本專利涉及主動(dòng)光電技術(shù)領(lǐng)域，具體指適應(yīng)激光出射波長(zhǎng)偏差及變化，利用聲光可調(diào)濾光器光譜電調(diào)可選特性，結(jié)合光電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)濾光光譜可自適應(yīng)智能選擇的窄帶濾光系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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激光因其單色性好，準(zhǔn)直性高，相干性好等諸多優(yōu)點(diǎn)自出現(xiàn)以來，廣泛運(yùn)用在主動(dòng)光電技術(shù)領(lǐng)域，特別是可調(diào)諧激光器的出現(xiàn)和發(fā)展，使激光在光譜探測(cè)、光通信等領(lǐng)域應(yīng)用逐漸增加。如波分復(fù)用(wavelength division multiplexing,WDM)技術(shù)對(duì)通信光源的激光器提出了更高的要求，以及隨著波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的技術(shù)日益成熟，其在光通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸增加。

窄帶濾光片作為濾光和選擇譜線的光學(xué)器件，是從帶通濾光片中細(xì)分而來，只對(duì)在峰值透射波長(zhǎng)附近的光波段有較高的透射作用,在其它波段表現(xiàn)為高反射。窄帶濾光片通帶相對(duì)更窄，一般為峰值中心波長(zhǎng)的5％以下，半峰值帶寬通常為1nm-40nm范圍，在激光技術(shù)、衛(wèi)星遙感探測(cè)以及目前正在飛速發(fā)展的光通訊技術(shù)中均存在廣泛的應(yīng)用。隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及探測(cè)器件微型化集成化的發(fā)展趨勢(shì),出現(xiàn)了窄帶多通道濾光片，與傳統(tǒng)的窄帶濾光片相比,窄帶多通道濾光片的通道數(shù)目多于一個(gè)。在接收同樣的信息量時(shí),窄帶多通道濾光片可以簡(jiǎn)化整機(jī)的光學(xué)系統(tǒng),減輕整機(jī)的載荷。

激光器的輸出波長(zhǎng)是非常重要的特性參數(shù)之一，決定著整個(gè)光電系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)、頻率等各項(xiàng)特性參數(shù)。對(duì)于單一波長(zhǎng)的激光器而言，只要選擇中心波長(zhǎng)合適的窄帶濾光片,偏轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌?就可調(diào)節(jié)出所需要的波長(zhǎng),調(diào)節(jié)方便。但是在復(fù)雜環(huán)境下，激光器的輸出容易受外界環(huán)境溫度和自身溫度變化的影響。例如，對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)其工作電流發(fā)生變化時(shí),激光器內(nèi)部溫度不均勻,器件溫度升高,會(huì)使激光器材料的折射率和帶隙寬度發(fā)生變化,導(dǎo)致光諧振腔尺寸增大、帶隙變窄,輸出波長(zhǎng)也隨之發(fā)生變化。當(dāng)光電接收系統(tǒng)對(duì)波長(zhǎng)非常敏感時(shí)，激光器輸出波長(zhǎng)的誤差將可能嚴(yán)重影響整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的性能。而另一方面，對(duì)于波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器而言，在需要對(duì)整個(gè)光譜段中的某幾個(gè)窄波段進(jìn)行測(cè)量分析時(shí),當(dāng)所需波段較少時(shí)可以使用更換不同固定波長(zhǎng)的濾光片的方法，但當(dāng)利用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器時(shí)可調(diào)諧需要很多任意波段且需要實(shí)時(shí)調(diào)諧時(shí),利用固定中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片就無法滿足需求。

