聲光調(diào)制型寬譜段多通道偏振單色光源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聲光調(diào)制型寬譜段多通道偏振單色光源，該裝置利用拋物面反光罩、共焦離軸拋物面反射鏡和光闌提高了光能利用效率的同時(shí)減少了雜光的干擾；經(jīng)分色片分束而成的可見、短波、中波紅外三個(gè)波譜通過聲光可調(diào)濾波器的調(diào)制，得到從可見到中波紅外的寬譜段、多通道、可調(diào)諧偏振單色光源。該光源內(nèi)部無移動(dòng)部件，具有光譜特性穩(wěn)定、線偏振特性高、小型化、低功耗、輕量型等優(yōu)點(diǎn)，可以很好的滿足野外環(huán)境的需求。
【專利說明】聲光調(diào)制型寬譜段多通道偏振單色光源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多通道偏振單色光源，具體指一種基于聲光可調(diào)濾光器分光的寬譜段、多通道、小型化的光譜可調(diào)諧偏振單色光源，適用于光譜檢測(cè)、分析等相關(guān)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]偏振單色光源不僅是實(shí)驗(yàn)室的理想光源，而且在攝影技術(shù)、醫(yī)學(xué)研究、各向異性材料的顯示、物質(zhì)的分類和鑒別、產(chǎn)品質(zhì)量的控制等領(lǐng)域也有著十分廣泛的需求。從立體電影的拍攝和觀看，到智能樓宇的設(shè)計(jì)和建設(shè)；從上海世博會(huì)開幕式令人心動(dòng)的大屏幕投影技術(shù)，到眼科視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度的測(cè)量；從倫敦奧運(yùn)會(huì)跳水運(yùn)動(dòng)首次實(shí)現(xiàn)水下境況的電視直播，到城市路面夜間行駛的普通汽車燈光，都和光的偏振特性、單色特性密不可分。獲得單色光源的主要手段有激光器和單色儀。激光器是一種理想的單色、偏振光源，但激光器受其發(fā)射機(jī)理的限制，其波段比較單一，很難在寬波段范圍實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧，此外一些激光器需要高功率的泵浦源、水冷等復(fù)雜的配套設(shè)備，使其在室外的應(yīng)用受到限制。單色儀使用廣泛，如圖3所示，單色儀光路主要有照明光源、狹縫、離軸拋物面反射鏡Ml、閃耀光柵、離軸拋物面反射鏡M2，出射狹縫S2組成。光源發(fā)出的光均勻地照亮在入射狹縫SI上，SI位于離軸拋物面鏡的焦面上。從入射狹縫SI出射的光經(jīng)過Ml的反射平行照射到光柵上，光柵衍射的光經(jīng)過M2會(huì)聚到出射狹縫S2上，由于光柵的衍射作用，各衍射后的單色光按波長(zhǎng)依次排列，從出射狹縫出射，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出射的光由短波到長(zhǎng)波依次出現(xiàn)，從而寬譜段可調(diào)的單色光發(fā)生功能。
[0003]上述兩種現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一、對(duì)激光器而言，其很難在寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧，且激光器需要較高的泵浦功率，不能滿足室外需求；二、對(duì)單色儀而言，首先，其利用閃耀光柵分光，依靠步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)光譜的掃描輸出，具有穩(wěn)定性較差、需多次標(biāo)定的缺點(diǎn)；其次，單色儀出射光源的線偏振特性差，要獲得高消光比的單色光輸出，需要附加其他的偏振器件；最后，單色儀整個(gè)裝置笨重，且功耗較大，不能滿足便攜性及室外應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)光譜分析對(duì)穩(wěn)定偏振單色光源的需求，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用AOTF獨(dú)特的分光特性，以及小體積、無移動(dòng)部件、電調(diào)制光譜的優(yōu)點(diǎn)，得到寬波段、多通道、可調(diào)諧的偏振單色光源。
[0005]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有單色光源不能同時(shí)滿足寬譜段光譜可調(diào)諧和線偏振特性要求的技術(shù)難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)儀器的小型化、便攜性。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如圖2所示:光路由鹵素?zé)魧捵V光源1、拋物面反光罩2、第一離軸拋物面反射鏡3、孔徑光闌4、第二離軸拋物面反射鏡5、第一分色片6、第一A0TF7、第二分色片8、第二 A0TF9、第三A0TF10、主控電路11、電腦12組成。其工作方式如下所述:
