（测试计量技术及仪器专业论文）基于aotf红外光谱检测技术的研究.pdf

中国计量科学研究院硕上学位论文 摘要 中红外光谱法因其具有高度的特征性和便于分析等突出优点被广泛应用于 质定性定量分析中。传统色散型红外光谱检测系统采用滤光片或光栅作为色散j 件，其灵活性差，具有机械可移动部件，结构复杂；而具有高分辨率和信噪比自 傅里叶变换红外光谱仪( f t i r ) 虽然是目前光谱分析的一个主要方向，在红外j 谱分析领域被广泛应用。但因其结构复杂、体积大、成本高，而只适用于实验i 分析而不适于现场在线检测。自声光可调滤光器a o t f ( a c o u s t o o p t i ct h 曲 f i l t e r ) 问世以来，因其具有大角孔径、结构简单、集光能力强、调谐范围宽且采， 电调谐、波长扫描速度快等特点，在光谱分析等领域得到广泛的应用。基于a o t 的红外光谱检测技术已成为一种全新的光谱在线检测方法，在物质定性定量分 中应用前景大好。 本论文主要研究一种采用新型声光可调滤光器件( a o t f ) 作为色散元件的r 红外光谱检测系统。 作为对有毒碳氢化合物的中红外光谱在线检测系统的一项研究工作，本论： 主要进行以下几项工作：1 对a o t f 进行理论研究并对其进行相应的理论计算j 性能测试，进一步研究其分光特性；2 通过对两种红外光谱检测系统结构的比较 设计a o t f 中红外光谱检测系统；3 分别对a o t f 红外光谱检测系统各单元进i 设计，包括光学系统、光电检测电路和相应机械部分的设计；4 采用聚苯乙烯目 膜为标准样品，对所设计的检测系统进行波长校正。并利用该检测系统对物质i 行重复性测量实验，以分析检测系统的稳定性；5 利用所设计的检测系统对两 物理形态的碳氢化合物分别进行测量，验证该检测系统，并对实验结果进行分$ 和总结；6 对所设计检测系统的不足之处进行总结并给出相应的改进意见，同日 提出了今后为使系统推向实用化还需要进一步研究的工作内容。 关键词：声光可调谐滤光器( a o t f )中红外光谱法数字频率合成暑 微弱信号检测 中国计量科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t m i d i i l 矗a r c ds p e c 仃0 s c o p yi sl l s e dw i d e l yi nq u a l i t a t v e 觚dq u 锄缸枷v c 锄m y s i s b e c a i i tc a np r o v i d ec o n v e i l i e m 锄a l y s i s ，雎d 色c ta _ b s o r b 孤c ec l l a r a c t e r i s t i c sa n ds 0o n km o s t 把础矗o n a 】i t l 鱼l r e ds p e c 细p h o t o n 坞t e f s ，f h el i g h tf i l t c r so ro p t i c a l 鲥i n g s 肿 d i s p c 墙i v cd e n l e i l 招t h e r ea r en l o b i l ec o m p o n c n t s 锄dl c s sn e x i b i l 时i n 也锄a l t h o u 曲 t 1 1 e w i yd e v e i o p e df t 浓s p c c 仃o p h o t o m 懈sw i mh i 曲豫如i 砸o n 觚ds i 萨a ln o i m t i o ( s n r ) a r em a i l l l yu s e di ns p e c t r o a n a l y s i s ，i ti so i l l ya d a p t c d t 0d e t e r n _ l i n et h e 越咖r c m l l l e l a b o r 咖r ) ，a n dc 她n o t l l s e do n l i n cb e 咖s e i th a sc o m p l e xs t r u c 眦，e n 0 衄。璐 v o l 啪c 趾dc x p s i v ec o s t s i n c e “c a r n eo 鸣an c w t e c h n o l o g ya 0 0 u s t o - o p n ct i 】姐b l c f i l t c r ( a 0 1 n f ) g o tp e p 0 1 e sa t t e 而o nw i mi 乜p r e d o m i i l a ml i g h td i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c s s u c h 笛】a r g ej j l c i d c ea n 醇岛s 蛔p l es 虮l c t i l r e ，j 1 i g hf o c u sj i g l l lp o w e bw i d et u 啦 r a n g e ，e l e 吐r o n i ct i