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(xì)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(biāo)，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(jī)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(dá)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(dá)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(biāo)對常見的光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)械掃描，受限于機(jī)械惰性，通常掃描速度只能達(dá)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(dá)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(jī)兼容和進(jìn)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(dá)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(qiáng)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(jī)制[11]。此外，它還用于微電子機(jī)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(jī)，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(jī)控制的AOD實現(xiàn)光束漂移。將光束用擴(kuò)束器擴(kuò)束后送入顯微鏡，擴(kuò)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(jī)軟件，通過光標(biāo)控制光阱的位置和強(qiáng)度，圖像由CMOS攝像機(jī)采集，并由計算機(jī)實時記錄進(jìn)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(jìn)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(qiáng)條紋圖。同時將CCD相機(jī)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(jī)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(jī)組成，攝像機(jī)由外部觸發(fā)器控制，同步獲取變形條紋圖，進(jìn)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(qiáng)，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(dá)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(bǔ)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(bǔ)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