基于AOTF多光譜成像的高性能射頻驅(qū)動系統(tǒng)

王耀利，溫廷敦，王志斌，張 瑞，李永帥

（1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051；2.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051；3.山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原030051）

0 引 言

目前常用的分光器件包括分光棱鏡、光柵以及聲光可調(diào)諧濾光器 （acousto－optic tunable filter，AOTF）等。其中，聲光可調(diào)諧濾光器是基于聲光效應(yīng)的一種新型分光器件，非共線性AOTF具有孔徑大、衍射效率高、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、無需機械運動等特點［1］，因此對于測試不同波長下的光譜信息AOTF 具有不可比擬的優(yōu)點，可以得到被測物更多的物化特征，對于研究氣溶膠及大氣污染的監(jiān)測有著特殊的優(yōu)勢。AOTF 分光性能與射頻驅(qū)動的性能有很大關(guān)系，因此要求設(shè)計一套高性能的射頻驅(qū)動系統(tǒng)。

本文根據(jù)AOTF分光的基本原理，為使所研射頻驅(qū)動系統(tǒng)簡單可靠、易于控制，并結(jié)合單片機和高性能直接式數(shù)字頻率綜合器 （DDS）的特點，設(shè)計了一種基于單片機控制的以高性能DDS為核心的射頻驅(qū)動系統(tǒng)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)單頻和掃頻模式的功率輸出，并搭建實驗系統(tǒng)進行了硬件測試，實現(xiàn)了對AOTF的射頻驅(qū)動。

1 AOTF基本原理

AOTF一般基于反常布拉格 （Bragg）衍射的聲光相互作用原理：在晶體內(nèi)產(chǎn)生高頻振蕩的超聲波，對晶體應(yīng)變產(chǎn)生周期性的空間調(diào)制，其作用類似位相光柵。當滿足Bragg衍射條件時，入射光在晶體內(nèi)將產(chǎn)生反常Bragg 衍射，其衍射光的波長與超聲波的頻率有著一一對應(yīng)的關(guān)系。在實際應(yīng)用中，通過射頻驅(qū)動使固定在晶體表面的壓電換能器產(chǎn)生超聲波，并耦合進入聲光晶體使其調(diào)制。AOTF的結(jié) 構(gòu)如 圖1所示［2－4］。

圖1 AOTF原理

在滿足動量匹配的條件下，衍射光波長λ 和色散帶寬Δλ與聲速V、聲頻f、聲光作用距離L 和入射角θi之間的關(guān)系 如下［5，6］

其中，ne、no分別為e光和o 光的折射率，b是晶體色散常數(shù)。當平行的復(fù)色光入射到AOTF上時，各種波長的單色光入射角均為θ，在聲頻f 確定后，由上式即可確定衍射光的中心波長和帶寬。衍射波長和帶寬確定之后，根據(jù)衍射效率與帶寬、波長以及驅(qū)動功率的關(guān)系，即可得出衍射效率的關(guān)系曲線

其中，M2為聲光材料的聲光優(yōu)值，l和h 分別表示壓電換能器的長度和寬度，Pa表示超聲驅(qū)動功率，λ0表示中心波長，η0 表示中心波長的衍射效率。

聲光可調(diào)諧濾光器 （AOTF）分光系統(tǒng)中，驅(qū)動功率、衍射光中心波長和衍射效率之間存在密切的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動頻率為100 MHz下功率，波長和效率之間的關(guān)系

從理論上看，對AOTF 施加一個特定頻率時，通過AOTF的光源其中一個對應(yīng)波長被調(diào)制，AOTF 衍射光中心波長和驅(qū)動功率的關(guān)系服從1／f 函數(shù)分布。衍射效率在固定驅(qū)動頻率和驅(qū)動功率下，在中心波長周圍呈高斯分布。在確定的AOTF尺寸和入射角的情況下，在整個功率范圍內(nèi)，每一個波長對應(yīng)的衍射帶寬為常數(shù)，而且?guī)掚S著波長的增加逐漸變寬，但是，由于信號源產(chǎn)生的失真以及壓電換能器尺寸的限制，衍射帶寬的值比理論上要大，尤其是驅(qū)動功率比較高的時候更為明顯。圖3為驅(qū)動頻率固定在100 MHz下衍射效率隨驅(qū)動功率的變化曲線，由于功率放大器引入的失真導致AOTF衍射效率的降低，同時，帶寬變大［7］。帶外諧波的影響凸顯。因此，需要對AOTF 的射頻驅(qū)動技術(shù)進行高要求的設(shè)計。

