提高AOTF分光光学系统信噪比的方法 技术领域
本发明涉及一种提高分光光学系统信噪比的方法，特别涉及一种提高AOTF分光光学系统信噪比的方法。
背景技术
非共线型AOTF分光原理如图1所示，射频驱动电信号通过电声换能器401后转化为相应频率的超声波信号，通过单轴双折射晶体后形成衍射光栅402，在另一端被吸收器403吸收。白光入射晶体后，符合声光互作用条件的波长成分发生布拉格衍射，而其余波长成分不变。由于晶体的双折射作用，衍射光分为两束，即+1级和-1级衍射光，非衍射光定义为0级，如图所示出射。发生衍射后输出的光波长由超声波频率确定，超声波频率与光波数间为线性关系。其允许入射的光孔径角一般为5～7°，对应的出射分离角(衍射光与非衍射光之间的夹角)一般为6～8°。在应用分光光谱方法进行成分检测时，信噪比越高，检测精度越高。
对于入射光，入射孔径角越大，可利用光能量越多，信噪比越高，对于出射光，衍射光与非衍射光(杂散光)分离越彻底，信噪比越高。入射光孔径角大，出射光孔径角相应变大，衍射光与非衍射光重叠部分越多，信噪比越低。传统方法一般以牺牲光能利用率，即压缩入射光孔径角(计算结果＜3°)来实现出射光的彻底分离，提高信噪比，但效果并不理想。如图2所示，即使按照＜3°的入射孔径角度进行光路结构设计，由于晶体本身对不同波长光的折射率变化，不可避免地会发生+1级和-1级衍射光与0级光的部分混合，图中阴影部分表示的是重叠部分，若不能很好地分离这两束光，将极大影响光能利用率和系统信噪比。前述方法已经表明，单纯依靠光学设计，想利用空间位置法使两束光(衍射光和非衍射光)得到分离是十分困难的。必须利用这两束光本身的特性差别或通过其他手段使这两束光产生特性差别，从而去处非衍射光地影响。
发明内容
为了更好的分离衍射光和非衍射光，更好的利用光能量，提高分光系统信噪比，我们提出用正交双偏振方法或光电相结合的调制方法来去除0级光影响，提高AOTF分光光学系统信噪比的两种方法。
本发明是这样实现的：
1.采用正交双偏振方法
基于发生异常布喇格衍射的入射光与衍射光正交偏振的特性，采用正交双偏振法来消除0级光。具体来讲，利用非线性AOTF动量匹配关系分析，我们可以看到这样的规律：入射为o(ordinary light)光，则衍射光为e(extrodinary light)光；入射为e光，则衍射光为o光，而o光和e光分别对应于两种完全正交的偏振状态。我们可以利用晶体本身的这一特性，利用起偏和检偏元件，滤除未发生衍射的0级光，而使衍射o光或e光通过，从而达到提高信噪比(SNR)的目的。
起偏元件将自然光滤除为单一偏振光，经AOTF作用后，对应于某一声频的光波矢满足平行切线动量匹配条件，发生衍射，对应于某一特定波长的+1级光衍射光的偏振状态发生90°偏转，与原偏振态垂直并偏转一定的角度(分离角)输出。而不满足平行切线动量匹配条件的光波(0级光)不发生衍射，仍沿原传播方向出射，且偏振状态并不发生改变。此时，在AOTF后加一个检偏器件，光轴方向与起偏元件的表面相垂直，对应于+1级光的偏振状态可以通过，而对应于0级光的偏振状态则被滤除，从而达到消0级光的目的。
若将两偏振元件的光轴方向均旋转90°，则对应于-1级光的偏振状态通过，而0级光由于偏振态没有变化将被滤除。
具体来讲，准直透镜对光源所发出的光进行准直，再经前置偏振装置起偏，将非偏振光变为单一方向的偏振光，AOTF分光器在驱动信号作用下，形成衍射光栅，对通过的白光进行单波长选取实现分光，再经过后置偏振装置检偏作用，使+1级(或-1级)的单一波长衍射光通过，滤除掉与其偏振状态相垂直的0级光(白光)，其偏振方向与前置偏振片偏振轴相垂直，然后经过聚光透镜将通过后置偏振片的单波长光会聚后引入接收系统中。
2.光电结合的调制方法
对于AOTF，我们可以通过周期性改变驱动信号的功率来达到调制衍射光光强的效果。利用这一特性，通过将射频驱动信号进行幅度调制，使其衍射光强发生周期性改变，实现衍射光光强调制，然后使用电学方法进行解调。
计算机通过D/A卡和射频发生卡分别产生调制信号和射频驱动信号，两信号在射频驱动器内经混合放大作用于AOTF晶体，产生光强被调制的+1级(或-1级)衍射光，而0级光的光强仍保持稳定。光强的调制周期由如图6所示的调制波频率(1KHz)决定。使用测量光与参考光双光路是为了消除光源的本身波动引起的误差，即双光路补偿设计。光电检测器将1级光和混合在其中的0级光平等接收并转化为电信号输出，信号处理电路通过隔直、窄带滤波和放大等处理后，提取出单一波长固定周期与1级光相对应的电信号，经FFT处理后还原为光强成正比的电压信号后，进行光谱扫描检测。