窄帶濾光片在半峰值帶寬(Full Width Half Maximum,FWHM)附近有較高的透過率(50％-90％)。峰值透過率的高低要求視使用場(chǎng)合不同而不同。當(dāng)激光器的中心波長(zhǎng)和窄帶濾光片的峰值波長(zhǎng)重合時(shí)，達(dá)到最好的濾波效果，最大程度地抑制噪聲提高系統(tǒng)信噪比；而當(dāng)某些原因如激光器受外界環(huán)境溫度影響而導(dǎo)致輸出中心波長(zhǎng)和窄帶濾光片的峰值透過波長(zhǎng)不匹配的時(shí)候，如圖1所示，會(huì)造成以下影響：1.窄帶濾光片無法準(zhǔn)確地濾取激光器中心波長(zhǎng)處的激光束；2.由于中心波長(zhǎng)的不匹配導(dǎo)致激光通過窄帶濾光片后效率急劇下降，影響整個(gè)光電接收系統(tǒng)的信噪比。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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針對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)隨外界環(huán)境變化不穩(wěn)定及輸入激光光束波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)可能變化無法利用固定波段的窄帶濾光片逐一匹配的問題，利用AOTF特有的濾光波長(zhǎng)電控靈活可選的特性，以及濾光帶寬窄、效率高的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合光電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，專利適應(yīng)激光器輸出波長(zhǎng)誤差及變化的光譜電調(diào)可選及實(shí)現(xiàn)濾光光譜智能選擇的高效濾光系統(tǒng)。

如圖2所示，根據(jù)聲光可調(diào)諧濾波器的原理，通過施加于換能器上的射頻信號(hào)的頻率來改變衍射波長(zhǎng)，換能器將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波振動(dòng)在聲光介質(zhì)中傳播，與入射光產(chǎn)生非線性聲光效應(yīng)，將與驅(qū)動(dòng)頻率匹配波長(zhǎng)的入射光部分能量衍射并偏轉(zhuǎn)一定的角度，形成衍射光，而仍沿原方向出射的未衍射的入射光部分稱為0級(jí)光。改變加于換能器上的射頻頻率，衍射光的波長(zhǎng)也相應(yīng)改變。

AOTF晶體的衍射效率是指特定波長(zhǎng)的衍射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比，公式如下：

其中，λ為衍射波長(zhǎng)；M₂為聲光優(yōu)值；P_a為聲功率，正比于射頻驅(qū)動(dòng)功率；L為聲光互作用長(zhǎng)度；H為聲波傳輸距離。AOTF晶體在各波段的衍射效率可以通過優(yōu)化晶體的各項(xiàng)特性參數(shù)而達(dá)到很高。AOTF的濾光光譜帶寬也叫光譜分辨率，如圖所示，讀取衍射效率下降到最大值一半時(shí)的波長(zhǎng)點(diǎn)λ_min和λ_max，則中心波長(zhǎng)λ₀處的光譜分辨率為：Δλ＝|λ_max-λ_min|，典型AOTF的衍射光譜曲線為sinc²函數(shù)，且光譜分辨率很高，目前可以達(dá)到0.0125nm，沒有可動(dòng)部件，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)速度快，靈活性高。因此，綜合以上AOTF特性，利用聲光可調(diào)諧率光器對(duì)入射線偏振態(tài)的激光光束進(jìn)行實(shí)時(shí)地、智能跟隨窄帶濾光具有可行性。

本專利采用的技術(shù)方案如圖3所示：基于聲光調(diào)制激光波長(zhǎng)跟隨濾光的智能型窄帶濾光系統(tǒng)由AOTF晶體1，射頻驅(qū)動(dòng)裝置2、第一孔徑光闌3、第二孔徑光闌4、平面鏡6、探測(cè)器7、數(shù)據(jù)采集模塊8及FPGA控制模塊13組成，其原理如下所述：

1、調(diào)節(jié)AOTF，使激光光束的偏振基矢與AOTF晶體O光入射方向一致并垂直入射至AOTF晶體上；

2、FPGA控制模塊13的射頻驅(qū)動(dòng)控制模塊14控制射頻驅(qū)動(dòng)裝置施加射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)射頻驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行全波段掃描，智能地匹配輸入激光光束的中心波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)窄帶濾波。其中相應(yīng)波長(zhǎng)及帶寬的激光光束由+1級(jí)衍射光路出射，殘余的激光為0級(jí)非衍射光，由0級(jí)光光路出射。+1級(jí)衍射光經(jīng)過孔徑光闌提高光束質(zhì)量作為后端光電接收系統(tǒng)的窄帶輸入激光光束。