l i i i n ga i l df a s tw a v e l e n g ms c 锄i i l g j u s tb c c a u s eo f 也o f e a t i i r c s ， a o t fi sae 纸t i v et o o l 谢t hav i e wt od i s p e r s i n g n 蹲e c 打0 s c o p y a ni t l 胁捌 m e a s 试n gs y s t e mt h a 土e n l p l o y sa o t fb e c o m e sa no r i 舀n a ls p e c t r o s c o p 稻t c c h 正q 1 1 ca n d w i l l b e 印p l i e dr n o r ca n d m o r e i i l t l l e 向_ c i l 聆 al a t c - m o d c lm i d - i 心a 捌m e a 吼i r i l l gs y s t e mi nw h i c hj t fi sl l s e dt 0g e t 也e m o n o c l l r 帆a t i ci i g h ti s m v e s t i g 砷e di nt h i sp 印e r ： s t i l d 蛐n g o nm i d - i l l 舶r e dm e 勰t l r i n gs y s t e ：i nt om e 嬲u r ep o i s o n o u sh y d r o c 缸b o n0 n l i n e ，w ck i v em 矗i n 】yf i i l i s h c dt 量l e j o b s ：也cc h a r a c t e r i s t i c s o fn o n c o l l i n e a r a c o u 船o p t i c 锄b l ef i l t e ra r ei l l u s 慨da 1 1 d 洒妣d e s 细o f t l l ea o t f - 嫩捌 m e 舔u r i n gs y s t e m ；d e s i g r i i i l gt 鼍1 ec o m p o n e n t fo fa o t f i n 矗a r c dm e 舔u r i n gs y s t e m i l l c l u d i n go 砸c a ls y s t e m ，p h o t o e l e 蹦cm e 站耐n gc i r c u i 协锄dm e c h a n i c a ip a r t s ； c o r r c c 曲g 血cw a v c l e n g t ho fm ed e s i 鲈e dm e a 砌n gs y s t 锄b yl l s eo ff t 限m a d ei n t h e 衄on i c o l c tc o r p o m t i o na n da i l a l y z i i l gm cs t a b i l 毋o f m es y s t e m ；1 l s i n gt l l es y s t e r n w ed 0 鼬m ee x p t 嫩m e n t s t o m e a s u 陀s o m e m a t t i 苏i l lo r d e r t o t e s t m es y s t e m ，a n d t h e n 越a l y t h er e s u l t ss y s t e r n i c a l l y ；w cs m m 班i r i z et h ed e f e c t si nt h es y s t e ma n ds u g g e s t s o m e 弘d p d s a l s ，a n da l s dw ep u t 如f v 旧l d 如n h c rw d r ks ot h a l 也ed c s i g n e ds y s t c 】丑啪 b e a p p l i e d i l lv a r i 0 邶f i e l d s k e yw o r d s ：a c o u 如一o p t i ct 眦a b l ef i l t e r ，m i d - i n 胁ds p e c 仃o s c o p y ， d i g i t a l 舶q u e n c ys y i l t h e s i s ，w e a l cs i g i l a ld e 钯“o n 。 2 第一章绪论 1 1 选题目的和意义 第一章绪论 目前，对物质成分及其含量的检测方法很多，如红外吸收光谱法、电化学法 和气相色谱法( g c ) 等，各有其优缺点，其应用领域各不相同。如电化学方法需 要对待测样品进行采样，不适用于现场监测：气相色谱法( g c ) 经一个世纪的发 展，已成为一种广泛使用的分析方法，因其灵敏度高、分离度好以及分析速度快， 定量分析的精度高于l ，应用领域仍处于上升的趋势。