一种使用线偏振光的高灵敏度大动态声光频谱分析仪

摘要

本发明公开了一种使用线偏振光的高灵敏度大动态声光频谱分析仪，依次包括激光器、准直扩束器、柱面镜Ⅰ、声光偏转器、柱面镜Ⅱ、凸透镜、偏振器Ⅱ、光电检测器和数据处理模块，激光器输出线偏振光，声光偏转器位于两柱面镜的焦线位置上并工作于布喇格衍射模式，其一级衍射光偏振方向与非衍射光偏振方向相互垂直；偏振器Ⅱ的透光轴与一级衍射光偏振方向平行，与非衍射光偏振方向垂直。声光偏转器及其前面的光学部件位于激光器输出光轴上，声光偏转器之后的光学部件位于其一级衍射光光轴上。本发明的有益效果：1、捕获信号频带范围宽；2、检测灵敏度高；3、检测动态范围大；4、能实时处理并行信号，适应能力强。

说明书

技术领域

本发明涉及声光频谱分析技术，特别涉及一种使用线偏振光的高灵敏度大动态声光频谱分析仪，属于光电技术领域。

 

背景技术

声光频谱分析仪具有瞬时带宽宽，频率分辨率高，分离同时到达信号能力强，能处理多种形式信号的优点，其主要缺点是动态范围不够大。动态范围是频谱分析系统相当重要的性能指标，在许多应用场合都需要超过40dB的动态响应。目前随着光电检测技术的飞速发展，光敏元件对微弱光信号的探知能力大幅提高，若系统背景光噪声减小，便可加强对微弱信号的提取能力，大大改善系统探测灵敏度，扩大捕获信号的动态范围。因此，除了改进相关部件性能外，有效抑制和处理声光频谱分析仪光路系统的背景杂散光，对改善其动态范围指标至关重要。

例如，2006年6月出版的《压电与声光》（第28卷 第3期 P269~271）公开的“基于Bragg衍射的声光频谱分析仪”提出了利用Bragg声光偏转器对电磁频谱进行分析的技术路线，适用于现代电子信号实时分析技术。1998年12月出版的《发光学报》（第19卷 第4期 P352~355）公开的“信道化声光外差频谱分析仪”采用信道化声光外差探测方法，增加系统动态范围。但是，传统的声光频谱分析仪存在以下主要缺点：

1．声光频谱分析仪必须满足大带宽、高工作频率。声光频谱分析仪的核心部件——Bragg声光偏转器难以兼顾大工作带宽和高衍射效率。当声光偏转器工作于1GHz以上的高频段时，其衍射效率急剧下降，使信号光变得极其微弱，系统探测能力很差。基本结构的声光频谱分析仪，要工作于1GHz以上，满足500MHz甚至1GHz的带宽应用要求时，根本无法实现较高的检测灵敏度，满足大动态范围响应。

2．为了改善动态范围指标，传统做法是采用复杂结构的干涉型（外差）声光频谱分析仪。这种系统结构极其复杂，稳定性差，特别是此种设计必须处理高频多信道输出信号，这对光电检测器件和后处理电路都要求极高，系统达到1GHz以上的高工作频率时已经难以实现。

总之，传统的Bragg声光频谱分析仪严重影响了其在工程上的推广应用，迫切需要改进其不能同时兼顾大带宽、高灵敏度和大动态范围等技术指标的缺陷。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种使用线偏振光的新型Bragg声光频谱分析仪，本声光频谱分析仪同时具备大带宽、高灵敏度和大动态范围的卓越性能。

本发明解决上述问题的技术手段是这样的：

一种使用线偏振光的高灵敏度大动态声光频谱分析仪，它包括激光器、声光偏转器、凸透镜、光电检测器和数据处理模块，其特征在于：所述激光器为输出偏振光的激光器，在激光器和声光偏转器之间设有准直扩束器和柱面镜Ⅰ，在声光偏转器和凸透镜之间设有柱面镜Ⅱ，在凸透镜和光电检测器之间设有偏振器Ⅱ；声光偏转器位于柱面镜Ⅰ与柱面镜Ⅱ之间，并在两柱面镜的焦线位置上，柱面镜Ⅰ与柱面镜Ⅱ参数一致；所述声光偏转器工作于布喇格衍射模式，其一级衍射光偏振方向与非衍射光偏振方向相互垂直，偏振器Ⅱ的透光轴与一级衍射光偏振方向平行，与非衍射光偏振方向垂直。声光偏转器及其前面的光学部件位于激光器输出光轴上，声光偏转器之后的光学部件位于其一级衍射光光轴上。

进一步地，在激光器和准直扩束器之间设有偏振器Ⅰ，偏振器Ⅰ的透光轴与激光器输出光偏振方向平行而与偏振器Ⅱ透光轴垂直，利用其高消光比提高出射光源的偏振度，确保信号光路中的背景杂散光被偏振器Ⅱ有效拦截。

本发明的有益效果：1、捕获信号频带范围宽；2、检测灵敏度高；3、检测动态范围大；4、能实时处理并行信号，适应能力强。因此本声光频谱分析仪可满足复杂环境下对任意电磁波频谱实时捕获分析的应用需求。

 