[0007]鹵素?zé)魧捵V光源I發(fā)出的寬譜連續(xù)光依次被拋物面反光罩2和第一離軸拋物面反射鏡3反射，然后通過孔徑光闌4空間濾波，繼而被第二離軸拋物面反射鏡5準(zhǔn)直成寬譜平行光；該平行光經(jīng)過第一分色片6被分成可見與紅外兩束光,其中可見光反射后垂直入射第一 A0TF7 ;紅外光按原光路入射至第二分色片8,再分成短波紅外與中波紅外兩束光,短波紅外反射后垂直入射第二 A0TF9，中波紅外按原光路直入射第三AOTFlO ;主控電路11實(shí)現(xiàn)對(duì)第一 A0TF7、第二 A0TF9、第三A0TF10的驅(qū)動(dòng)控制及鹵素?zé)魧捵V光源I的控制。由此實(shí)現(xiàn)可見到中波紅外寬譜段的連續(xù)偏振光的光譜可調(diào)諧輸出。
[0008]本發(fā)明偏振單色光源的工作原理如下所述:
[0009]1、額定功率20W，額定電壓12V的鹵素?zé)魧捵V光源I置于焦距20mm、孔徑20mm的鋁制拋物面反光罩2的焦點(diǎn)；直徑76.2mm、單焦長(zhǎng)38.1mm、有效反射焦長(zhǎng)76.2mm、離軸角90
。的拋物面反光鏡3與直徑25.4mm、單焦長(zhǎng)12.7mm、有效反射焦長(zhǎng)25.4mm、離軸角90。的離軸拋物面鏡5共焦放置；直徑0.5mm的孔徑光闌4位于離軸拋物面鏡3、5的共同焦點(diǎn)位置。鹵素?zé)魧捵V光源I發(fā)出的寬譜連續(xù)光依次被拋物面反光罩2和第一離軸拋物面反射鏡3反射，然后通過孔徑光闌4空間濾波，繼而被第二離軸拋物面反射鏡5準(zhǔn)直成寬譜平行光。
[0010]2、入射角45。、厚度lmm、350nm-1000nm范圍內(nèi)反射率大于90%、波長(zhǎng)大于IOOOnm范圍內(nèi)透過率大于85%的第一分色片6和入射角45。、厚度為lmm、1000nm-2500nm范圍內(nèi)反射率大于90%、2500nm-5000nm范圍內(nèi)透過率大于90%的第二分色片8的結(jié)合使用，將鹵素?zé)魧捵V光源I發(fā)出的經(jīng)過空間濾波的寬譜連續(xù)平行光依次分成350nm-1000nm、1000nm-2500nm、2500nm-5000nm 三個(gè)連續(xù)波段。
[0011]3、350nm-1000nm范圍內(nèi)衍射效率85%的第一 A0TF7在控制電路11及電腦12的控制下，對(duì)垂直入射的波長(zhǎng)350nm-1000nm的光進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)350nm-1000nm范圍內(nèi)的多通道、可調(diào)諧、偏振單色光輸出；1000nm-2500nm范圍內(nèi)衍射效率90%的第二 A0TF9在主控電路11及電腦12的控制下，對(duì)垂直入射的波長(zhǎng)1000nm-2500nm的光進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)1000nm-2500nm范圍內(nèi)的多通道、可調(diào)諧、偏振單色光輸出，2500nm-5000nm范圍內(nèi)衍射效率80%的第三A0TF10在主控電路11及電腦12的控制下，對(duì)垂直入射的波長(zhǎng)2500nm-5000nm的光進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)2500nm-5000nm范圍內(nèi)的多通道、可調(diào)諧、偏振單色光輸出。
[0012]本發(fā)明的核心在于使用第一 A0TF7、第二 A0TF9、第三A0TF10實(shí)現(xiàn)光譜選擇及偏振控制。AOTF的分光原理如圖4所示，它是根據(jù)聲光衍射原理制成的分光器件，由三部分組成，即聲光介質(zhì)、換能器陣列、吸聲體。換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為在晶體內(nèi)的超聲波振動(dòng)，超聲波使介質(zhì)的折射率產(chǎn)生了空間周期性的調(diào)制，其作用像位相光柵。當(dāng)滿足布拉格衍射條件時(shí)，入射光照射到此光柵后將產(chǎn)生布拉格衍射，其衍射光的波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的頻率有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以只要改變驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的頻率，即可改變衍射光的波長(zhǎng)。利用Te02制作的AOTF其+1、_1級(jí)衍射光為偏振比很高的(3000:1)的線偏振光，且能普遍用于可見到中波紅外波段。通過改變第一A0TF7的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，就可以在可見光波段獲得可調(diào)波長(zhǎng)的偏振、單色光源；通過改變第二 A0TF9的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，就可以在短波紅外波段獲得可調(diào)波長(zhǎng)的偏振、單色光源；通過改變第三A0TF10的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，就可以在中波紅外波段獲得可調(diào)波長(zhǎng)的偏振、單色光源。