但因其需要专门的进样装 置，包括顶吹、吹扫捕集、固相萃取、超临界流体萃取和加速溶剂萃取，其化学 过程复杂，还仍需增强其自动化程度【1 1 红外吸收光谱法具有高度的特征性，除 光学异构外，没有两种化合物的红外光谱是完全相同的。红外光谱中往往有几组 相关峰可以互相佐证，因此在官能团定性方面是电化学、核磁、质谱等结构分析 方法所不能及的。与拉曼光谱、核磁共振谱以及质谱法等相比，它的光谱资料最 为丰富、成熟。它测定的样品范围广，无机、有机、高分子等气、液、固态样品 都可测定。因其突出的优点，它在与化学有关的许多领域都有广泛应用。如在煤 炭、石油化工产品、染料、医药、生物制品、食品以及环保等领域用于产品纯度 鉴定以及定量分析：在合成纤维、涂料和粘合剂等高聚物研究方面，用于单体、 聚合物、添加剂的定性定量结构分析【2 1 。 早在1 8 0 0 年，英国天文学家赫歇尔( h e r s l l l ) 用温度计测量太阳光可见区时， 发现了红外辐射。之后红外线逐步被应用到各个方面，如红外检测器、红外遥测 遥控器和红外理疗仪等。1 8 9 2 年发现，凡是含有甲基的物质，都会强烈地吸收3 4 l lm 波长的红外光，因此可推断凡在该波长处产生强烈吸收的物质都含有甲基。 之后，许多化学家则致力于研究各种物质对不同波长红外辐射的吸收程度。这种 利用观察样品物质对不同波长红外光的吸收程度，进行研究物质分子的组成和结 构的方法，称为红外分子吸收光谱法，简称红外吸收光谱法或红外光谱法。到1 9 0 5 年前后，已系统地研究了数百种化合物的红外吸收光谱【3 】。 红外光谱的范围很广，为o 7 5 l 0 0 0 | l m 。按应用波段不同，红外光谱分三个 区域：r 近红外( n 取) 区：o 7 5 2 5 pm _ 中红外( m 取) 区：2 5 2 5 p m o 远红外( f 取) 区：2 5 1 0 0 0 p m 第一章绪论 其中远红外光谱主要由小分子的转动能级跃迁产生的转动光谱，此外还包括离子 晶体、原子晶体和分子晶体产生的晶格振动以及原子量较大或键力常数较小分子 的振动光谱；中红外和近红外光谱是由分子振动能级跃迁产生的振动光谱。在各 类分子中只有简单的气体或气态分子产生纯转动光谱，而对于大量复杂的气、液、 固态物质分子主要产生振动光谱。并且，对于极大部分有机化合物、高分子聚合 物等分子，主要产生吸收带处于中红外区的分子振动光谱。因此目前被广泛用于 化合物定性、定量和结构分析以及其他化学过程研究的红外吸收光谱，主要是波 长处于中红外区的振动光谱。在红外光谱分析中，处于2 5 2 5i im 的中红外区域 是应用最为广泛的光谱区域。 利用红外光谱法测量各种物质的仪器称为红外光谱仪。1 9 3 6 年出现了世界上 第一台棱镜分光的单束手录式红外光谱仪，约1 9 4 6 年制成了棱镜分光的双光束自 动笔录式红外光谱仪。从4 0 年代中到5 0 年代末的商品红外光谱仪，多用棱镜分 光。6 0 年代出现以光栅为色散元件的光谱仪。7 0 年代则出现以干涉分光和计算机 处理的傅立叶变换红外光谱仪。8 0 年代后随着电子计算机的发展，红外光谱仪的 应用日趋普及1 4 j 目前，按分光原理分类，常见的红外光谱检测系统主要是光栅分光型、傅立 叶变换型和声光滤光型三种。每种类型的光谱仪各有其优缺点，实用领域也各不 相同。傅立叶变换型和光栅分光型都有可移动部件，采用机器扫描和狭缝可调机 构，其体积庞大、结构复杂，不适于现场实时监测。而以a o t f 为分光元件的红外 光谱测量系统与其他测量系统相比具有许多优点1 5 j ： 电调谐区域大、波长调谐速度快且连续可调：， 集光能力强，衍射效率高，提高了检测灵敏度，适用于微弱光信号的测量； 无机械可移动部件，整个系统简单且稳定，在很大程度上减小了误差来源， 给仪器制造、使用和维护带来很大的方便； 工作方式多样化，具有高速随机存取和波长选择的能力，易与微机联用实 现程序控制。 声光可调滤光器可以称之为“新一代单色器”，它的出现为发展新型光学装置 提供了一条独特的途径。 随着现代科学技术的进步，基于a o t f ( 声光可调滤光器) 的红外光谱检测技 术随着近些年光谱、电子、声光技术的发展已成为一种卓有成效的现代检测手段， 并在各种领域得到了广泛的应用。如环境监测和化工、石油、医药、材料、地质、 煤矿、国防工业等领域的工艺过程动态实时监测，农产品的检验、食品化学等与 人类生活和健康息息相关的基础领域的成分定性定量检测。它为短寿命成分的瞬 2 第一章绪论 态光谱分析提供技术支持，为现代生物学、生命科学、医学研究、临床研究等领 域提供现代化手段【6 1 。我国在这方面的研究仍是起步阶段。目前，中国电子科技集 团公司第2 6 研究所、中山大学、天津大学和中国科技大学等单位已开展了这一领 域的研究工作。总体来说，随着声光技术的迅速发展。声光可调滤光器将更加受 到人们的青睐，而基于a o t f 的红外光谱检测技术在工业生产及军民用等领域中 的应用将会越来越普遍。 1 - 2 红外光谱测量系统原理 红外光谱检测系统是基于物质对光的选择吸收特性原理来实现测量的。每种 物质具有特定的光吸收特性，不同物质的吸收波长不同，在特征吸收波长处吸收 的光能量取决于物质的浓度和厚度等因素，因此形成红外光谱。通过研究物质红 外光谱的谱峰信息就可计算出被测物质的含量。 