聲光偏轉器及其應用（二）

聲光偏轉器的優勢和應用

在上一期的小課堂，《聲光偏轉器及其應用連載一：聲光偏轉器原理》中我們詳細的介紹了聲光偏轉器的相關基礎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器的優勢和應用。

聲光偏轉器優勢

用于改變光束在空間傳播方向的光偏轉器大致分為兩大類：

第一類用機械的方式轉動反射鏡（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的目的，比如振鏡、轉鏡和MEMS掃描鏡等；

第二類常用的光偏轉器是利用電光效應或聲光效應改變透明介質的折射率，達到偏轉光束的目的，包括依賴于聲光效應、電光效應和光學相控陣的新型偏轉技術等實現高速光束偏轉。

我們從適用波長范圍、偏轉角度、偏轉速度、損傷閾值等性能指標對常見的光偏轉系統進行對比。如表2.1所示，我們容易發現液晶及MEMS器件受限于較低的損傷閾值，電光偏轉器受限于其偏轉角度，導致這些器件未能得到廣泛應用。而多面轉鏡雖然具有較好的性能參數，但由于系統復雜，因此也未能得到普及。因此，振鏡及聲光偏轉器件是目前應用最廣泛的偏轉方案。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，而聲光偏轉器采用全固態方案，最大掃描速度可達振鏡速度的10倍以上。

表2.1 聲光偏轉器與其他光掃描器件性能對比[1]

聲光偏轉器在對激光光束偏轉時，在器件偏轉角度范圍之內可以實現連續掃描，快速任意選區，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，高光通量等優點。

聲光偏轉器的應用

聲光器件體積小、重量輕，在實際應用有很多優點，比如驅動功率小、衍射效率高、調制深度大和穩定性好等，同時聲光技術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用于光束控制[2]、光通信系統[3]、成像技術[4]等領域，使聲光器件成為科學研究中一種重要的調制器件[5]。聲光調制器種類繁多，結合主題，我們來看一下聲光偏轉器在不同領域的應用。聲光偏轉器作為一種光電子器件，具有極寬的衍射帶寬，且光線偏轉角與驅動超聲波頻率成正比，其應用領域主要有頻譜分析[6]、光束控制技術[7]、圖像掃描[8]、光學成像[9]及顯微技術[10]等。

1頻譜分析領域

聲光頻譜分析儀不同于傳統頻譜分析儀，它可以實現對信號的并行處理，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過變頻放大，然后轉化成多種頻率的超聲波加在聲光器件上，當入射激光經過時就會出現多種方向的衍射光，且衍射光強度與對應的超聲波頻率成正比。

圖2.1 聲光頻譜分析儀原理圖

2光束控制技術領域

近年來，光束控制技術得到了廣泛的應用，特別是在分子生物力學的分析處理領域，光鉗作為一種光束控制技術，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（MEMS）的操作和組裝，光鉗系統通常是由光學顯微鏡觀測，用激光移動控制，再利用傳感器反映到CCD和計算機，記錄監控整個過程。

圖2.2給出基于聲光偏轉器的掃描光鉗系統原理圖，Nd:YAG激光發射的連續波激光束通過計算機控制的AOD實現光束漂移。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 基于聲光偏轉器（AOD）的光鉗系統原理圖[12]

3圖像掃描領域

物體表面的三維面型傳感是立體數字成像領域的核心技術之一。為了實現動態三維成像，最新的研究進展將一階光束與兩個聲光偏轉器產生輕微的頻差衍射，形成拍強條紋圖。同時將CCD相機觸發信號的頻率設置為拍頻的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點，從而在跳過相位展開步驟的同時重建三維形狀。動態三維成像的結構如圖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 三維成像系統結構[13]

聲光偏轉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，為了使入射光偏轉時在晶體表面激發的聲波產生的最小時間延遲為1us，當使用聲光偏轉器作為快門時，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圖像沒有失真。用這種高速成像的方法，激光誘導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 基于聲光偏轉器的激光高速成像原理圖[14]

4顯微成像領域

雙光子顯微技術已成為生物學探索研究神經元功能方向的一項重要技術，該技術穿透深度大，立體選擇性強，已成功應用于活體動物的神經計算。基于三維聲光偏轉的雙光子顯微鏡實現了三維高效成像，由四個聲光偏轉器(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啁啾器，該預啁啾優先補償了構成AOL和微區其他光學元件的四個TeO2 晶體的AOD引入的時間色散，光束由兩個4f系統從AOL傳遞到顯微鏡物鏡后焦平面，成像體積內焦點的位置由AOL精確而迅速地控制。基于這種色散補償的AOD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]

不同領域的聲光偏轉應用需要不同類型的聲光偏轉器來實現其功能，更需要優異穩定的產品來保證其運作。

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

審核編輯：湯梓紅