聲光偏轉(zhuǎn)器及其應(yīng)用（二）

聲光偏轉(zhuǎn)器的優(yōu)勢和應(yīng)用

在上一期的小課堂，《聲光偏轉(zhuǎn)器及其應(yīng)用連載一：聲光偏轉(zhuǎn)器原理》中我們詳細的介紹了聲光偏轉(zhuǎn)器的相關(guān)基礎(chǔ)理論和主要性能指標，這一期的連載我們來談一談聲光偏轉(zhuǎn)器的優(yōu)勢和應(yīng)用。

聲光偏轉(zhuǎn)器優(yōu)勢

用于改變光束在空間傳播方向的光偏轉(zhuǎn)器大致分為兩大類：

第一類用機械的方式轉(zhuǎn)動反射鏡（或多面反射體）以改變光束至鏡面的入射角，達到使反射光束偏轉(zhuǎn)的目的，比如振鏡、轉(zhuǎn)鏡和MEMS掃描鏡等；

第二類常用的光偏轉(zhuǎn)器是利用電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)改變透明介質(zhì)的折射率，達到偏轉(zhuǎn)光束的目的，包括依賴于聲光效應(yīng)、電光效應(yīng)和光學(xué)相控陣的新型偏轉(zhuǎn)技術(shù)等實現(xiàn)高速光束偏轉(zhuǎn)。

我們從適用波長范圍、偏轉(zhuǎn)角度、偏轉(zhuǎn)速度、損傷閾值等性能指標對常見的光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行對比。如表2.1所示，我們?nèi)菀装l(fā)現(xiàn)液晶及MEMS器件受限于較低的損傷閾值，電光偏轉(zhuǎn)器受限于其偏轉(zhuǎn)角度，導(dǎo)致這些器件未能得到廣泛應(yīng)用。而多面轉(zhuǎn)鏡雖然具有較好的性能參數(shù)，但由于系統(tǒng)復(fù)雜，因此也未能得到普及。因此，振鏡及聲光偏轉(zhuǎn)器件是目前應(yīng)用最廣泛的偏轉(zhuǎn)方案。振鏡基于機械掃描，受限于機械惰性，通常掃描速度只能達到10kHz，而聲光偏轉(zhuǎn)器采用全固態(tài)方案，最大掃描速度可達振鏡速度的10倍以上。

表2.1 聲光偏轉(zhuǎn)器與其他光掃描器件性能對比[1]

聲光偏轉(zhuǎn)器在對激光光束偏轉(zhuǎn)時，在器件偏轉(zhuǎn)角度范圍之內(nèi)可以實現(xiàn)連續(xù)掃描，快速任意選區(qū)，并且在所有掃描位置衍射激光功率均勻。相比于通常使用振鏡掃描光束，聲光偏轉(zhuǎn)器具有超高的掃描速度（掃描速度最快超過250KHz，一般振鏡掃描頻率往往在KHz水平），更高的信噪比，寬光譜范圍，高掃描分辨率，高光通量等優(yōu)點。

聲光偏轉(zhuǎn)器的應(yīng)用

聲光器件體積小、重量輕，在實際應(yīng)用有很多優(yōu)點，比如驅(qū)動功率小、衍射效率高、調(diào)制深度大和穩(wěn)定性好等，同時聲光技術(shù)還具有實時并行處理能力，以及時間帶寬積大、易于與計算機兼容和進行自動化控制等特點，因此聲光器件被廣泛應(yīng)用于光束控制[2]、光通信系統(tǒng)[3]、成像技術(shù)[4]等領(lǐng)域，使聲光器件成為科學(xué)研究中一種重要的調(diào)制器件[5]。聲光調(diào)制器種類繁多，結(jié)合主題，我們來看一下聲光偏轉(zhuǎn)器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。聲光偏轉(zhuǎn)器作為一種光電子器件，具有極寬的衍射帶寬，且光線偏轉(zhuǎn)角與驅(qū)動超聲波頻率成正比，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有頻譜分析[6]、光束控制技術(shù)[7]、圖像掃描[8]、光學(xué)成像[9]及顯微技術(shù)[10]等。

1頻譜分析領(lǐng)域

聲光頻譜分析儀不同于傳統(tǒng)頻譜分析儀，它可以實現(xiàn)對信號的并行處理，即不同頻率信號可以同時到達接收器，從而加快了分析速度，因此在天文和軍事中應(yīng)用廣泛。聲光頻譜分析儀原理如圖2.1所示，含有多種頻率成分的電信號經(jīng)過變頻放大，然后轉(zhuǎn)化成多種頻率的超聲波加在聲光器件上，當(dāng)入射激光經(jīng)過時就會出現(xiàn)多種方向的衍射光，且衍射光強度與對應(yīng)的超聲波頻率成正比。

