1/2式（3-2）中，i為入射光極角，表示入射光方向與光軸的夾角。入射光折射率和衍射光折射率均與方向有關(guān)，這體現(xiàn)了聲光晶體的雙折射特性。是一個與晶體旋光率以及光波長o有光的量，體現(xiàn)了聲光晶體的旋光特性13.同時，入射光折率和衍射光折率均與方向有關(guān)，體現(xiàn)了聲光晶體的雙折射特性。由賽耳邁耶爾方程描述：no和ne都是光波長的函數(shù)，分別表示垂直于光軸方向上的o光和e光的折射率。由動量匹配條件得： tan(-)=(ni sini - nd sind)/( ni cosi - nd cosd) （3-3）d為衍射光極角。再由切線平行條件， tand=(no/ne)2(1+)2/(1-)2 tani (3-4）圖3.1聲光作用的矢量布局- 非共線（忽略TeO2晶體的旋光性）由圖3.1所示幾何關(guān)系和切線平行動量匹配關(guān)系，非共線聲光作用關(guān)系為：tan(-)= tanino4ne2(1+)6 tan2i +ne6(1-6)-1/2-no4(1+)6tan2+no4ne2(1+4)1/2/no4ne2(1+)6 tan2i +ne6(1-6)-1/2- no2ne4(1-)4(1+) 2tan2i +ne6(1-4)1/2(3-5)根據(jù)確定的超聲方向，可以用（3-5）來判斷入射光方向。由Ki、Kd 和K之間滿足三角形閉合條件，再利用余弦定理可得：（K）2=（Ki）2+（Kd）2-2kikdcos(i-d) (3-6)把（3-1）代入（3-6），得到超聲頻率調(diào)諧公式： f=（V/o）ni2+nd2-2nindcos(i-d)1/2 (3-7)分析（3-7）式，為頻率調(diào)諧關(guān)系。根據(jù)以上非共線聲光作用理論，對于完成設(shè)計的AOTF,超聲頻率f與入射光波o之間的確存在一一對應(yīng)關(guān)系。調(diào)節(jié)超聲頻率f，可改變?nèi)肷涔獠╫。3.3在有旋光性條件下的超聲頻率與入射光波的關(guān)系以下圖3.2-圖3.11給出具體的圖像變化。圖3.12是從圖3.2-3.11得出的結(jié)論圖，可以看出越大f越小，f與成反比關(guān)系。 圖3.2 fa=82.01MHZ =5.77um，線寬為1.76cm 圖3.3當fa=81.74MHZ o=5.80um，線寬為1.80cm圖3.4 fa=80.37MHZ o=5.87um，線寬為1.81cm圖3.5fa=79.63MHZ o=5.93um，線寬為1.85cm圖3.6fa=79.09MHZ o=5.95um,線寬為1.90cm 圖3.7fa=78.63MHZ o=5.97um，線寬為1.91cm圖3.8fa=78.02MHZ o=6.01um，線寬為1.92cm 圖3.9 fa=77.42MHZ o=6.04um，線寬為1.95cm圖3.10 fa=77.37MHZ o=6.06um，線寬為1.96cm 圖3.11 fa=77.17MHZ o=6.06um，線寬為1.99cm圖3.12超聲頻率f與入射光波的關(guān)系圖3.4 傳統(tǒng)的超聲頻率與入射光波長調(diào)諧關(guān)系對于AOTF的設(shè)計，前人為了簡化設(shè)計以及理論設(shè)計理解的方便，僅僅考慮了TeO2晶體的雙折射特性，而忽略了TeO2晶體的旋光性。這導(dǎo)致前人傳統(tǒng)的聲光作用關(guān)系在表達上與本文作者給出的相關(guān)結(jié)果（2.1節(jié)）存在一定差別，這種差別也體現(xiàn)在超聲頻率調(diào)諧關(guān)系的表達式上是有所不同。圖3.13為TeO2非共線AOTF內(nèi)的聲光作用矢量布局（忽略聲光晶體的旋光性）。在聲光作用面內(nèi)光波存在兩種本征模式e光和o光的波面是在光軸方向相切的橢圓與圓。Ki、Kd 和K之間滿足三角形閉合條件和動量匹配切線平行條件。圖3.13非共線聲光作用的矢量布局（忽略TeO2晶體的旋光性）關(guān)系式（3-1）Ki、Kd和K的大小仍滿足。