如果对真实被测体系进行理想化，即只考虑样品本身的吸收而不计算样品池 的吸收及其它可能存在的散射损失和反射损失，则当样品厚度为l ，浓度为c 时， 入射光透过某一微小厚度d l ，其强度将衰减d i 。假定样品在厚度l 中是均匀的， 则强度衰减量与入射光强度和样品量成正比，即 一刃= 口僦 ( 1 - 1 ) 式中a 为比例系数。对上式进行积分并解此方程可得： l n 二生= 口c l ( 1 2 ) 将上式两边分别取以1 0 为底的对数，则上式变为： ， l g 二生= 鼢：l = 彳 ( 1 - 3 ) r 式中k 为消光系数，又称吸收系数。i g 粤称为光密度，又称吸光度( a b s o r b a l l c e ) ， f 用a 表示。此式即为红外光谱定量分析的基本公式朗伯比耳( l 锄b e n - b e e r ) 定 律川。 。 消光系数k 值是与被测物质及所选波长相关的一个系数，与浓度无关，不同 浓度的同一物质在相同波长处具有相同的k 值。在进行物质定量分析时，为了测 量的准确性，通常是在实际的工作条件，先测出纯样品的吸收系数k ，再测量物 质的吸光度a ，由上述公式( 1 3 ) 即可计算出物质的浓度c 。并选择吸收系数较 大的谱带作为某物质定量计算的特征吸收谱带，以获得较高的准确度和灵敏度 利用ao ，r f 中红外光谱检测系统测量物质时，随着驱动频率的改变，相应的 第一章绪论 a o ，r f 输出不同的光波长，根据各种物质的光谱特性确定其吸收峰位置及吸光度， 从而确定物质的种类及浓度。 ， 1 3 声光可调谐滤光器的发展状况 声光可调滤光器( a o t f ) 是6 0 年代末7 0 年代初发展起来的一种新型分光器 件。它是根据各向异性介质中声光布拉格衍射原理而工作的电调谐滤光器。通过 改变外加调谐信号的频率则可使滤光器的光谱通带在很宽的光谱范围内得到快速 地调谐，从而达到分光目的。 1 9 6 7 年，d i x o n 发表的文章“各向异性介质中光的声衍射”，首次在数学上描 述了各向异性双折射晶体中的声光作用，提出了著名的d i x o n 方程，并且介绍了 同向的声光互作用。1 9 6 9 年美国s t 柚f o r du 1 1 i v 盯s 耐的h a r r i s 和w a l l a c e 提出的同 向声光互作用的a o t f 【8 】对d i ) 【o n 的结论进行了校正，同向互作用理论进一步得 到完善。同时，两人首次提出用体声波与光波互作用以达到滤波的目的，并实现 滤波线宽0 知m ，光可调范围5 0 0 至7 0 0 姗。1 9 7 4 年，华裔科学家张以拯( i c c h a l l g ) 利用非同向理论扩展了a c r r f 的理论，介绍了以t c 0 2 单轴晶体作为材料的非同向 声光互作用的a o t f ，并完善了a o t f 的理论；此后，相继出现利用不同声光介质 制作的工作波段从紫外到红外的各种类型的a o t f ，甜s i 0 2 ， l m 0 3 ，c a m 0 0 4 ，t e 0 2 ，1 1 3 a s s c 3 是早期几种常用的a o t f 材料。七十年代a o t f 大多是利用体声波与光波的相互作用，且主要是非同向型f 9 j 。七十年代末、八十年 代初集成光学型滤波器，以其功率小的优点逐渐引起人们重视。集成光学滤波器 利用声表面波而不是体声波；利用行波代替集总声波，提高了声波互作用效率， 大大减少了驱动功率，从典型值) l 瓦降到毫瓦量级( 最低8 m w ) ，使许多器件可 集成在一个基片上，简化光路，为多通道光学集成提供了可能【l0 。1 1 1 ；之后相继提 出各种方法来提高a o t f 的边带抑制比和降低驱动功率。1 9 8 9 年a = r & tb e n l 籼r 粕r i e s 的g d b o y d 等人和b e u c o r e 的da _ 、，i d a s i i l i t h 等人分别提出二级声光 滤波器的概念( 1 2 43 1 。1 9 9 2 年c a l i f o r i l i a 大学i r v i 分校a 巧岫k 廿r o y 等人制出耦 合加权型声光滤波器，即采用弯曲的叉指换能器，使声波聚焦在声光作用区中心 处，而光波被限制在均匀光导中，故声光祸合系数随空间变化，改变了传输函数， 达到抑制边带的作用i 川。1 9 9 4 年德国的r b r i i l k m 锄和m d i n a n d 等人，第一次发 明了集成光学放大型掺e r ：l i n b 0 3 声光滤波器【l5 1 。随着人们研究的深入，声光滤波 器不断快速发展并进入商品化时代。几十年来，仅美国就有十多家公司从事这一 领域的开发与研制工作，其中较有名的如：i s o m 哦h a r r i s 、a n d 哪o n 、i n r a d 、c r y s t a l 4 第一章绪论 h n o l o 盱、b r o m o r o s 【1 6 】等。此外在日本、法国、加拿大等国也具有一定的研制水 平，我国在a o t f 领域的研制与生产仍是初步阶段，在可见光及近红外波段范围内 有初步设计，如中国电子科技集团公司第2 6 研究所生产的可见光4 0 0 8 0 0 哪的 a o t f ，其接收孔径角只有l 。