3、使用探測(cè)器7接收0級(jí)非衍射光信號(hào)，用于分析反饋控制實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)跟隨窄帶濾光功能；而+1級(jí)衍射光路出射的窄帶激光滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)φ瓗?、高效的濾光需求；兩者光路中設(shè)置第一孔徑光闌3，第二孔徑光闌4減小相互間及雜光的干擾，0級(jí)非衍射光路還采用平面反射鏡6以滿足組件緊湊型空間布局的要求。

4、開始工作時(shí)，F(xiàn)PGA控制模塊13的射頻驅(qū)動(dòng)控制模塊14控制射頻驅(qū)動(dòng)裝置改變射頻驅(qū)動(dòng)頻率使其在激光束理論中心波長(zhǎng)(理論中心波長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)射頻頻率為f₀)附近以一定的步長(zhǎng)及掃描深度f₀±f₁進(jìn)行掃描(步長(zhǎng)Δf及掃描深度f₁可調(diào)控)，此時(shí)+1級(jí)衍射光路及0級(jí)非衍射光路出射的激光能量發(fā)生變化；0級(jí)非衍射光路出射的激光能量變?nèi)鯐r(shí)，相應(yīng)+1級(jí)衍射光路出射的激光能量增強(qiáng)；監(jiān)測(cè)并記錄0級(jí)非衍射光路出射的激光能量變化曲線，由FPGA的數(shù)據(jù)處理模塊檢測(cè)曲線中光強(qiáng)最小值所對(duì)應(yīng)的射頻頻率f₀'并固定由該頻率值驅(qū)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輸出波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)跟隨與實(shí)時(shí)窄帶濾光匹配，實(shí)現(xiàn)高效的窄帶濾光功能。

5、工作中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)0級(jí)非衍射光路出射的激光能量變化，如果能量變大超過控制值，則按如上所述重新選擇適宜的射頻驅(qū)動(dòng)頻率，適應(yīng)激光器輸出波長(zhǎng)誤差及變化的高效濾光應(yīng)用。

本專利的核心在于：1)利用聲光可調(diào)制器件基于聲光衍射效應(yīng)的光譜靈活選擇性，以及窄帶寬特性實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束窄帶濾光；2)有效利用0級(jí)非衍射光信息，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，結(jié)合其與衍射光之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)智能型的濾光波長(zhǎng)可調(diào)諧的窄帶濾光。

本專利所描述的實(shí)時(shí)窄帶濾光系統(tǒng)的工作流程如圖4所示，共分為窄帶高效濾光調(diào)控及波長(zhǎng)實(shí)時(shí)跟隨兩部分，具體如下所述：

1)窄帶高效濾光調(diào)控流程如下：FPGA控制模塊13首先對(duì)濾光系統(tǒng)進(jìn)行全局化配置，射頻驅(qū)動(dòng)控制模塊控制射頻驅(qū)動(dòng)裝置施加射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)射頻驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行全波段掃描，以及按聲光效應(yīng)特性擬合好掃描譜段范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)-驅(qū)動(dòng)頻率曲線加載AOTF晶體的射頻驅(qū)動(dòng)頻率，智能地匹配輸入激光光束的中心波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)激光束中心波長(zhǎng)處的窄帶濾光。

2)激光波長(zhǎng)實(shí)時(shí)跟隨工作流程：FPGA控制模塊13確定射頻驅(qū)動(dòng)裝置的掃描步長(zhǎng)Δf、監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔Δt及掃描深度f₀±f₁進(jìn)行掃描(步長(zhǎng)Δf、時(shí)間間隔Δt及掃描深度f₁可調(diào)控)，并由探測(cè)器記錄當(dāng)前0級(jí)光的光強(qiáng)，并實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)直至掃描結(jié)束，由FPGA控制模塊13的數(shù)據(jù)處理模塊16檢測(cè)光強(qiáng)最小值I_min所對(duì)應(yīng)的射頻頻率f₀'并反饋至射頻驅(qū)動(dòng)控制模塊，作為新的射頻驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)入聲光調(diào)諧窄帶高效濾光流程，從而實(shí)現(xiàn)激光束的波長(zhǎng)跟隨窄帶濾光，從而適應(yīng)激光束的輸出波長(zhǎng)誤差。

