一种声光可调谐滤波器切型标定方法

技术领域

本发明涉及声光可调谐滤波技术领域，具体涉及声光可调谐滤器(Acousto-OpticTunable Filter-AOTF)的晶体切型标定方法。

背景技术

AOTF是一种基于声光衍射原理的光谱分光器件，具有高光谱分辨率、波长可任意调控且调谐速度快、无运动机构等优势，广泛应用于光谱探测、偏振成像、陷波滤波、光束偏转、空间滤波等。常见的AOTF器件主要有两种设计思路：共线设计和非共线设计。在共线设计下，相互作用的光波和声波传播方向相同；而在非共线设计下，光波和超声波的传播方向不同。非共线AOTF器件具有一些优势使其应用更加广泛，例如较大的角孔径，可以选择更多具有较大声光优值的材料等。典型地，二氧化碲(TeO

晶体切型是AOTF器件的关键特性，决定了器件的光谱和空间响应，影响着光谱成像探测系统的光学设计。复杂的制备工艺使得晶体切型设计参数值和实际参数值之间存在差异，因此仅利用切型设计参数进行系统分析与设计，将导致结果的不准确。因此，AOTF器件晶体切型标定是光谱探测系统设计的重要一环。

针对该问题，专利(CN101706362A)提出了一种采用频率调谐曲线拟合的声光可调谐滤波器参数定标方法，仅能对晶体切型的超声切角进行标定，且测试条件比较苛刻，可操作性及鲁棒性较差，且该专利未涉及相关测试精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于入射极角-超声频率匹配关系的声光可调谐滤波器晶体切型标定方法，可用于完整标定AOTF器件的实际切型参数。

为了解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：提出了一种基于入射极角-超声频率匹配关系的声光可调谐滤波器晶体切型标定方法；该方法首先建立了AOTF器件晶体切型参数与外部定标参数之间的精确理论模型；基于该模型，设计了定标参数测试装置，用于获取AOTF外部入射光极角与匹配调谐频率定标数据；最后基于最小均方根误差准则便可以反演其实际晶体切型参数，从而实现对AOTF器件晶体切型所对应的三个特征切角进行精确标定。

本发明提出的标定方法主要包含以下步骤：

(1)建立精确的AOTF参数理论模型；

(2)通过测试装置获取入射极角、匹配调谐频率等定标参数组；

(3)遍历输入AOTF晶体切型参数，获取理论定标参数组；

(4)计算实测数据组与理论数据组之间的均方根误差，以最小均方根误差准则进行判断；

(5)输出待测AOTF器件晶体切型参数，该参数组对应于最小均方根误差时第(3)步所输入的晶体切型参数。

本发明与现有AOTF晶体切型标定方法相比优点在于：(1)该方法可以完整标定AOTF器件晶体切型数据的三个特征切角；(2)考虑了TeO

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为标定方法流程图；

图2为AOTF器件晶体切型参数示意图；

图3为正、反向标定模式示意图；

图4为声光作用波矢量布局示意图；

图5为测试装置示意图；

图6为实测数据组与理论数据组之间的均方根误差分布图；

图7为标定结果数据图，数据点为实测数据组，理论曲线为标定结果所对应的理论数据组；

表1为本发明建模分析过程中所涉及的常量参数表；

具体实施方式

以下结合附图对本发明提出的一种声光可调谐滤波器切型标定方法进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明所提出的标定方法主要包含：建立模型、定标测试及参数反演三个关键步骤。主要目标为完整标定AOTF器件晶体切型数据的三个特征切角

首先针对建立模型方面。所述精确理论模型主要涉及两个分析过程，(1)折射过程：基于入射光极角解算晶体内折射光极角；(2)声光衍射过程：基于晶体内波矢量布局解算匹配调谐频率。首先分析折射过程，相关参数说明如图3所示。入射面折射作用满足折射定律为：

n

其中，θ

上标o、e用于区分寻常(ordinary-o)光和非寻常(extraordinary-e)光。n

其中

该式说明需要正、反向两次标定才可以得到完整的AOTF器件晶体切型数据，如图3所示。若令x＝tanθ

该式为一元二次方程，故x值易解得。此时综合式(1)-(5)后可得外部入射光极角、晶体内折射光极角及晶体切型数据之间的关系：

该式可解析求解。

进一步分析声光衍射过程，AOTF声光衍射作用常通过波矢量布局进行解算，如图4所示。满足动量匹配时，衍射效率最高，此时波矢量布局中入射光波矢

声波矢满足：

其中f

其中V

根据波矢量布局，A点坐标(x

进而需要求解B点坐标(x

进一步联合波矢量椭球方程(7)可得：

F

F

该式为一元二次方程，B点左右易得，可以解得

f

联合式(6)和(13)后可得：

该式便建立了外部入射光极角与匹配调谐频率之间的精确模型，解算过程中的常量参数如表1所示。通过该式可知，当入射光波长λ及外部极角θ

进一步针对定标测试方面。基于该模型，本发明设计了定标参数测试装置，如图所示。该装置由已知波长的单色激光器、起偏器、精密旋转台及光电探测器构成。在本发明示例中，具体实施时，衰减器采用交叉偏振片用于控制入射光强，待测试AOTF器件放置于精密旋转台上。另有一片偏振片作为起偏器控制进入AOTF器件的入射光偏振态。光电探测器选用可见光相机，相比于功率计，其可以同时探测AOTF器件出射衍射光和透射全色光，有利于避免激光器功率及偏振态不稳定所引起的测量误差。同时，如前文分析所述，该标定方法需要翻转AOTF器件的入射面和出射面，分别进行标定，才能实现对AOTF器件晶体切型所对应的三个特征切角进行全面标定。标定过程中，需要记录的定标数据主要为外部入射光极角及匹配调谐频率数据组。具体实施时，首先需要通过激光器反射激光点是否与出射点相重合的方法，确保入射光与AOTF入射面相垂直，并记录下精密旋转台在该位置处的标尺值作为参考零点，其他外部入射光极角则基于该参考值进行调整。每一个外部入射光极角θ

最后针对参数反演方面。基于采集得到的实测标定数据组和多组理论计算数据组，本发明需要分别计算他们之间的均方根误差(Root Mean Square Error -RMSE)为：

其中N为采样点数，F

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

表1

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