；上海清津激光器件开发有限公司的波长范围在 1 2 2 5i im 的近红外a o t f ，其衍射效率只有3 0 4 0 左右，国内近红外a o t f 性能最好的其衍射效率也只有5 0 6 0 左右。而对于中红外波段的a o t f 研究 仍无人涉足，许多a o t f 仍需要从国外进口。 因非同向声光互作用的a o t f 具有大角孔径、结构简单及使用方便等诸多特 点，因此作为一种分光元件用于复杂光谱成分的光谱分析，是传统分光元件所不 能比拟的。因此a o t f 可在诸如快速扫描光谱分析、辐射光谱测量、多光谱成像 技术、远程检测以及通信等领域中得到广泛地应用。 1 4 研究内容 由所查文献资料表明1 m 0 1 ，目前，基于a o t f 的各种光谱分析仪器主要是在可 见光和近红外波段范围内的检测系统。以两种典型结构的a o t f 光谱测量仪为例， 如下： c 1 可见光波段的a o t f 光谱仪 以1 9 9 9 年美国国防研究实验室( a r l ) 利用a o t f 体积小和其快速的光谱扫 描速度等特点开发的a o t f 一光纤拉曼光谱仪为例，如下图1 1 所示。该拉曼系统 利用5 1 4 5 n m 的氩激光器提供激励源，光束经会聚后进入三端式光纤束中的一路， 经中心光纤照射到样品上，产生拉曼散射光谱，由6 个相同的围绕在中心光束周 围的光纤接收受激拉曼光束，每路光束依次经透镜准直后进入a a r f 分光系统， l c 璐 f - b 日b m d l e l e 峭 s 锄p i e 再经计算机进行处理得到不同样品的识别结果。所用a o t f 的光谱响应范围为 第一章绪论 4 0 0 8 0 0 1 l m ，孔径角为2 。，孔径面积为l o 1 0 n 功2 ，光谱分辨率为7 锄一，并装 有检测拉曼光谱信号的光电倍增管( p m t ) 。为了减少拉曼散射，在分光系统前加 一个n o t c h 滤波器。此种类型仪器适合远程监测爆炸物如炸药t n t 、r d x 和h m x 等【2 n 2 近红外波段内的a o t f 光谱仪 以2 0 0 0 年由r o s e 玎1 0 吼ta n a l y t i c a l 研制的a o t f - n 糸o mp r o c 螂a 1 1 a l y z e f ( 近 红外过程分析仪) 为例，仪器结构如下图1 2 所示。它由三个重要部分组成：分析 部分、光纤和探测部分。它是以带有光纤的a o t f 为核心部件，采用t e 0 2 晶体为 压电换能器，其光谱范围为1 o 2 2um ，光谱分辨率为5 0 c m 1 ，波长重复性为o 0 4 c m - 1 。该分析仪器能够对样品进行时时在线检测。该类型仪器主要用于石油、化工 及医药等生产领域f 2 2 】。 、1 4 2 研究内容 双向交互界面 用户报警，记录显示 图1 2a o t f 一近红外过程分析仪结构图 上述资料表明，目前大多用于分光作用的a o t f 皆为可见光和近红外波段范 围内。第一种结构的测量系统只适合测量固体和液体；第二种结构的检测系统是 6 第一章绪论 在近红外波段内，物质在这个波段的吸收则是中红外吸收基频的倍频及合频信号， 没有中红外光谱范围内的锐峰和基线分离的谱峰，大量的是重叠峰和肩峰，因此 在物质分析上非常麻烦。而物质在中红外区域内有特征吸收峰，在物质分析上更 加方便。且2 5 7 5l im 的中红外波段称为特征谱带区，羟基、胺基、甲基、亚甲 基和各类羧酸盐基等多数官能团的特征吸收峰都出现在这个区域，称为基团区。 尤其是绝大多数的有毒碳氢化合物在2 5um 波段范围内有特征吸收峰因此本 论文设计并建立了2 4 “m 波段的a o t f 中红外光谱检测系统，以满足目前测量 碳氢化合物的要求，这在环保领域有非常好的应用前景。 7 第二章声光可调谐滤光器的原理及应用研究 第二章声光可调谐滤光器的原理及应用研究 2 1 声光互作用的工作原理研究刎 2 1 1 声光互作用 声光互作用理论主要讨论因声光互作用而引起的衍射光强度( 即衍射效率) 和衍射光方向等。有两种类型，即正常声光互作用和反常声光互作用。 1 正常声光互作用 当各向同性介质( 如水和玻璃) 有超声波传过时，介质的折射率将受到应变的 调制而作周期性变化，这就相当于一个位相光栅，光在通过它时将发生衍射。相 应的理论可从一般的各向同性介质中波动方程出发，声光效应由折射率变化与应 变之间的关系来描述。由于声光互作用引起的衍射光方向和入射光方向间的夹角 一般不会超过l 。，因而当衍射光和入射光的偏振态相同时，则可认为入射光的折 射率n 。和衍射光的折射率i l d 是相等的，这种条件下的声光互作用称为正常( 或各 向同性) 声光互作用。由此可看出，正常声光互作用的特点是声光互作用不改变 入射光的偏振状态。 2 反常声光互作用 在一定条件下，声光互作用会使光的偏振状态发生变化，此时n i i l d ，这时称 为反常( 或各向异性) 声光互作用。反常声光互作用不能用位相光栅来解释。 