設(shè)入射光為e光，衍射光為o光，如圖3.13，入射光折射率ni和衍射光折射率nd的波面分別為橢圓和圓，大小為：ni=（cos2i/no2+sin2i/ne2）-1/2 （3-8）nd=no （3-9）由平行切線條件，tand=（no/ne）2 tani （3-10）引入=（ne-no）/no因子，忽略2以上項，給出ni的一級近似式：nino（1+sin2i） （3-11）再利用動量匹配條件（3-3），可得超聲極角與入射光極角i的關(guān)系tan(-)=-（2+tan2i）/ tani （3-12）由三角形余弦定理，并利用式（3-9）和（3-11），得到超聲頻率f與衍射光波長o的調(diào)諧關(guān)系：f=（V/o）（ne2-no2）（sin4i+sin2i）1/2（3-13）式(3-12)和式（3-13）給出的聲光作用關(guān)系，代表了I.C.Chang的在1974年提出的非共線AOTF的設(shè)計理論,該理論對AOTF的發(fā)展有極大的推動作用14。此后，P.A.Gass15在1991年在I.C.Chang設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，為提高設(shè)計精度，給出了Gass設(shè)計理論。Gass對綠林的改進是源于對入射折射率的一般表達式（3-8）代替一級近似式（3-11）。相應(yīng)的超聲極角與入射光極角i的關(guān)系與超聲頻率調(diào)諧關(guān)系分別為：tan(-)=-2+tan2i+(4- tan2i)/ tani（3-14）f=（VBi/o）Ci+Ci2(no/ne)2-1Di1/2（3-15）其中，Bi=（cos2i/no2+sin2i/ne2）-1/2 Ci=-cos(i-) Di=sin2i3.5不考慮旋光性的情況下超聲頻率與入射光波長的關(guān)系在3.3節(jié)中考慮了有旋光性時的超聲頻率和入射光波的關(guān)系，本節(jié)忽略旋光性時的超聲頻率與入射光波的關(guān)系，從圖3.24到圖3.18是當=0時，改變fa得出的變化，從這10個圖得出圖3.18超聲頻率與入射光波長的關(guān)系是非線性關(guān)系。圖3.13fa=82MHZ，=5.58um，線寬為1.77cm圖3.14fa=81.67MHZ，=5.79um，線寬為1.81cm圖3.15fa=81.08MHZ，=5.83um，線寬為1.85圖3.16fa=80.54MHZ，=5.85um，線寬為1.90cm圖3.17fa=79.69MHZ，=5.88um，線寬為1.91cm圖3.18fa=79.03MHZ，=5.95um，線寬為1.95cm圖3.19fa=78.21MHZ，=5.99um，線寬為1.99cm圖3.20fa=78.02MHZ，=6.01um，線寬為2.01cm圖3.21fa=77.74MHZZ，=6.03um，線寬為2.03圖3.22fa=77.17MHZ，=6.07um，線寬為2.04cm圖3.23不考慮旋光性時，超聲頻率與入射光波的關(guān)系圖圖3.24無旋光性時，超聲頻率與濾波線寬的關(guān)系圖3.25有旋光性時，超聲頻率與濾波線寬的關(guān)系從上可得出結(jié)論：圖3.24和圖3.25相比有旋光性時的濾波線寬比無旋光性時的濾波線寬小。3.5 本章小結(jié)超聲頻率與入射光波波長的調(diào)諧關(guān)系是非共線AOTF 設(shè)計和使用中重要的表達式之一，通過加載的超聲頻率信息來判斷AOTF的相關(guān)光譜學(xué)信息的性能和準確性。本文從非共線AOTF的基本工作原理出發(fā)，給出了綜合考慮TeO2聲光材料自身的雙折射和旋光特性情況下的超聲頻率調(diào)諧關(guān)系式；同時分析了前人在適當近似下得到的2種超聲頻率調(diào)諧關(guān)系理論。近一步地，通過多個角度對比和分析3種頻率調(diào)諧關(guān)系，討論了聲光晶體的材料特性對超聲頻率調(diào)諧關(guān)系的影響，得到了入射光極角和入射光波長對超聲頻率產(chǎn)生影響的具體規(guī)律。研究說明，在不同的精度要求下，應(yīng)當結(jié)合聲光材料自身特性和實際應(yīng)用需要采用適當?shù)某曨l率關(guān)系。