[0013]本發(fā)明的工作流程如圖5所示，啟動(dòng)電腦中的控制軟件以后，在軟件內(nèi)輸入需要的波長(zhǎng)信息，并按光功率要求設(shè)定鹵素?zé)魧捵V光源電流，系統(tǒng)將自動(dòng)判定波長(zhǎng)所處的波譜范圍，將波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的偏壓置于相應(yīng)的AOTF獲得所需波長(zhǎng)的偏振光，若輸出的光強(qiáng)不滿足所需條件，則調(diào)節(jié)鹵素?zé)魧捵V光源的電流，重新獲得光源輸出。當(dāng)所需要的波長(zhǎng)不在系統(tǒng)的波譜范圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示“輸入錯(cuò)誤，請(qǐng)重輸入”。當(dāng)前狀態(tài)下使用完畢時(shí)，如需繼續(xù)使用其他波長(zhǎng)，則重新設(shè)定波長(zhǎng)，重復(fù)上述過程，獲得所需波長(zhǎng)的光源輸出，否則關(guān)機(jī)結(jié)束。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用聲光調(diào)制濾光器的多通道寬譜段、小型化、可調(diào)諧偏振單色光源具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):一、利用AOTF聲光效應(yīng)特性，產(chǎn)生正交偏振特性的波長(zhǎng)可調(diào)的+1、或-1級(jí)衍射光，其消光比為3000:1，能實(shí)現(xiàn)高消光比的正交偏振光譜可調(diào)的單色光輸出；二、寬譜段共反射前光路，并通過分色片實(shí)現(xiàn)多通道譜段分離，結(jié)合匹配的A0TF，實(shí)現(xiàn)寬譜段多通道的單色光輸出；三、使用AOTF為主要分光器件，其非機(jī)械掃描的特性具有波長(zhǎng)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗震性能好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，且集成度高、體積小、重量輕、便于攜帶，適合外場(chǎng)惡劣環(huán)境應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為水平傳播光的偏振特性的標(biāo)識(shí)。
[0016]圖2為光源組成示意圖。
[0017]圖3為典型光柵分光單色儀的示意圖。
[0018]圖4為AOTF分光的示意圖。
[0019]圖5為光源工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0021]本發(fā)明采用以下主要器件:
[0022]1.鹵素?zé)魧捵V光源:光源采用德國(guó)歐司朗照明有限公司的HalogenDisplay/Optic Lamp，型號(hào)為64258，其額定功率20W，額定電壓12V。
[0023]2.拋物面金屬反光罩:選用鋁質(zhì)材料加工定做，其焦距20臟，口徑20mm。
[0024]3.第一離軸拋物面鏡:第一離軸拋物面鏡選用北京茂豐光電科技有限公司的離軸拋物面鏡，型號(hào)為0QALM76.2-002，其主要參數(shù)為直徑76.2mm,單焦長(zhǎng)38.1mm,有效反射焦長(zhǎng)76.2,尚軸角90
[0025]4.孔徑光闌:孔徑光闌為金屬圓孔光闌，孔徑直徑0.75mm。
[0026]5.第二離軸拋物面鏡:第二離軸拋物面鏡選用北京茂豐光電科技有限公司的離軸拋物面鏡，型號(hào)為0QALM25.4-001，其主要參數(shù)為直徑25.4mm，單焦長(zhǎng)12.7mm，有效反射焦長(zhǎng)25.4mm,離軸角90
[0027]6.第一分色片:第一分色片采用TH0RLABS公司的分色鏡，型號(hào)為FM203，其主要參數(shù)為，入射角45。，厚度I毫米，350nm-1000nm的反射率大于90%，波長(zhǎng)大于IOOOnm的透過
率大于85%。
[0028]7.第一 AOTF:第一 AOTF使用美國(guó)CTI公司成產(chǎn)的聲光可調(diào)諧濾波器(A0TF)，其型號(hào)為97-01776-01，主要參數(shù)為，波長(zhǎng)范圍為350nm-1000nm，衍射效率85%。