本專利的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)基于AOTF晶體聲光調(diào)制的分光特性，提供一種新穎的適應(yīng)入射激光束中心波長(zhǎng)誤差的窄帶濾光方法，將驅(qū)動(dòng)后AOTF晶體出射的0級(jí)非衍射光加以利用，并作為激光波長(zhǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟隨裝置的測(cè)試光源，結(jié)合FPGA控制模塊和射頻驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)激光束的跟隨窄帶濾光，既提高了光能利用率，又利用簡(jiǎn)單高效的測(cè)試方法解決了激光束的輸出波長(zhǎng)誤差與傳統(tǒng)固定波長(zhǎng)濾光片不匹配的問題。

2)本專利所述系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)改變?yōu)V光裝置的峰值透過波長(zhǎng)以配合入射激光束的中心波長(zhǎng)，而且由于激光波長(zhǎng)跟隨裝置的引入，可以有效避免激光器在某一特定波長(zhǎng)附近由于工作溫度的變化等原因造成的輸出波長(zhǎng)誤差，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的對(duì)入射激光束進(jìn)行窄帶濾光。與現(xiàn)有激光束尤其是波長(zhǎng)可調(diào)諧激光束的窄帶濾光技術(shù)方法相比，大大簡(jiǎn)化工程復(fù)雜度，且光能利用率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，濾光單色性好，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基于該方法的窄帶濾光系統(tǒng)可以直接利用到對(duì)接收光波信號(hào)非常敏感的光電系統(tǒng)中，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值與參考意義。

附圖說明：

圖1窄帶濾光片濾光效果示意圖。(其中，圖(a)為中心波長(zhǎng)重合效果示意圖，圖(b)為中心波長(zhǎng)不重合效果示意圖，圖(c)為中心波長(zhǎng)重合輸出激光束仿真圖，圖(d)為中心波長(zhǎng)不重合輸出激光束仿真圖)。

圖2AOTF分光及光譜分辨率示意圖。其中，圖(a)聲光可調(diào)諧濾光器分光原理示意圖，圖(b)為聲光可調(diào)諧濾光器光譜分辨率示意圖，圖(c)聲光可調(diào)諧濾光器的峰值半高寬(FWHM)。

圖3智能型聲光調(diào)制激光波長(zhǎng)跟隨窄帶濾光系統(tǒng)示意圖。

圖4系統(tǒng)工作流程圖。其中，圖(a)為聲光調(diào)諧窄帶濾光流程示意圖，圖(b)聲光調(diào)諧波長(zhǎng)跟隨窄帶濾光流程示意圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖給出本專利的一個(gè)較好的實(shí)施例，如圖3所示，用以說明本發(fā)面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和實(shí)施方法，而非用來限定本項(xiàng)專利的應(yīng)用范圍?；诼暪庹{(diào)制激光波長(zhǎng)跟隨濾光的智能型窄帶濾光系統(tǒng)實(shí)施例包括以下幾個(gè)部分：

(1)AOTF晶體1：實(shí)施方案選用中電26所研制的可見近紅外AOTF晶體(波長(zhǎng)范圍400nm～1000nm，光譜分辨率0.3-0.5nm)作為聲光可調(diào)諧濾波器件，實(shí)際工程中可以根據(jù)對(duì)激光束波長(zhǎng)范圍的具體應(yīng)用要求更換其它譜段的AOTF晶體(如短波紅外譜段波長(zhǎng)范圍900～2300nm)或采用多塊晶體集成的方法拓寬本專利所述系統(tǒng)的光譜應(yīng)用范圍。

(2)射頻驅(qū)動(dòng)裝置2：采用本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的AOTF晶體配套射頻驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)晶體產(chǎn)生衍射出射光。

