一种提高声光可调谐滤波器衍射效率的方法及系统与流程

1.本发明涉及一种提高衍射效率的方法及系统，特别涉及一种提高声光可调谐滤波器衍射效率的方法及系统。


背景技术：

2.声光可调谐滤波器是超声波与光波可以在各向异性介质中发生声光作用的一种新型的分光元件。声光可调谐滤波器主要是由声光介质、压电换能器、吸收体以及超声波频率驱动器组成。超声波频率驱动器发射出带有一定频率的超声波信号，经过压电换能器将其输入声光介质中，进而在声光介质中形成一个“超声波光栅”，入射光波与超声波满足动量匹配条件时，在声光介质内发生非线性效应，产生衍射光波；这一个过程相当于入射光波经过这个“超声波光栅”后，被衍射成窄带衍射光的过程；也可以解释为，宽带光源经过声光可调谐滤波器这个分光色散元件后，被选择出单一波长的光的过程；通常，我们将此过程称之为声光调制。这种固体带通的声光可调谐滤波器与传统分光器件相比较，具有无法比拟的独特优势，具体为：
3.(1)波长调谐稳定、可靠而且范围宽；
4.(2)衍射光谱输出波长切换速度快，通常只有几个微秒；
5.(3)能够获得很高的消光比；
6.(4)工作方式灵活多样，具有单点扫描、连续扫描、随机扫描以及多点扫描等方式，非常适合工作于多光谱成像、高光谱成像领域；
7.(5)可以利用计算机控制电信号选择衍射光的波长或强度等参数的输出；
8.(6)拥有较大的入射光角孔径和输出孔径，非常适合应用于成像中；
9.(7)整体质量轻，体积小，所有元件都为固体结构，没有移动部件，抗干扰能力强，适合应用于机载、星载等系统中；
10.(8)通光量大，在调谐范围的衍射光光谱分辨率和衍射效率都较高；
11.(9)功耗非常低，通常小于2w。
12.因此，声光可调谐滤波器在诸多的光学研究中具有非常大的应用潜力，特别是在生命科学和航空航天领域。尤其是，声光可调谐滤波器的波长调谐范围可以从紫外波段一直到长波红外区域，且波长切换速度快，因而，声光可调谐滤波器作为分光元件的新势力在最近几十年得到了高速发展，已经成为光谱成像应用中不可或缺的核心器件。
13.无论是共线设计的声光可调谐滤波器，还是非共线设计的声光可调谐滤波器，在声光介质内与超声波发生互作用的入射光一定是偏振光，也就是说，自然光或者非偏振入射光束在入射到声光可调谐滤波器之前，必须经过偏振器件，形成在声光介质内可以与超声波发生互作用的偏振光。在实际的应用中，例如对远场目标进行光谱采集或者成像，就需要在声光可调谐滤波器的前端加偏振器件，将来自目标的反射光、辐射光或者透射光形成偏振光，否则，在系统的末端容易使衍射光与0级透射光发生重叠，进而影响采集结果的准确性。但是，增加前置偏振器件，必然引起来自目标的自然光或非偏振入射光的能量强度减
小一半，那么声光可调谐滤波器衍射效率也就相应减小一半，如果是在弱光条件下，非常不利于实验测量。


