摘 要:概述了声光可调谐滤光器(AOTF)的基本色散原理,详细介绍了以AOTF为色散元件的红外光谱测量系统的组成以及采用聚苯乙烯作样品的测量结果。文中对准直发射系统、聚焦接收系统的设计进行了详细分析并提出工作距离的概念和设计要求,与此同时对直接数字频率合成器(DDS)的使用以及DDS与数字信号处理器(DSP)之间的接口设计进行了介绍。理论和实验表明,以AOTF色散元件的红外光谱测量系统结构简单,测量速度快,可广泛应用于在线光谱分析场合,本系统光谱测量范围为2.5～5.0μm,光谱分辨率为10 nm。
1 引言
传统的光谱仪器采用棱镜或光栅做为色散元件。以这些元件为核心的红外分析仪,结构复杂,设计和生产成本高,输出单色红外光信号弱,使得这些仪器在实际应用中受到一定的限制。声光可调谐滤光器(AOTF)作为一种新型的色散元件,具有棱镜与光栅所无法比拟的优点:
(1)电调谐实现波长扫描,适合于快速光谱分析工作;
(2)具有大的角孔径、集光能力强、衍射效率高,适合于进行微弱光信号的光谱分析;
(3)以AOTF为色散元件的光谱测量系统没有机械运动部件,减少了测量结果的误差来源,同时简化了仪器结构。
2 声光可调谐滤光器(AOTF)的结构与工作原理[1～3]
AOTF由三部分组成,即换能器阵列、声光介质和声终端。其结构和工作原理如图1所示。
RF驱动器产生射频信号加到换能器阵列上,激励出声波传入声光介质中。为了防止声波反射,透过介质的声波被声终端吸收。入射声波和入射光波在声光介质内相互作用,满足动量匹配条件的单色衍射光从器件出射。当入射光波为自然光时,将有两束衍射光同时出现,一束为e光,另一束为o光。其余波长的光不满足动量匹配条件,直接从器件透射。改变RF驱动器的频率,将有不同波长的衍射光从器件出射,从而以电调谐实现波长扫描。
3 红外光谱测量系统的整体结构
红外光谱测量系统由发射系统和接收系统两大部分组成。其中发射系统包括光源、反射镜、调制盘、AOTF以及RF驱动器,接收系统包括聚焦、探测器、接收电路、数据处理和光谱显示。整体结构如图2所示。
4 发射系统的设计
4.1 RF驱动器设计
在线红外测量系统波长扫描功能通过RF驱动器的频率扫描来实现,其组成如图3所示。
RF驱动器采用数字信号处理器(DSP)做微控制器。在DSP命令字控制下直接数字频率合成器(DDS)产生频率可调的高频信号,经RF功放后驱动压电换能器,产生声波在声光介质内与入射光相互作用。DSP采用TI公司的TMS320F206,DDS采用AD公司的AD9851[4,5]。DDS的功能如图4所示。
图中M为DSP产生的频率控制码,fref为晶振产生的高稳定性参考频率,fout为输出频率,且
fout=fref×(M/2N) (1)
式中 M为由DSP写入相位寄存器中的频率控制字;N为相位累加器的位数。采用DDS直接数字频率合成器具有频率转换速度快和频率稳定性好等特点,以适应快速光谱测量的场合。DSP与DDS的接口电路如图5所示。DSP采用8位数据总线方式,数据经数据锁存器送到DDS,40位频率控制字分5次传送。
4.2 光学系统设计
(1)对入射光束的平行性要求
AOTF具有一定的角孔径。当入射光束发散角过大时,衍射光强度下降。另外,衍射光衍射角较小,如果入射光束平行性差,则难以将衍射光束与透射光束进行分离。本系统衍射光衍射角为6°,设计要求入射光束发散角应小于3°。
(2)准直镜和光源系统设计
为减小光能损失,系统采用反射镜做准直镜。90°离轴放置,其面型为抛物柱面,以消除球差影响。光路如图6所示。
为保证发射光束的平行性。红外光源灯丝长度应加以限制。由反射定律可知,光束的发散角θ等于灯丝边缘点B发出的边缘光线与主光线之间的夹角θ′,因此有
AB=2×MF×tanθ′ (2)
其中F点为抛物面焦点,由抛物线特性有
MF=2.0×OF (3)
所以 AB=4×OF×tanθ′ (4)
取OF=25 mm,θ′=3°,可得AB=5.2 mm。
(3)最小工作距离Lmin的确定
AOTF的通光口径的宽度可达10～20 mm。选择通光孔为矩形。因为入射光束为平行光束,透射光斑ABCD为矩形,衍射光斑A也为矩形,如图7所示。
由于衍射角较小,而光斑宽度较大,当探测器距离AOTF器件较近时,两个光斑是相互重叠的。只有当工作距离足够大时,两个光斑才能分离。这时可分别探测透射光和衍射光。
设光斑宽度为a,当L=a时,两光斑刚好分离。这时最小工作距离Lmin应满足下式:
5 接收系统设计
如前所述,AOTF的最小工作距离为112 mm,在本系统中,工作距离L取1 700 mm,这是考虑到用于在线汽车尾气检测的需要。对于透射光束,由于未经吸收,因此强度大,可采用小尺寸球面反射镜。对于衍射光束,由于发散角θ的存在,使光斑随着接收距离的拉长也相应地扩大。为完全收集到这种发散的光束,提高检测灵敏度,在光束到达探测器之前需通过反射镜聚光。另一方面,考虑到红外探测器的光敏面很小,只有0.8 mm×0.8 mm,在反射镜聚焦时应尽量减小像差,提高接收效率,所以反射镜采用轴上放置方式。光学系统的整体结构如图8所示。
衍射光反射镜的口径D为
D=a+2(L×tanθ) (7)
式中 a=12 mm为AOTF通光口径;θ=3°为发散角。计算D=190 mm。球面反射镜半径为558 mm,当在距反射镜顶点为278 mm处接收时,球差小于 1.0 mm。
此外,探测器的截面积很小,只挡住很少的一部分光,接收效率η为
η=[(S-s)/S]×100% (8)
式中反射镜的面积S=πR2=28 352.87 mm2,探测器的横截面积s=45×40=1 800 (mm2)。求得η=94%。其中碲镉汞红外探测器的光谱响应范围为2.5～8μm。采用半导体制冷技术,大大降低了探测器的热噪声。
6 实验结果
实验时,调制频率200 Hz,RF驱动频率为17～35 MHz,AOTF驱动功率为2 W,系统输出红外光波长范围为2.5～5μm,HgCdTe制冷到-18°C。
当采用聚苯乙烯为样品,将所得到的光谱图与WFD-4型红外分光光度计测定的光谱图进行比较,发现吸收峰位置基本一致,结果较理想。光谱测量系统的分辨率为10 nm,如图9所示。
7 结束语
实验结果表明,采用AOTF为色散元件的在线红外光谱测量系统能以很高的速度(波长转换速率0.3 ms)进行电调谐并具有很大的角孔径,可方便地达到实时测量的目的,具有很大的应用潜力。该红外光谱测量系统结构简单、调谐方便、稳定可靠,采用Perkin Elemer公司红外傅里叶变换光谱仪测得其光谱测量范围为2.5～5.0μm,光谱分辨率为10nm,该系统可广泛应用于在线有害气体检测和快速光谱分析的场合。
参考文献:
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本文作者：万 峰 李小霞 孙振东