(3)第一孔徑光闌3、第二孔徑光闌4：本實(shí)施方案選用大恒光電GCM-57可變光闌作為孔徑光闌，最小孔徑直徑0.5mm。

(5)光電接收裝置5：本實(shí)施方案選用美國ASD公司可見-短波紅外光譜儀作為光電接收裝置，光譜覆蓋范圍400～2500nm，光譜分辨率為1nm，該裝置可以通過探測(cè)AOTF晶體+1級(jí)出射光的中心波長(zhǎng)來檢測(cè)本專利所述智能型激光波長(zhǎng)窄帶濾光系統(tǒng)的濾光效果。實(shí)際工程中可根據(jù)需要選取任何利用窄帶光源的光電接收裝置，如光通信模塊，光電檢測(cè)及測(cè)量裝置等等。

(6)平面鏡6：本實(shí)施方案選用茂豐光電銀膜反射鏡OQAg-12.7，波長(zhǎng)覆蓋可見光及紅外譜段，直徑12.7mm，反射率大于99％。

(7)探測(cè)器7：本實(shí)施方案選用方元明科技光敏面直徑為的FYM-SD型探測(cè)器，光敏面直徑2.5mm，響應(yīng)時(shí)間6ns，響應(yīng)光譜范圍400～1000nm，實(shí)際工程中可根據(jù)具體需要選取相應(yīng)波段的探測(cè)器。

(8)數(shù)據(jù)采集模塊8：數(shù)據(jù)采集模塊包括探測(cè)器的I/V轉(zhuǎn)換電路(9)、放大(10)、低通濾波(11)及A/D采樣電路(12)。

(9)FPGA控制模塊13：FPGA控制模塊包括射頻驅(qū)動(dòng)控制模塊(14)，A/D采樣控制模塊(15)，數(shù)據(jù)處理模塊(16)。

智能型聲光調(diào)制激光波長(zhǎng)跟隨窄帶濾光系統(tǒng)具體實(shí)施例工作原理如下所述：

1.白光激光器發(fā)出的寬譜段連續(xù)激光(400nm～2500nm)依次經(jīng)過孔徑光闌空間濾波和格蘭棱鏡變?yōu)榫€偏振態(tài)激光束后垂直射入AOTF晶體表面，確定窄帶濾光的中心波長(zhǎng)，通過FPGA控制射頻驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)激光束波長(zhǎng)的窄帶濾光。

2.經(jīng)過窄帶濾光的+1級(jí)線偏振態(tài)激光束經(jīng)過孔徑光闌后由ASD光譜儀作為光電接收裝置接收，光譜儀對(duì)激光束進(jìn)行光譜探測(cè)，用以驗(yàn)證出射光束的中心波長(zhǎng)與理論輸入的中心波長(zhǎng)是否吻合，能否達(dá)到預(yù)期的窄帶濾光效果。

3.AOTF晶體出射的0級(jí)非衍射光由探測(cè)器實(shí)時(shí)探測(cè)，具體工作流程如圖4所示，完成出射激光波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將當(dāng)前的中心波長(zhǎng)信息反饋給FPGA射頻驅(qū)動(dòng)控制模塊，作為新的輸入中心波長(zhǎng)信息調(diào)節(jié)射頻驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)激光束的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與跟隨以適應(yīng)激光束的輸出波長(zhǎng)誤差。

本專利所涉及的智能型聲光調(diào)制激光波長(zhǎng)跟隨窄帶濾光系統(tǒng)，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光能利用率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，工作流程清晰，相比傳統(tǒng)的固定波長(zhǎng)的窄帶濾光片，既能夠靈活、高效的匹配不同中心波長(zhǎng)的激光束而避免更換多個(gè)窄帶濾光片而完成窄帶濾光，又能夠解決由于工作溫度等外界環(huán)境變化引起的激光器輸出中心波長(zhǎng)漂移的問題，很好地適應(yīng)輸出波長(zhǎng)誤差而不至于由于固定窄帶濾光片的不匹配造成的光強(qiáng)大幅衰減，且由于AOTF晶體超高的光譜分辨率窄帶濾光效果更佳，激光束的單色性更好，能夠很好地適應(yīng)主動(dòng)光電技術(shù)與光電檢測(cè)領(lǐng)域?qū)す鈫紊缘囊蟆?/p>