技术实现要素：

14.本发明的目的是提供一种提高声光可调谐滤波器衍射效率的方法及系统，以解决现有因增加前置偏振器件，引起来自目标的自然光或非偏振入射光的能量强度减小一半，进而声光可调谐滤波器衍射效率也相应减小一半，在弱光条件下，非常不利于实验测量的技术问题。
15.本发明所采用的技术方案是，一种提高声光可调谐滤波器衍射效率的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
16.步骤1：将来自目标的自然光或非偏振入射光分束为透射光和反射光；要求透射光的偏振方向与声光可调谐滤波器入射光的偏振方向一致；
17.步骤2：对步骤1获得的反射光，首先进行线偏振处理，使其消光比提高且使其偏振方向与步骤1获得的透射光的偏振方向垂直；然后进行光路换向，使其光路方向与步骤1获得的透射光的光路方向平行；接着再进行相位延迟，使其相位与步骤1获得的透射光的相位一致；
18.步骤3：将步骤1获得的透射光与步骤2经相位延迟后的反射光进行合束，获得合束光；
19.步骤4：步骤3获得的合束光和超声波在声光可调谐滤波器内发生互作用，输出衍射光。
20.进一步地，步骤1中，所述将来自目标的自然光或非偏振入射光分束为透射光和反射光，所采用的光学器件为第一偏振分束器；
21.所述第一偏振分束器为偏振分束立方棱镜。
22.进一步地，步骤2中，所述进行线偏振处理采用的光学器件为线偏振片。
23.进一步地，步骤2中，所述进行光路换向采用的光学器件为光路换向单元；
24.所述光路换向单元包括第一反射镜、第二反射镜以及第二偏振分束器；
25.所述第一反射镜设置在线偏振片的出射光路上，所述第一反射镜的反射面朝向线偏振片，且与线偏振片的出射光的夹角不等于90
°
；
26.所述第二反射镜设置在第一反射镜的出射光路上；所述第二反射镜与第一反射镜垂直设置，且二者的反射面相向设置；
27.所述第二偏振分束器设置在第二反射镜的出射光路上，且第二偏振分束器的反射光路与第一偏振分束器的透射光路同向；所述第二偏振分束器为偏振分束立方棱镜。
28.进一步地，步骤2中，所述进行相位延迟采用的光学器件为相位调制装置；
29.所述相位调制装置为液晶相位可变延迟器或者宽带消色差波片。
30.进一步地，步骤3中，所述将步骤1获得的透射光与步骤2经相位延迟后的反射光进行合束，采用的光学器件为光束合束单元；
31.所述光束合束单元为透镜组成的双目合束形式，或者为2
×
1光纤耦合形式。
32.本发明还提供了一种提高声光可调谐滤波器衍射效率的系统，包括声光可调谐滤波器以及设置在其前端的偏振单元；其特殊之处在于：
33.所述偏振单元包括第一偏振分束器、线偏振片、光路换向单元、相位调制装置以及光束合束单元；
34.所述第一偏振分束器用于接收来自目标的自然光或非偏振入射光，并将其分束为透射光和反射光，且所述透射光的偏振方向与声光可调谐滤波器入射光的偏振方向一致；所述第一偏振分束器为偏振分束立方棱镜；
35.所述线偏振片、光路换向单元由近及远依次设置在第一偏振分束器的反射光路上；所述光路换向单元用于使经线偏振片线偏振处理后的反射光的光路方向，与第一偏振分束器分束后获得的透射光的光路方向平行；
36.所述相位调制装置设置在光路换向单元的出射光路上；
37.所述光束合束单元用于对第一偏振分束器分束后的透射光和经相位调制装置相位调制后的反射光进行合束；
38.所述声光可调谐滤波器设置在光束合束单元的出射光路上。
39.进一步地，所述相位调制装置为液晶相位可变延迟器或者宽带消色差波片。
40.进一步地，所述光路换向单元包括第一反射镜、第二反射镜以及第二偏振分束器；
41.所述第一反射镜设置在线偏振片的出射光路上，所述第一反射镜的反射面朝向线偏振片，且与线偏振片的出射光的夹角不等于90
°
；
42.所述第二反射镜设置在第一反射镜的出射光路上；所述第二反射镜与第一反射镜垂直设置，且二者的反射面相向设置；
43.所述第二偏振分束器设置在第二反射镜的出射光路上，且第二偏振分束器的反射光路与第一偏振分束器的透射光路同向；所述第二偏振分束器为偏振分束立方棱镜。
44.进一步地，所述光束合束单元为透镜组成的双目合束形式，或者为2
×
1光纤耦合形式。
45.本发明的有益效果是：
46.(1)本发明的提高声光可调谐滤波器衍射效率的方法及系统，首先，将来自目标的自然光或非偏振入射光分束为透射光和反射光；其次，通过线偏振处理使反射光的消光比提高；然后，对反射光进行相位延迟，使其相位与透射光的相位一致，进而反射光和透射光的偏振方向相同；最后进行合束；这样，合束光的能量显然大于自然光或非偏振入射光经过传统偏振器件后能量至少损失50％后剩余的能量；进而，将该合束光和超声波在声光可调谐滤波器内发生互作用，发生衍射的效率也相应提高；因此，本发明解决了现有因增加前置偏振器件，引起来自目标的自然光或非偏振入射光的能量强度减小一半，进而声光可调谐滤波器衍射效率也相应减小一半，在弱光条件下，非常不利于实验测量的技术问题。
47.(2)本发明将来自目标的自然光或非偏振入射光分束为透射光和反射光，所采用的光学器件为第一偏振分束器，且第一偏振分束器为偏振分束立方棱镜；这样，可以使分束后获得的透射光的消光比较高，反射光的消光比较低。
48.(3)本发明进行线偏振处理采用的光学器件为线偏振片，且优选线偏振片为高消光比的线偏振片，这样，可以使线偏振处理后的反射光获得更高的消光比，进而最终衍射效率也提高更多。