将上述两种声光互作用统一看作一个参量互作用过程，声光效应由非线性极化 矢量与应变之间的关系来描述，并从参量互作用基本方程出发建立相应的理论 每种声光互作用按声光互作用长度l 的大小分为两类：即喇曼一奈斯衍射和布拉格 衍射。( 1 ) 当声光互作用长度l 很小时，有许多级衍射光存在，称为喇曼一奈斯衍 射；( 2 ) 当声光互作用长度l 很大时，各级衍射光都很弱，而正负一级衍射光很 强，这称为布拉格衍射( b r a g g ) 。声光布拉格衍射的衍射效率很高，理论上可达 1 0 0 ，所以应用广泛。声光可调滤光器就是一种布拉格衍射器件 2 1 2 布拉格衍射原理 令入射光的角频率和波矢量为甜。和肠，超声波的角频率和波矢量为q 和置， 波矢量而和足的模分别为： 8 第二章声光可调谐穗光器的原理及应用研究 = 孕， ( 2 1 ) x ：丝：丝厂 其中厶为光波在真空中的波长；n o 为介质对入射光的折射率( 与入射光的偏 振状态和传播方向有关) ；a 和，分别为超声波波长和频率，v 为声速。 按照参量互作用的观点，声光互作用过程如下：首先，由于声光效应，入射 光波和介质中的超声波相耦合而产生一系列具有复合频率的极化波，其角频率 。和波矢量七。分别为： 翟2 挈肌譬 ：虬蛆； 亿：， 七。= + ，z k ” 。 这些极化波再转而激发具有这些复合频率的光辐射，即各级衍射光。当入射光矢 量k o 方向为任意时，七- = + 掰k 的模一般不等于k = 2 石，厶( m 级衍射光的光 波矢量的模) ，引入图2 l ( a ) 所示的动量失配k 有： 七一= _ | 一吒= 七o + 历足一k ( 2 - 3 ) i 必置 一 ( a ) 入射光方向任意，a k o ，即动量失配( b ) 入射光沿特定方向，k 即，即动量匹配 图2 1 动量失配和动量匹配( 圆弧的半径为吒= = 丛生) c 只有当入射光沿某特定方向恰好使得对某个m 有k = 0 时，即动量匹配，该 级衍射光才能满足同相条件而互相叠加但是调整入射光方向只能使某一个 厶k = 0 。而耦合波方程决定了只有相邻两级光可以直接耦合，入射零级光不能直接 和二级以上的光耦合。因此当入射光方向满足动量匹配条件时，将得到很强的正 ( 或负) 一级衍射光，这称为布拉格( b r a g g ) 衍射。理论上，布拉格衍射的衍射 效率可达到1 0 0 。布拉格衍射有两种：正常布拉格衍射和反常布拉格衍射。下图 2 2 为两种衍射的几何关系。 9 第二章声光可调谐滤光器的原理及应用研究 k k 图2 2 布拉格衍射的几何关系 ( a ) 正常布拉捂衍射的动量三角形闭合条件 ( b ) 反常布拉格衍射的动量三角形闭合条件 1 正常布拉格衍射 对于正常布拉格衍射，n l = n f n ，从而七l = 屯= 幼”，五= 新，五，因此，上述图2 2 ( a ) 的动量三角形是等腰的，且o | - od ，o 。和od 分别为入射光和衍射光与超声 波波面问的夹角，由图2 2 ( a ) 得到： 毛s i n 口+ s i n 吃= 2 后s i n 岛= 足 ( 2 4 ) 则有： ， 咖岛= 篆= 去 q 巧) 式( 2 5 ) 即为布拉格方程；ob 称为布拉格角。由式( 2 5 ) ，衍射光与入射光之间 的夹角即偏转角a 为： 口= q + 以= 2 以圭妻5 参 2 - 6 亦即偏转角a 与超声频率f 成正比。改变超声波的频率即可达到控制光束方向的 目的。声光调制器则是根据这一原理制成的。 2 反常布拉格衍射 对于反常布拉格衍射，不再有条件n 。= n d 成立，因而毛如，相应的几何关系比 正常布拉格衍射复杂得多。由图2 2 ( b ) 根据余弦定理可得： 2 = k 2 + 毛2 2 酗如e ( 2 7 ) 毛2 = 置2 + 岛2 2 尺n 岛 由此解出s i no 。和s i nob ，再将式( 2 1 ) 代入，得到 s m 只2 南 ，+ 枷2 可c 鲫 ，协。， 咖岛= 南 厂一岳睇c 伊嘞2 ) l o 第二章声光可调谐滤光嚣的原理及应用研究 方程( 2 8 ) 称为狄克逊方程，式中n 。和n d 是角度的函数，因而只有在对一定介质 确定了上述关系之后，才能由狄克逊方程解出o 。f 关系和od - f 关系，从而确定反 常布拉格衍射的几何关系。 由式( 2 8 ) 的特点，易证明： 矿2 1 当，= 云【吩2 ( 包) 一2 ( 易) 】时，s i noi 达极值，也即oi 达到极值，并由此 oj 解得此时的f 值，用蜀表示，如下式( 2 9 ) 所示，且od - o 。f j 称为反常布拉格衍 射的极值频率， 石= q 0 2 一2 ( 2 9 ) 山 当f 喃时，带入式( 2 8 ) ，可计算得右边两项相等：而当勖岛时，右边第二项远小 于第一项，可以忽略，此时方程( 2 8 ) 转化为( 2 - 5 ) ；但当f 接近甚至小于岛时， 反常布拉格衍射具有与正常布拉格衍射完全不同的几何关系。 2 将( 2 8 ) 式两边相加，得到偏转角a 为 口2 只+ 岛圭嘉2 参， ( 2 - 1 0 ) 它与正常布拉格衍射的扫描特性完全相同。