圖2.1 聲光頻譜分析儀原理圖

2光束控制技術(shù)領(lǐng)域

近年來，光束控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在分子生物力學(xué)的分析處理領(lǐng)域，光鉗作為一種光束控制技術(shù)，主要通過聚焦激光捕獲和操控微觀物體，并能探測揭示運動蛋白作用、RNA折疊和染色體運動等機制[11]。此外，它還用于微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的操作和組裝，光鉗系統(tǒng)通常是由光學(xué)顯微鏡觀測，用激光移動控制，再利用傳感器反映到CCD和計算機，記錄監(jiān)控整個過程。

圖2.2給出基于聲光偏轉(zhuǎn)器的掃描光鉗系統(tǒng)原理圖，Nd:YAG激光發(fā)射的連續(xù)波激光束通過計算機控制的AOD實現(xiàn)光束漂移。將光束用擴束器擴束后送入顯微鏡，擴展后的光束通過二色鏡耦合到顯微鏡光路中，然后使用數(shù)值孔徑為1.0的水浸物鏡將其緊緊聚焦到樣品室中。利用AOD與計算機軟件，通過光標控制光阱的位置和強度，圖像由CMOS攝像機采集，并由計算機實時記錄進行分析[12]。

圖2.2 基于聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）的光鉗系統(tǒng)原理圖[12]

3圖像掃描領(lǐng)域

物體表面的三維面型傳感是立體數(shù)字成像領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。為了實現(xiàn)動態(tài)三維成像，最新的研究進展將一階光束與兩個聲光偏轉(zhuǎn)器產(chǎn)生輕微的頻差衍射，形成拍強條紋圖。同時將CCD相機觸發(fā)信號的頻率設(shè)置為拍頻的4倍，即可得到相移條紋圖，并計算出其相位圖（WPM）[13]。在三個攝像機的極線約束下，利用WPM輔助可清晰確定對應(yīng)點，從而在跳過相位展開步驟的同時重建三維形狀。動態(tài)三維成像的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，捕獲部分由三個攝像機組成，攝像機由外部觸發(fā)器控制，同步獲取變形條紋圖，進一步得到三維面立體像。

圖2.3 三維成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[13]

聲光偏轉(zhuǎn)器還可以用于記錄激光強度分布的高速成像[14]，如圖2.4所示，為了使入射光偏轉(zhuǎn)時在晶體表面激發(fā)的聲波產(chǎn)生的最小時間延遲為1us，當(dāng)使用聲光偏轉(zhuǎn)器作為快門時，該相機允許成像速度為微秒級，使用測試模式的實驗顯示偏轉(zhuǎn)圖像沒有失真。用這種高速成像的方法，激光誘導(dǎo)擊穿過程中在空氣中的密度變化通過陰影照射和干涉測量進行可視化。

圖2.4 基于聲光偏轉(zhuǎn)器的激光高速成像原理圖[14]

4顯微成像領(lǐng)域

雙光子顯微技術(shù)已成為生物學(xué)探索研究神經(jīng)元功能方向的一項重要技術(shù)，該技術(shù)穿透深度大，立體選擇性強，已成功應(yīng)用于活體動物的神經(jīng)計算。基于三維聲光偏轉(zhuǎn)的雙光子顯微鏡實現(xiàn)了三維高效成像，由四個聲光偏轉(zhuǎn)器(AODs)組成的球形聲光透鏡(AOL)可以在三維空間中快速地引導(dǎo)和聚焦雙光子顯微鏡的激光束，如圖2.5所示，飛秒激光束在到達聲光透鏡（AOL）之前通過基于雙通道棱鏡的預(yù)啁啾器，該預(yù)啁啾優(yōu)先補償了構(gòu)成AOL和微區(qū)其他光學(xué)元件的四個TeO2 晶體的AOD引入的時間色散，光束由兩個4f系統(tǒng)從AOL傳遞到顯微鏡物鏡后焦平面，成像體積內(nèi)焦點的位置由AOL精確而迅速地控制。基于這種色散補償?shù)腁OD掃描雙光子顯微鏡，提供了更快和更靈活的成像速率[15]。

圖2.5 基于四個AOD(X+， Y+， X-， Y-)的三維雙光子AOL顯微鏡示意圖[15]

不同領(lǐng)域的聲光偏轉(zhuǎn)應(yīng)用需要不同類型的聲光偏轉(zhuǎn)器來實現(xiàn)其功能，更需要優(yōu)異穩(wěn)定的產(chǎn)品來保證其運作。

下一期的連載將給大家介紹聲光偏轉(zhuǎn)器的主要類型以及福晶科技的聲光偏轉(zhuǎn)器系列產(chǎn)品。

審核編輯：湯梓紅