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声光偏转器及其应用（二）

声光偏转器的优势和应用

在上一期的小课堂，《声光偏转器及其应用连载一：声光偏转器原理》中我们详细的介绍了声光偏转器的相关基础理论和主要性能指标，这一期的连载我们来谈一谈声光偏转器的优势和应用。

声光偏转器优势

用于改变光束在空间传播方向的光偏转器大致分为两大类：

第一类用机械的方式转动反射镜（或多面反射体）以改变光束至镜面的入射角，达到使反射光束偏转的目的，比如振镜、转镜和MEMS扫描镜等；

第二类常用的光偏转器是利用电光效应或声光效应改变透明介质的折射率，达到偏转光束的目的，包括依赖于声光效应、电光效应和光学相控阵的新型偏转技术等实现高速光束偏转。

我们从适用波长范围、偏转角度、偏转速度、损伤阈值等性能指标对常见的光偏转系统进行对比。如表2.1所示，我们容易发现液晶及MEMS器件受限于较低的损伤阈值，电光偏转器受限于其偏转角度，导致这些器件未能得到广泛应用。而多面转镜虽然具有较好的性能参数，但由于系统复杂，因此也未能得到普及。因此，振镜及声光偏转器件是目前应用最广泛的偏转方案。振镜基于机械扫描，受限于机械惰性，通常扫描速度只能达到10kHz，而声光偏转器采用全固态方案，最大扫描速度可达振镜速度的10倍以上。

表2.1 声光偏转器与其他光扫描器件性能对比[1]

声光偏转器在对激光光束偏转时，在器件偏转角度范围之内可以实现连续扫描，快速任意选区，并且在所有扫描位置衍射激光功率均匀。相比于通常使用振镜扫描光束，声光偏转器具有超高的扫描速度（扫描速度最快超过250KHz，一般振镜扫描频率往往在KHz水平），更高的信噪比，宽光谱范围，高扫描分辨率，高光通量等优点。

声光偏转器的应用

声光器件体积小、重量轻，在实际应用有很多优点，比如驱动功率小、衍射效率高、调制深度大和稳定性好等，同时声光技术还具有实时并行处理能力，以及时间带宽积大、易于与计算机兼容和进行自动化控制等特点，因此声光器件被广泛应用于光束控制[2]、光通信系统[3]、成像技术[4]等领域，使声光器件成为科学研究中一种重要的调制器件[5]。声光调制器种类繁多，结合主题，我们来看一下声光偏转器在不同领域的应用。声光偏转器作为一种光电子器件，具有极宽的衍射带宽，且光线偏转角与驱动超声波频率成正比，其应用领域主要有频谱分析[6]、光束控制技术[7]、图像扫描[8]、光学成像[9]及显微技术[10]等。

1频谱分析领域

声光频谱分析仪不同于传统频谱分析仪，它可以实现对信号的并行处理，即不同频率信号可以同时到达接收器，从而加快了分析速度，因此在天文和军事中应用广泛。声光频谱分析仪原理如图2.1所示，含有多种频率成分的电信号经过变频放大，然后转化成多种频率的超声波加在声光器件上，当入射激光经过时就会出现多种方向的衍射光，且衍射光强度与对应的超声波频率成正比。

图2.1 声光频谱分析仪原理图

2光束控制技术领域

近年来，光束控制技术得到了广泛的应用，特别是在分子生物力学的分析处理领域，光钳作为一种光束控制技术，主要通过聚焦激光捕获和操控微观物体，并能探测揭示运动蛋白作用、RNA折叠和染色体运动等机制[11]。此外，它还用于微电子机械系统（MEMS）的操作和组装，光钳系统通常是由光学显微镜观测，用激光移动控制，再利用传感器反映到CCD和计算机，记录监控整个过程。

图2.2给出基于声光偏转器的扫描光钳系统原理图，Nd:YAG激光发射的连续波激光束通过计算机控制的AOD实现光束漂移。将光束用扩束器扩束后送入显微镜，扩展后的光束通过二色镜耦合到显微镜光路中，然后使用数值孔径为1.0的水浸物镜将其紧紧聚焦到样品室中。利用AOD与计算机软件，通过光标控制光阱的位置和强度，图像由CMOS摄像机采集，并由计算机实时记录进行分析[12]。

图2.2 基于声光偏转器（AOD）的光钳系统原理图[12]

3图像扫描领域

物体表面的三维面型传感是立体数字成像领域的核心技术之一。为了实现动态三维成像，最新的研究进展将一阶光束与两个声光偏转器产生轻微的频差衍射，形成拍强条纹图。同时将CCD相机触发信号的频率设置为拍频的4倍，即可得到相移条纹图，并计算出其相位图（WPM）[13]。在三个摄像机的极线约束下，利用WPM辅助可清晰确定对应点，从而在跳过相位展开步骤的同时重建三维形状。动态三维成像的结构如图2.3所示，捕获部分由三个摄像机组成，摄像机由外部触发器控制，同步获取变形条纹图，进一步得到三维面立体像。

图2.3 三维成像系统结构[13]

声光偏转器还可以用于记录激光强度分布的高速成像[14]，如图2.4所示，为了使入射光偏转时在晶体表面激发的声波产生的最小时间延迟为1us，当使用声光偏转器作为快门时，该相机允许成像速度为微秒级，使用测试模式的实验显示偏转图像没有失真。用这种高速成像的方法，激光诱导击穿过程中在空气中的密度变化通过阴影照射和干涉测量进行可视化。

图2.4 基于声光偏转器的激光高速成像原理图[14]

4显微成像领域

双光子显微技术已成为生物学探索研究神经元功能方向的一项重要技术，该技术穿透深度大，立体选择性强，已成功应用于活体动物的神经计算。基于三维声光偏转的双光子显微镜实现了三维高效成像，由四个声光偏转器(AODs)组成的球形声光透镜(AOL)可以在三维空间中快速地引导和聚焦双光子显微镜的激光束，如图2.5所示，飞秒激光束在到达声光透镜（AOL）之前通过基于双通道棱镜的预啁啾器，该预啁啾优先补偿了构成AOL和微区其他光学元件的四个TeO2 晶体的AOD引入的时间色散，光束由两个4f系统从AOL传递到显微镜物镜后焦平面，成像体积内焦点的位置由AOL精确而迅速地控制。基于这种色散补偿的AOD扫描双光子显微镜，提供了更快和更灵活的成像速率[15]。