圖3 射頻驅(qū)動系統(tǒng)總體框架

2 AOTF射頻驅(qū)動技術(shù)

AOTF可以進行高速的光譜掃描，當射頻驅(qū)動頻率改變時，衍射波長變化所需的時間主要由超聲波充滿AOTF晶體的時間決定，一般為微秒級，因此整個光譜范圍的波長掃描十分迅速，對射頻驅(qū)動源頻率范圍、分辨率以及變化速度和功率大小都提出了較高要求。

AOTF射頻驅(qū)動系統(tǒng)包括射頻信號源以及功率放大部分［8］。射 頻 信 號 源 以 直 接 數(shù) 字 式 頻 率 綜 合 器 （DDS）AD9910為核心，系統(tǒng)頻率可以達到1GHz，輸出頻率范圍在DC—400 MHz，工作在數(shù)字域，跳頻速度高，分辨率也比較高。通過外部接有源晶振的方式為DDS 提供外部時鐘，然后由內(nèi)部倍頻器和鎖相環(huán)實現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)頻率1 GHz。微控制器采用STC單片機，主要提供控制信號實現(xiàn)DDS的單頻輸出模式和DRG 掃頻輸出模式。

單頻模式下，AD9910通過SPI口將控制字寫入控制寄存器，同時profile［2：0］配合選擇寫入相應(yīng)的內(nèi)部寄存器［9］。輸出頻率由頻率控制字和系統(tǒng)時鐘以及相位累加器的位數(shù)共同決定

式中：fs——系統(tǒng)時鐘頻率1GHz，F(xiàn)TW——存儲在寄存器中的二進制頻率控制字，N——相位累加器的位數(shù)。

單頻模式下需要調(diào)用子函數(shù)對AD9910 控制寄存器CFR2、CFR3以及單頻調(diào)制Profile0 進行設(shè)置，分別對應(yīng)地址0x01、0x02、0x0E。其中，CFR2 使能單音調(diào)制；CFR3設(shè)置相對應(yīng)的輸出頻率的范圍和PLL 使能以及PLL倍頻系數(shù)；單頻調(diào)制Profile0配置幅度控制字和相位控制字，通過io＿update刷新操作得到相應(yīng)的單個頻率輸出。設(shè)置AD9910 單頻模式的子函數(shù)為：AD9910＿SINGLE（single＿freq，single＿amp）；其中，single＿freq代表DDS單頻模式下的輸出頻率，single＿amp代表DDS 單頻模式下的輸出幅度控制。在主函數(shù)main中調(diào)用此函數(shù)即可通過上位機改變單頻模式下的輸出頻率和幅度。

設(shè)置輸出頻率100 Mhz，示波器顯示如圖4所示。

圖4 100 M 單頻輸出示波器顯示

DRG 掃頻模式采用正常斜坡發(fā)生方式，通過控制寄存器中的控制字設(shè)置掃描頻率的上限值、下限值以及掃描步長和掃描步進時間［10－12］。步進時間直接影響掃描時間，掃描步長則直接反映掃描信號的頻率分辨率

其中，P 為存儲在控制寄存器中的頻率控制字。通過配置對應(yīng)地址為0x0b，0x0c，0x0d的寄存器，配置掃頻模式下AD9910的相應(yīng)參數(shù)。下面函數(shù)為AD9910DRG 掃頻模式的子函數(shù)，可以在寄存器設(shè)置值的基礎(chǔ)上添加一個比值（0.232831）轉(zhuǎn)換成比較常見的十進制。

AD9910＿DRG （max ＿freq，min ＿freq，down ＿length，up＿length，down＿speed，up＿speed），其中，max＿freq代表掃描上限頻率，min＿freq代表掃描下限頻率，down＿length代表掃描遞減步長，up＿length代表掃描遞增步長，down＿speed代表掃描負斜率 （即改變一次頻率所需時間），up＿speed代表掃描正斜率。