[0029]8.第二分色片:第二分色片采用TH0RLABS公司的二向色鏡，型號(hào)為DMLP1200高通二向色鏡，其主要參數(shù)為，截止頻率2500nm，1000nm-2500nm范圍的反射率大于90%，2500nm-5000nm范圍的透過率大于90%。[0030]9.第二 AOTF:第二 AOTF使用美國(guó)CTI公司成產(chǎn)的聲光可調(diào)諧濾波器(A0TF)，其型號(hào)為97-01608-01，主要參數(shù)為，波長(zhǎng)范圍為1000nm-2500nm，衍射效率90%。
[0031]10.第三AOTF:第三AOTF使用美國(guó)CTI公司成產(chǎn)的聲光可調(diào)諧濾波器(A0TF)，其型號(hào)為97-02405-01，主要參數(shù)為，波長(zhǎng)范圍為2500nm-5000nm，衍射效率80%。
[0032]11.主控電路為自制電路板，有電源、數(shù)控等模塊組成。
[0033]12.電腦采用聯(lián)想公司生產(chǎn)的臺(tái)式電腦，其型號(hào)為聯(lián)想Eraser異能者D305。
[0034]本發(fā)明主要工作原理如圖2所表述:
[0035]1.鹵素?zé)魧捵V光源I發(fā)出的寬譜連續(xù)光依次被拋物面反光罩2和第一離軸拋物面反射鏡3反射，然后通過孔徑光闌4空間濾波，繼而被第二離軸拋物面反射鏡5準(zhǔn)直成寬譜平行光；
[0036]2.該平行光經(jīng)過第一分色片6被分成可見與紅外兩束，其中可見光反射后垂直入射第一 A0TF7 ;紅外光按原光路入射至第二分色片8,再分成短波紅外與中波紅外兩束光，短波紅外反射后垂直入射第二 A0TF9，中波紅外按原光路直入射第三A0TF10 ；
[0037]3.主控電路11實(shí)現(xiàn)對(duì)第一 A0TF7、第二 A0TF9、第三A0TF10的驅(qū)動(dòng)控制及鹵素?zé)魧捵V光源I的控制。最終實(shí)現(xiàn)可見到中波紅外寬譜段的連續(xù)偏振光的光譜可調(diào)諧輸出。
[0038]本發(fā)明的工作流程如圖5所示，啟動(dòng)電腦中的控制軟件以后，在軟件內(nèi)輸入需要的波長(zhǎng)信息，并按光功率要求設(shè)定鹵素?zé)魧捵V光源電流，系統(tǒng)將自動(dòng)判定波長(zhǎng)所處的波譜范圍，將波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的偏壓置于相應(yīng)的AOTF獲得所需波長(zhǎng)的偏振光，若輸出的光強(qiáng)不滿足所需條件，則調(diào)節(jié)鹵素?zé)魧捵V光源的電流，重新獲得光源輸出。當(dāng)所需要的波長(zhǎng)不在系統(tǒng)的波譜范圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示“輸入錯(cuò)誤，請(qǐng)重輸入”。當(dāng)前狀態(tài)下使用完畢時(shí)，如需繼續(xù)使用其他波長(zhǎng)，則重新設(shè)定波長(zhǎng)，重復(fù)上述過程，獲得所需波長(zhǎng)的光源輸出，否則關(guān)機(jī)結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.一種聲光調(diào)制型寬譜段多通道偏振單色光源，它由鹵素?zé)魧捵V光源(1)、拋物面反光罩(2)、第一離軸拋物面反射鏡(3)、孔徑光闌(4)、第二離軸拋物面反射鏡(5)、第一分色片(6)、第一 AOTF (7)、第二分色片(8)、第二 AOTF (9)、第三AOTF (10)、主控電路(11)和電腦(12)組成，其特征在于: 鹵素?zé)魧捵V光源(1)發(fā)出的寬譜連續(xù)光依次被拋物面反光罩(2)和第一離軸拋物面反射鏡(3)反射，然后通過孔徑光闌(4)空間濾波，繼而被第二離軸拋物面反射鏡(5)準(zhǔn)直成寬譜平行光；該平行光經(jīng)過第一分色片(6)被分成可見與紅外兩束光，其中可見光反射后垂直入射第一 AOTF (7);紅外光按原光路入射至第二分色片(8)，再分成短波紅外與中波紅外兩束光，短波紅外反射后垂直入射第二 AOTF (9)，中波紅外按原光路直入射第三AOTF(10);主控電路(11)實(shí)現(xiàn)對(duì)第一 AOTF (7)、第二 AOTF (9)、第三AOTF (10)的驅(qū)動(dòng)控制及鹵素?zé)魧捵V光源(1)的控制，由此實(shí)現(xiàn)可見到中波紅外寬譜段的連續(xù)偏振光的光譜可調(diào)諧輸出。
【文檔編號(hào)】G01J3/10GK103900689SQ201410120994
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】何志平, 楊秋杰, 劉經(jīng)緯, 徐映宇, 張小衛(wèi), 王建宇, 舒嶸 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所