在有旋光性的條件下可以看出超聲頻率與入射光波矢呈線性關(guān)系，且是反比的關(guān)系。相比無旋光時，超聲頻率與入射光波的關(guān)系可以得出無旋光性情況下的變化呈非線性關(guān)系但還是成反比關(guān)系。4 超聲頻率fa與線寬的關(guān)系4.1有旋光性時超聲頻率與線寬的關(guān)系 圖4.1 fa=82.17*106，線寬為1.52cm 圖4.2 fa=81.77*106，線寬為1.57cm 圖4.3 fa=81.46*106，線寬為1.61cm 圖4.4 fa=80.67*106，線寬為1.69cm 圖4.5 fa=80.02*106，線寬為1.71cm 圖4.6 fa=79.66*106，線寬為1.80cm 圖4.7 fa=79.42*106，線寬為1.83cm 圖4.8 fa=78.78*106，線寬為1.84cm 圖4.9 fa=78.18*106，線寬為1.86cm 圖4.10 fa=77.52*106，線寬為1.87cm圖4.11超聲頻率fa與線寬關(guān)系從圖4.1-圖4.10的變化規(guī)律可得超聲頻率與線寬的關(guān)系（圖4.11），可以看出超聲頻率與線寬成反比關(guān)系。4.2無旋光性時超聲頻率與線寬的關(guān)系圖4.12 =0，fa=82.68*106，線寬為1.75cm圖4.13 =0，fa=81.91*106，線寬為1.76cm圖4.14 =0，fa=80.45*106，線寬為1.83cm圖4.15 =0，fa=79.95*106，線寬為1.84cm圖4.16 =0，fa=79.14*106，線寬為1.91cm 圖4.17 =0，fa=78.36*106，線寬為1.96cm圖4.18=0，fa=78.06*106，線寬為1.98cm 圖4.19 =0，fa=77.87*106，線寬為2.01cm圖4.20=0，fa=77.49*106，線寬為2.02cm 圖4.21 =0，fa=77.19*106，線寬為2.03cm圖4.22 =0，fa超聲頻率與線寬關(guān)系在不考慮旋光性的條件下，從圖4.12到圖4.21的變化可以得出超聲頻率與線寬的關(guān)系（圖4.22）是成反比關(guān)系且是呈非線性的。4.3 本章小結(jié)從圖4.1到圖4.10可以看出超聲頻率與線寬的變化是呈非線性的且是反比關(guān)系，這是考慮有旋光性的條件下。從圖4.12到圖4.21可以看出超聲頻率與線寬的變化是呈非線性的且是反比關(guān)系，這是考慮無旋光性的條件下。相比在不考慮旋光性的條件下fa與線寬變化更明顯些。5 非同向互作用聲光可調(diào)諧濾波器的立體角孔徑5.1 引言AOTF是利用同向聲光互作用，即入射光和出射光基本上在同一方向18。雖然同向聲光互作用AOTF具有比較好的性能，例如較大的入射光角孔徑和較高的光譜分辨率，但是并非在任何情況下都可以實現(xiàn)同向聲光互作用19,如利用TeO2的慢切辯駁就不能實現(xiàn)同向聲光互作用。為此，I.C.Chang提出了一種新的波矢量布局方案20，即所謂的“切面平行條件”，即在非同向聲光互作用時，仍能夠同時保持大的入射光角孔徑和高的光譜分辨率。衡量AOTF性能的主要三個指標有：（1）光譜分辨率；（2）集光能力或入射光角孔徑；（3）聲光衍射效率。盡管采用TeO2晶體的非同向互作用AOTF早已進入實用階段，但對以往進行分析時只考慮入射光的極角變化i、方位角變化i和波長變化中某一值改變時對AOTF性能的影響，因而在考慮入射光角孔徑時，只能得到沿極角方向和沿方位角方向的角孔徑。而不能得到沿任意方向的立體角孔徑21-23。本文將綜合考慮i和i的影響，為此給出立體角光孔徑。還調(diào)試出在理想狀態(tài)下的最大立體角孔徑。在計算中，采用不同的光線入射角和超聲離軸角，得出結(jié)論，這些結(jié)論對于AOTF的設(shè)計和制作具有實際意義。5.2 非同向互作用聲光可調(diào)諧濾波器的立體角孔徑基本原理圖5.1所示的即為I.C.Chang提出的非同向互作用AOTF的波矢量布局圖，ki、kd、k分別為入射光、衍射光、和超聲的波矢量。