( 3 ) 反常布拉格衍射的另一个特点是 可存在同向互作用，即l 【i ，k 和k 均在同一方向上，显然动量三角形的闭合条件 可简化为以= 毛足，即 。 五厂= 矿( 一啊) ( 2 - 1 1 ) 利用反常布拉格衍射的同向声光互作用可以方便地制成声光可调谐滤光器 ( a o ) 。事实上，对于一定的声光介质和一定的传播方向，上式右边为一常数， 因此当复合光入射时，对于一定的超声频率f ，只有满足式( 2 1 1 ) 的那个光谱成 分xo 才能被衍射；如改变f ，将使不同的光谱成分被衍射而制成声光滤光器。 因声光晶体中超声波的作用，使入射光经过晶体后其偏振状态方向将发生旋 转，最终使入射光减弱，而出现偏振方向与入射光偏振方向垂直的衍射光。因此 当入射光为线偏振光时，则衍射光的偏振状态正好与入射光的偏振状态垂直。 2 2a o t f 的基本原理【2 5 2 9 】 声光可调滤光器( a o t f ) 是一种新型的反常布拉格衍射器件。根据声光互作 用的方式不同，a o t f 分两种：同向互作用a c r r f 和非同向互作用a o t f 第二章声光可调谐滤光器的原理及应用研究 2 2 1 同向互作用的a o t f 同向互作用a o t f 的工作原理在上1 2 节中已说明，特别是调谐关系式( 2 - 1 1 ) 已给出，通常互作用方向均选在垂直于晶体光轴的平面内，并取为x 轴，因而 啊一嘞= h 一i - 血，式( 2 1 1 ) 可简化成： 五：竺三 ( 2 1 2 ) 。 ， 利用式( 2 - 1 2 ) 即可根据滤光器的工作光谱区确定工作频率范围。同向互作用的工 作特点是在l 【i 和l 【d 端点处，k i 曲面和k d 曲面的切面是互相平行的，因而当入射角 有一很小的变化时，对于同样大小的波矢量模k 和k ( 即同样的 。和，) ，动量匹 配条件仍能成立，如图2 3 所示。因而在保持很高波长选择性的同时，可大大降低 角度的选择性，从而可同时得到较高的光谱分辨率和较大的角孔径。 图2 3 同向声光互作用 2 2 2 非同向互作用的a o t f x 同向互作用的a o t f 的性能虽比较好，但并非在任何情况下都可实现同向互 作用，特别是t c 0 2 单晶中就不能引起同向互作用。因此，美籍华人张以拯 ( i c c l l a i l g ) 在分析了同向互作用a 0 r r f 之所以能有大角孔径的原因之后，提出了 一种新的波矢量布局方案：它仍保持l j 曲面和k d 曲面在k 和l 【d 端点处的切面互 相平行，如图2 - 4 所示，因而当入射角有一个小的改变时，仍能保持动量匹配条件 成立；亦即利用双折射量随角度的变化恰好补偿因角度变化6o 。所引起的动量失 配，从而制成了既有大声光优值又保持有大角孔径的非同向互作用a o t f 。 1 2 第二章声光可调谐滤光嚣的原理及应用研究 z 叮|瀚。 o 么 图2 - 4 具有大角孔径的非同向声光滤光器波矢量布局 其中平行切线动量匹配条件的数学描述为： k d = k i k 。 ( 2 - 1 3 ) 光波矢和声波矢的值为 k t 2 2 筇强 丸 戮) ( 4 ) 式中：九。为光波波长；n i 和n d 为折射率；矗为声波频率；v i 为声速 又由折射率关系，o 光的折射率曲面是半径为n o 的圆，而e 光的折射率曲面是 以长短轴分别为n c 和n o 的椭圆，其关系式如( 2 1 5 ) 所示： 心( q ) = l c o s 2 ( 只) 以+ s i n 2 ( e ) ( 2 - 1 5 ) 式中n c 和n o 可由s e l l i i l e i e r 方程计算，对t e 0 2 有： 冉t + 筹慧蓦+ 罢豁、 ( 2 。s ， 冉“笨怒+ 喾怒。 由动量匹配条件可得衍射角易的表达式为： 易 ) = 口彤t a n “马2 t a l l 只) ( 2 1 7 ) 由图2 - 4 中波矢量k l 、l 【d 和k 组成的三角投影关系和式( 2 1 4 ) 、( 2 1 7 ) 可得声波 第二章声光可调谐游光器的原理及应用研究 檄角0 - 的表达式为： 见= 篇鬟等等 协m 利用余割定理，得到在平行切线动量匹配条件下的声波频率，和衍射光波长 o 的 关系为： 正：孚届丽瓦玛丽两丽 ( 2 - 1 9 ) 当。光入射毗公北棚，中 纛，l 嘞2 心m ，j 当e 光入腻公北彤，中 z 三j ：! ：拱l 嘞= n 。【州 因此当取e 光入射时，上式( 2 - 1 9 ) 变为： z ；孚扛丽瓦i 琢丽历而 ( 2 _ 2 0 ) 当取双折射近似时，上式可简化为： ” 五：华牺瓦丽 ( 2 2 1 ) 式中血= i 他一i 为双折射量，可近似认为与x 。无关。 入射 声终端 ，d i ，= = 。 电 、 换能器阵列 ( c 光衍射) 五( o 级光) ( o 光衍射) 图2 ，5 非同向a o t f 的基本结构图 因非同向互作用声光滤光器不需要光波矢量与声波矢量同向，因此给设计和 制造带来了很大的方便。目前，应用的大部分a o t f 都为非同向互作用型。a 0 的基本结构主要由三部分组成：声光介质、电一声换能器阵列和声终端，如上图2 - 5 所示。当射频信号加到换能器上时，激励出超声波并耦合到声光介质。