在主函數(shù)main中調(diào)用此函數(shù)即可通過上位機改變掃頻模式下的對應(yīng)參數(shù)。

射頻驅(qū)動源頻率范圍設(shè)置65～200 MHz，分辨率1 KHz，輸出功率2 W 以上，通過串口與上位機進行通信，該方式簡單方便，易于開發(fā)。功率放大部分采用三級放大，并設(shè)計源端和負載之間的阻抗匹配以達到最佳的功率輸出以及較高的輸出效率。在射頻驅(qū)動系統(tǒng)作用于AOTF 上，利用聲光器件的快速動態(tài)響應(yīng)特性和直接數(shù)字頻率綜合器（DDS）快速調(diào)頻能力，通過設(shè)定起始頻率、終止頻率以及一個固定的掃描步長可以快速掃描聲頻。也可以固定一個頻率，自然光通過AOTF的濾光作用，一個與此頻率相對應(yīng)的特定波長的光發(fā)生衍射，通過掃描整個波段可以得到相應(yīng)的光譜信息。

3 實驗驗證

3.1 射頻驅(qū)動系統(tǒng)對AOTF 衍射帶寬和衍射效率的影響實驗

實驗裝置如圖5所示，入射光源為ABB白光光源，通過光闌去除雜散光使得入射光在AOTF 有效孔徑8 mm×8mm之內(nèi)，偏振片濾除＋1級衍射光從而使AOTF輸出只有0級光和－1級衍射光。實驗用中國電子科技集團公司第26研究所研發(fā)的LSGDN－3Z型聲光可調(diào)濾光器。自行設(shè)計的射頻驅(qū)動系統(tǒng)作用在AOTF 內(nèi)部的壓電換能器上實現(xiàn)同頻率的聲波對入射光波進行調(diào)制，使得相應(yīng)頻率的對應(yīng)波長發(fā)生衍射，另一部分未發(fā)生衍射的光透射到AOTF外部，衍射光經(jīng)Ocean光譜儀計算機顯示和分析。

圖5 AOTF實驗測試裝置

實驗中打開射頻驅(qū)動源測量－1級衍射光得到衍射光強，關(guān)閉射頻驅(qū)動源直接測量0級光得到入射光強，二者比值得到AOTF 的衍射效率。光譜儀顯示－1級衍射光半波寬度得到衍射帶寬。實驗結(jié)果表明：由上位機控制射頻驅(qū)動系統(tǒng)在固定頻率100 MHz下不同功率施加到AOTF上時，入射復(fù)色光經(jīng)由AOTF 調(diào)制后得到的衍射光的衍射效率和衍射帶寬均不同，如圖6 所示，隨著驅(qū)動功率變大，衍射效率也隨之增加，同時帶寬變大但總體不超過8nm。在掃頻模式下，得到AOTF 在不同中心波長處的衍射效率曲線如圖7所示，從圖中可以看出，衍射效率可達60%以上，相對較高。

圖6 頻率100 Mhz，施加3個不同功率下衍射效率和帶寬比較

圖7 在自行設(shè)計射頻驅(qū)動系統(tǒng)作用下，整個波段衍射效率

3.2 AOTF光譜成像實驗

實驗中將ABB白光光源打到一幅樓閣的照片上，射頻驅(qū)動系統(tǒng)提供不同頻率施加到AOTF 上，在－1級衍射光處放置可見光CCD 相機，從而使樓閣在不同波長下成像。成像結(jié)果如圖8所示。從實驗結(jié)果可以看出，同一幅圖在不同波長下的成像清晰，表現(xiàn)了圖像不同的特征。

圖8 不同波長下光譜成像

4 結(jié)束語

本文根據(jù)聲光可調(diào)諧濾光器 （AOTF）的工作原理，針對AOTF各種性能指標的影響因素，通過調(diào)諧能力強、頻率范圍寬、分辨率高的高速DDS 為核心的射頻驅(qū)動系統(tǒng)，分析了射頻驅(qū)動信號對AOTF分光能力的影響，并搭建相應(yīng)的實驗系統(tǒng)進行驗證，最后在不同波長下實現(xiàn)光譜成像。實驗結(jié)果表明：在實驗所用AOTF可響應(yīng)的波段內(nèi)，頻率和波長能夠?qū)崿F(xiàn)準確的對應(yīng)關(guān)系，衍射效率可以達到60%以上。而且衍射帶寬比理論上寬，但總體在8nm 以內(nèi)。隨著驅(qū)動功率的增大，衍射效率在一定范圍內(nèi)增大，同時伴隨著帶寬的增加。且入射角度在±3°范圍內(nèi)對衍射效率的影響可以忽略不計，不同波長下光譜成像清晰。

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