49.(4)本发明优选地光路换向单元包括第一反射镜、第二反射镜以及第二偏振分束器；且第二偏振分束器为偏振分束立方棱镜；这样，经光路换向单元进行光路换向之后，从
光路换向单元出射的反射光的消光比与其在经过光路换向单元之前的消光比相比，基本没有减小，仍保持高消光比，进而也能提高最终的衍射效率。
附图说明
50.图1是本发明提高声光可调谐滤波器衍射效率的系统的实施例结构示意图。
51.图中各标号的说明如下：
52.1-第一偏振分束器，2-第二偏振分束器，3-线偏振片，4-第一反射镜，5-第二反射镜，6-相位调制装置，7-光束合束单元，8-声光可调谐滤波器，9-光路换向单元，10-偏振单元。
具体实施方式
53.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
54.本发明的提高声光可调谐滤波器衍射效率的方法，包括以下步骤：
55.步骤1：将来自目标的自然光或非偏振入射光分束为透射光和反射光；要求透射光的偏振方向与声光可调谐滤波器入射光的偏振方向一致；参见图1，本实施例中，将来自目标的自然光或非偏振入射光分束为透射光和反射光，所采用的光学器件为第一偏振分束器1；该第一偏振分束器1为偏振分束立方棱镜，这样，可以使分束后获得的透射光的消光比较高，反射光的消光比较低。
56.步骤2：对步骤1获得的反射光，首先进行线偏振处理，使其消光比提高且使其偏振方向与步骤1获得的透射光的偏振方向垂直；然后进行光路换向，使其光路方向与步骤1获得的透射光的光路方向平行；接着再进行相位延迟，使其相位与步骤1获得的透射光的相位一致；参见图1，本实施例中，进行线偏振处理采用的光学器件为线偏振片3；优选地线偏振片3为高消光比的线偏振片，这样，保证反射光拥有的消光比更高。本实施例中，进行光路换向采用的光学器件为光路换向单元9；优选地光路换向单元9包括第一反射镜4、第二反射镜5以及第二偏振分束器2；第一反射镜4设置在线偏振片3的出射光路上，第一反射镜4的反射面朝向线偏振片3，且与线偏振片3的出射光的夹角不等于90
°
；第二反射镜5设置在第一反射镜4的出射光路上；第二反射镜5与第一反射镜4垂直设置，且二者的反射面相向设置；第二偏振分束器2设置在第二反射镜5的出射光路上，且第二偏振分束器2的反射光路与第一偏振分束器1的透射光路同向；第二偏振分束器2为偏振分束立方棱镜，这样，可以使反射光中的透射分量被透射出去，进而使反射光的消光比更高。上述光路换向单元9中的第二偏振分束器2也可以换成反射镜。本实施例中，进行相位延迟采用的光学器件为相位调制装置6；优选地相位调制装置6为液晶相位可变延迟器，除了为本实施例的液晶相位可变延迟器外，还可以为宽带消色差波片等其它能使反射光相位与透射光相位一致的相位调制装置。
57.步骤3：将步骤1获得的透射光与步骤2经相位延迟后的反射光进行合束，获得合束光；参见图1，本实施例中，进行合束采用的光学器件为光束合束单元7；在本实施例中，光束合束单元7为透镜组成的双目合束形式，除了为本实施例的透镜组成的双目合束形式外，也可以为2
×
1光纤耦合形式等其它能够实现合束功能的光束合束单元。
58.步骤4：步骤3获得的合束光和超声波在声光可调谐滤波器内发生互作用，输出衍射光。
59.参见图1，本发明一种提高声光可调谐滤波器衍射效率的系统，包括声光可调谐滤波器8以及设置在其前端的偏振单元10。
60.上述偏振单元10包括第一偏振分束器1、线偏振片3、光路换向单元9、相位调制装置6以及光束合束单元7。第一偏振分束器1用于接收来自目标的自然光或非偏振入射光，并将其分束为透射光和反射光，且透射光的偏振方向与声光可调谐滤波器8入射光的偏振方向一致；上述第一偏振分束器1为偏振分束立方棱镜；上述线偏振片3、光路换向单元9由近及远依次设置在第一偏振分束器1的反射光路上；在本实施例中，优选地线偏振片3为高消光比的线偏振片；上述光路换向单元9用于使经线偏振片3线偏振处理后的反射光的光路方向，与第一偏振分束器1分束后获得的透射光的光路方向平行；在本实施例中，优选地上述光路换向单元9包括第一反射镜4、第二反射镜5以及第二偏振分束器2；第一反射镜4设置在线偏振片3的出射光路上，第一反射镜4的反射面朝向线偏振片3，且与线偏振片3的出射光的夹角不等于90
°
；第二反射镜5设置在第一反射镜4的出射光路上；第二反射镜5与第一反射镜4垂直设置，且二者的反射面相向设置；第二偏振分束器2设置在第二反射镜5的出射光路上，且第二偏振分束器2的反射光路与第一偏振分束器1的透射光路同向；第二偏振分束器2为偏振分束立方棱镜。上述光路换向单元9中的第二偏振分束器2也可以换成反射镜。上述相位调制装置6设置在光路换向单元9的出射光路上；本实施例中，优选地相位调制装置6为液晶相位可变延迟器，除了为本实施例的液晶相位可变延迟器外，还可以为宽带消色差波片等其它能使反射光相位与透射光相位一致的相位调制装置。上述光束合束单元7用于对第一偏振分束器1分束后的透射光和经相位调制装置6相位调制后的反射光进行合束；在本实施例中，光束合束单元7为透镜组成的双目合束形式，除了为本实施例的透镜组成的双目合束形式外，也可以为2
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1光纤耦合形式等其它能够实现合束功能的光束合束单元。上述声光可调谐滤波器8设置在光束合束单元7的出射光路上。采用本发明的提高声光可调谐滤波器衍射效率的系统，可以输出强度更高光谱窄带宽的衍射光。