所謂的“切面平行條件”，指的是ki曲面和kd曲面在ki矢量和kd矢量端點處的切面互相平行。此時，當光線入射角有一個小的改變時，由于雙折射量隨角度的變化恰好補償了因角度變化而引起的動量匹配，所以仍能夠保持動量匹配條件近似成立。（a）切面平行條件（b）角度關(guān)系圖5.1具有大角孔徑非同向互作用可調(diào)諧濾波器的波矢量圖對于一級衍射光。動量矢配為25：ki=（ki-k-kd）*（kd/ki）=ki-kdcos-k*(kd/ki)（5-1）設(shè)入射光為e光，在忽略（n/no）以上項后，可以得到：ni/nd=1+（n/no）sin2i（5-2）若引入量：=k/kd=o/noV（5-3）則最后可以得到ki的表達式為： ki=2no/on/nosin2i-coscosi+sinsini cos(-i) （5-4）為了使得在i方向和i方向都具有打的角孔徑，要求i和i有所變化時，ki的變化不大，即要求有：aki/ai=0;aki/ai=0（5-5）對式（5-4）求導(dǎo)，并結(jié)合式（5-5），得出大角徑AOTF要求：=isin（-i）=n/no-sin2i（5-6）容易證明25,此即切面平行條件。結(jié)合動量匹配條件ki=0，最后可得：=i+tan-1（2coti） （5-7）=n/nosin22i+sin4i1/2（5-8）式（5-7）表示的和i的關(guān)系圖如圖5.2所示，可以看出，在i=54.74時，取極大值。而對應(yīng)于同一，在一般情況下，都有二個i，分別小于和大于54.74。圖5.2 具有大角孔徑非同向互作用可調(diào)諧濾波器的-i曲線一級衍射光的強度由下式?jīng)Q定： I=IOsin（）/2（5-9）（Io為最大的衍射光強）其中：=ki L/2 （L為換能器的長度）可見，當=0.45時，I=IO/2,一般就用此時的入射光發(fā)射角定義為角孔徑。5.3 在有、無旋光性的情況下的角孔勁圖5.3給出了在有旋光性時fa與角孔徑的關(guān)系圖。在細微的改變fa的值得出在fa=100.03*106HZ時有最大的角孔徑，這時線寬為3.10cm。圖5.3 fa=100.03*10圖5.4給出了在無旋光性（=0）時fa與角孔徑的關(guān)系圖。在細微的改變fa的值得出在fa=100.03*106HZ時有最大的角孔徑，這時線寬為3.15cm。圖5.4=0; fa=100.03*10從圖5.3與圖5.4可以得出在無旋光性與有旋光性相比的角孔勁線寬變化細微，但無旋光性時的線寬會大一點。5.4 本章小結(jié)本文對非同向互作用聲光可調(diào)濾波器的立體角孔徑的基本原理做了簡單的介紹。同時對有無旋光性的情況下的線寬做了比較，發(fā)現(xiàn)有無旋光性時的線寬變化微小，但無旋光性時線寬會大一點。結(jié)束語在這段時間的學(xué)習(xí)和工作中，完成了我的論文。雖然還有很多不足之處，但通過自己一遍遍的修改，到最后的這個版本讓我深深的感受到了最終成果。在這里要感謝張春光老師的對我嚴格要求和悉心指導(dǎo)，我能夠完成這次的論文給予了很大的幫助?；叵脒@四年的學(xué)習(xí)和生活，也一直感受著各位老師的耐心指導(dǎo)，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)。老師們的認真負責(zé)的工作態(tài)度、深厚的理論知識以及對生活的激情都使我我受益匪淺。在此向老師們表示深深的感謝和崇高的敬意。 正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向福建師范大學(xué)，應(yīng)用科技學(xué)院系的全體老師表示由衷的謝意。感謝他們四年來的辛勤栽培。參考文獻1 SEHarris and R.W.Wallace.acousto-optic tunable filter,J.O.S.A.,1969,59(6):7442 S.E.Harris.,S.T.K.Njeh,D.K.Winslow. 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