附图说明  

图1--本发明结构原理框图。

图2--传统声光频谱分析仪输出小信号及噪底图。

图3--本发明声光频谱分析仪输出信号及噪底图。

图4—本发明声光频谱分析仪输出小信号及噪底放大图。

图1中，1-激光器；2-偏振器Ⅰ；3-准直扩束器；4-柱面镜Ⅰ；5-声光偏转器；6-柱面镜Ⅱ；7-凸透镜；8-偏振器Ⅱ；9-光电检测器；10-数据处理模块。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明声光频谱分析仪依次包括：激光器1、偏振器Ⅰ2、准直扩束器3、柱面镜Ⅰ4、声光偏转器5、柱面镜Ⅱ6、凸透镜7、偏振器Ⅱ8、光电检测器9、数据处理模块10，其中激光器1和声光偏转器5配备有相应的电驱动源。偏振器Ⅰ的透光轴与激光器输出光偏振方向平行，声光偏转器工作于布喇格衍射模式，其一级衍射光偏振方向与非衍射光偏振方向相互垂直，偏振器Ⅱ透光轴与一级衍射光偏振方向平行而与非衍射光偏振方向垂直。上述各光学部件中，声光偏转器和位于其前的光学部件顺次设置在激光器输出光轴上，位于声光偏转器后的光学部件顺次设置在其一级衍射光光轴上，建立光路系统。该光路系统将完成高频电信号、光信号、视频电信号三种信号之间的逐次转换。

本发明光路中的传输光使用线偏振光，采用输出偏振光的激光器1作为光源，偏振器Ⅰ2的透光轴与光源的偏振方向平行，利用其高消光比，提高出射光束的偏振度（若系统直接使用偏振度极好的线偏振光源，该偏振器Ⅰ2可以取消）。光源扩束采用横向扩束，经准直扩束器3后变成横条光束入射到柱面镜Ⅰ4，柱面镜Ⅰ4再纵向压缩光束成极细的横条以与声光偏转器5的光孔径相匹配，最大限度地利用光能量。被压缩光束以布喇格（Bragg）角入射到声光偏转器5的光窗上，从通光孔穿越并产生声光互作用，其一级衍射光入射到柱面镜Ⅱ6，柱面镜Ⅱ6与柱面镜Ⅰ4配对使用，参数一致，声光偏转器5位于柱面镜Ⅰ4和柱面镜Ⅱ6之间，并在两柱面镜的焦线位置上，柱面镜Ⅱ6将被柱面镜Ⅰ4压缩的光束还原成准直光束再入射到凸透镜7进行空间傅立叶变换。根据基于布喇格衍射的声光偏转器工作原理，光束随声光偏转器5驱动信号中所含频率分量产生一一对应偏转角度的一级衍射光束。各条衍射光束通过凸透镜7完成空间傅立叶变换后，由偏振器Ⅱ8过滤掉不携带信号的背景杂散光，最后入射到光电检测器9的线阵像元上进行光信号检测，实现光电信号的转换输出。设计声光偏转器时须通过声光互作用使一级衍射光的偏振方向相对入射光的偏振方向发生90度旋转，这样在光电检测器前设置透光轴与一级衍射光偏振方向平行的高消光比偏振器Ⅱ8可以很好地透过光路中的衍射光，而拦截掉背景杂散光。光电检测器9的线阵像元排列在凸透镜7的焦平面上，根据声光频谱分析仪的工作原理，此时，通过检测光电检测器9上光点的空间位置便可以获得接收信号所包含的频率分量，读出检测像元上光能量的大小便可以获知信号中各频率分量的强度。数据处理模块10依据需求进行信号数据转换显示等处理，完成对捕获信号的高速识别提取输出。

本发明在声光频谱分析仪光路系统中创新性地使用了线偏振光作为信号载体，并根据线偏振光的传播特性，使光通过声光偏转器进行声光互作用时，其一级衍射信号光的偏振方向与非衍射光偏振方向相互垂直，再利用两个高消光比且透光轴互成90度的偏振器，实现了有用信号光与无效背景杂散光的完全分离，使信号输出背景杂散光噪底明显降低，从而大大改善声光频谱分析仪对微弱信号的检测能力，提高系统检测灵敏度和动态范围指标达到工程应用水平。

如图2所示为传统结构的声光频谱分析仪输出的背景杂散光噪底，从左至右可见，光检积分时间越长，杂散光噪声幅度也累积越高，150us时达50mV左右，如果积分时间再加长，此背景光噪还会继续累加，显然小信号会被淹没于光噪无法检出。图3所示为本发明的声光频谱分析仪输出信号和背景杂散光噪底，从左至右可见，有用光信号在每帧中随光检积分时间的加长幅度逐渐增高，而噪底幅度并没改变，这说明系统的无效背景杂散光被滤除得很干净，完全没有杂散光能量的累积。图4所示为信号每个复位周期中后两帧的放大图，也就是光检积分时间较长，为（110~150）us时，输出信号和噪底的放大图，清晰可辨其上被检测到的小脉冲信号，噪底也非常干净稳定。

使用线偏振光的高灵敏度大动态声光频谱分析仪可将系统探测灵敏度提升（20~30）dBm，从而动态范围也就拓展了非常关键的（20~30）dB，使系统在高频工作时的动态范围超过40dB，达到实际应用需求。此发明特别是对持续时间长可以通过长时间累积检出的弱信号具有显著意义。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。