当白光以 一定的入射角入射到该声光介质时，因声光互作用，入射光被衍射成两束正交的 1 4 第二章声光可调谐滤光器的原理及应用研究 线偏振光，即。光和e 光。当改变超声波频率时，满足动量匹配条件的衍射光波 长也将相应改变，连续改变超声波频率即可实现衍射光波长的连续扫描。为了防 止声波反射，透过声光介质的声波被声终端的吸声体吸收。 2 3a o t f 驱动器 a 0 耶驱动器是产生一定频率的超声波给a o t f 来驱动其工作，实际上就是 一个频率合成器。目前，较为常用的频率合成器有锁相环式频率合成器( 即间接 式频率合成) 和直接数字式频率合成器。 。锁相环式频率合成器的原理复杂，不足之处在于合成器在对频率进行运算过 程中，往往会产生一些新的频率成分。这就可能对信号的正常处理过程形成干扰， 从而使输出信号出现无用的寄生频率。这些干扰信号将对压控振荡器进行寄生调 频而产生无用的干扰边带。 直接数字式频率合成器是新一代频率合成技术的典范。这种技术是直接对参 考正弦时钟进行抽样，数字化，然后用微处理器直接参与频率合成使系统的硬件 全部数字化与其它频率合成技术相比较，它的主要优点是：相位连续、分辨率 小、频率转换速度快且频率和幅度可控、频率的稳定性与系统时钟的稳定性在同 一数量级上。与锁相环式合成技术相比重大的改善就在于其系统的相位噪声性能 主要决定于参考时钟振荡器p o 】。 们 v 帅 捌 倒 龉 骚 输出 信号 图2 6 直接数字频率合成器的原理框图 直接数字频率合成技术是础正弦函数的产生，从相位出发，用不同的相位， 给出不同的电压幅度，最后滤波平滑输出需要的频率。直接数字频率合成器的原 理框图如下图2 6 所示。图中参考时钟源是一个稳定的晶体振荡器，用来同步合成 器的各组成部分。累加器类似一个简单的计数器，把频率建立字( f s w f r e q e n c y 第二章声光可调谐滤光器的原理及应用研究 s e t t i n gw o r d ) 的数据变换成相位抽样来确定输出合成频率的大小。正弦变换则 把存储在累加器中的抽样数字转换成近似正弦波幅度的数字量函数。d ，a 转换器 把数字量转变为模拟量经低通滤波进一步平滑正弦波并衰减不需要的抽样分量和 其它的杂散信号，最后输出所需要的频率以驱动a o t f 。 2 4a o t f 参数的理论计算及其特性分析 考虑到多数碳氢化合物的特征吸收峰在3 5hm 之间，因此本红外检测系统 选用美国n e o s 公司生产的a o t f 。该声光滤光器( a 0 1 下) 的参数如下： 光孔径：4 h 皿 工作波长：1 8 4 p m 驱动频率：2 0 7 m h z 4 6 5 m h z 。 光谱分辨率：1 3 脚( 2 l im ) ；5 5 眦( 4 l l m ) 孔径角 ：4 0 驱动功率：2 w 衍射效率：8 0 ( 2 i m ) ；3 0 ( 3 5 l i m ) 2 4 1 衍射角与波长的关系 由上节式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 7 ) 可计算，工作波段在1 8 4 l jm 的a o t f 其 衍射光波长与衍射角之间的关系曲线如下图2 7 所示由该曲线可知，随着衍射光 图2 7 衍射角od 与衍射光波长 的曲线关系图 波长的增加，其对应的衍射角逐渐增大，但衍射角的变化不大，且随着波长的增 第二章声光可调谐滤光器的原理及应用研究 加，衍射角的变化趋于平缓，几乎不变。由该图计算的衍射角最大值与最小值之 差仅为o 0 1 3 。因此在实际应用a o t f 时，这个角度可忽略不计，这样就可以确 定实际红外光谱测量系统中探测器的准确位置 2 4 2a o t f 性能指标测试及分析 1 a o t f 性能指标 通常描述a o t f 性能好坏的指标主要为： ( 1 ) 光谱分辨率r 光谱分辨率r 可由下式表示： r ；二l 舰 光谱分辨率、角孔径及衍射效率。 ( 2 - 2 2 ) 式中 。为衍射光中心波长，a 。为衍射光谱线的半峰高宽度，由式2 2 3 表示： 砜= 盛 ( 2 - 2 3 ) 色散系数6 = 2 万【o 1 3 3 8 + 瓦器+ 云筹器】，l 为声光互作用长 度。 ( 2 ) 角孔径嬲 角孔径是描述a o ，r f 集光能力的物理量。对于一定的声频和光波长，满足动 量匹配k = 0 时的入射角为oi ，当入射角变为e ，6o 时，位相失配6l = o 4 5 ， 因而衍射光强下降为平均入射角处的一半，此时的68i 即为a 瞪所具有的角孔 径。显然器件角孔径越大越好。 角孔径的大小也可用受光立体角q 来表示，如下式： q = 万( 影) 2 ( 2 - 2 4 ) ( 3 ) 衍射效率f i a o ，r f 的衍射效率定义为衍射光强i 。与入射光强i 。的比值，其表达式为： 刁= 孚l o o ( 2 - 2 5 ) o 2 a o t f 性能测试及结果分析 对红外a o t f 进行性能测试和相应的理论分析，有助于正确指导a o t f 在红 第二章声光可调谐滤光器的原理及应用研究 外光谱测量系统中工作。 将该a o t f 置入美国n i c o l e 协i e x u s 8 7