由射频合成卡输出的载波信号决定了衍射光的中心波长，而调制信号决定了光强的变化周期。经射频驱动器调制后的输出波形如图6所示，这是示波器显示的实际状态，其中，包络线对应于调制波的频率，其幅值与调制深度即调制波的峰峰值成比例。被调制的衍射光由光电检测器转换为交流电信号，经隔直和窄带滤波滤除0级光和杂散光的影响，在电路上进行解调。
经准直透镜对光源所发出的光进行会聚，光经过AOTF分光器在驱动信号作用下，形成衍射光栅，进行单波长选取实现分光，再经过聚光透镜将通过后置偏振片的单波长光会聚后引入接收系统中，通过计算机内装的射频合成卡和AOTF驱动器，产生超声波频率范围的射频驱动信号，通过改变超声波频率来实现波长选取，达到分光效果，在调制应用下，附加的调制信号与高频信号混合后形成幅值周期变化的超声波信号，给AOTF提供幅值周期变化的驱动信号，使得+1和-1级衍射光的光强变成周期变化的交流信号，而0级光的光强保持不变，仍为直流信号，对由光电接收器转换后的信号采用电学方法进行滤波，只将与驱动信号幅值变化周期对应频率的信号抽出，而滤去由0级光转换来的直流电信号，从而获得很高信噪比的分光信号。杂散光被挡光板遮挡去大部分，其余部分被后续电路滤除。测量光和参考光经过电检测器，经过信号处理电路处理后再经内装A/D和D/A卡的计算机系统完成数据采集。
实验结果表明，基于AOTF基本光路的应用设计，采用上述两种方法均能有效提高系统的信噪比，提高分光光谱的测量精度，这两种方法在实际应用中可根据具体应用条件加以选择。我们在自研制的无创伤人体血糖浓度检测装置中实际应用了这两种方法，该装置的分光波长范围为800～2400nm，这两种方法被证明有效地提高了整个测量系统的信噪比，尤其在这种微弱光信号检测中更有实际应用价值。
附图说明
图1：AOTF分光原理示意图；
图2：小于3°入射角设计的光学系统衍射光与非衍射光空间位置关系示意图；
图3：正交双偏振AOTF试验分光光学系统结构示意图；
图4a：采取正交双偏振法耦合到光纤中的光能量谱图；
图4b：未采取正交双偏振法耦合到光纤中的光能量谱图；
图5：调制方法实验装置示意图；
图6：光强调制后射频驱动器的输出信号波形；
图7：无调制情况下射频驱动器的幅度特性曲线；
具体实施方式
实施例1：
正交双偏振系统：
如图3所示，由卤钨灯13提供系统由可见至近红外波段的稳态白光光源，由12V恒流恒压直流电源驱动，经准直透镜2对光源所发出的光进行会聚，即将卤钨灯灯丝成像在AOTF中心，尽可能的充分利用光能，再经前置偏振装置3的起偏作用，将非偏振光变为单一方向的偏振光，本系统选用格兰泰勒棱镜，其对相互正交态的两偏振光的消光比为105/1，对单偏振态的光透过率为70％左右，正常工作温度可达60℃。通过AOTF分光器4在驱动信号作用下，形成衍射光栅，进行单波长选取实现分光，本系统采用的AOTF驱动器8主要包括信号发生和功率放大两部分，产生超声波频率范围的射频驱动信号，通过改变超声波频率来实现波长选取，达到分光效果。再经过后置偏振装置5的检偏作用，使+1级(或-1级)的单一波长衍射光通过，滤除掉与其偏振状态相垂直的0级光，其偏振轴与前置偏振片偏振轴相垂直，消光比为105/1；然后经过聚光透镜6将通过后置偏振片的单波长光会聚后引入光纤等接收系统中，用于分光光谱检测应用；本系统使用的是光纤传光束7，光纤数值孔径0.37。
表1 不同光路状态下耦合到光纤中的光能量
(傅立叶红外光谱仪测量结果)
光路状态0级光光能量 衍射光光能量
有双偏振片 1 186
无双偏振片 43 407
在加偏振情况下，从图4a的谱图中基本无法用肉眼看出有0级光混入，而不加偏振情况下，从图4b的谱图中可以很明显看出有混入的0级光，对比后我们可以认为基本消除了0级光的影响。表1中0级光光能量是关闭射频驱动器后测得的，衍射光光能量是在打开射频驱动器后测得的总能量减去0级光光能量得到的，可以得到信噪比由407∶43提高到186∶1，正交双偏振去除0级光影响的效果明显。
实施例2：
光电结合调制系统：
如图5所示，由卤钨灯13提供系统由可见至近红外波段的稳态白光光源。由12V恒流恒压直流电源驱动，经准直透镜2对光源所发出的光进行会聚，即将卤钨灯灯丝成像在AOTF中心，尽可能的充分利用光能；光经过AOTF分光器4在驱动信号作用下，形成衍射光栅，进行单波长选取实现分光。再经过聚光透镜6：将通过后置偏振片的单波长光会聚后引入光纤等接收系统中，用于分光光谱检测应用。本系统采用的AOTF驱动器8：主要包括信号发生和功率放大两部分，产生超声波频率范围的射频驱动信号，通过改变超声波频率来实现波长选取，达到分光效果，在调制应用下，附加的调制信号与高频信号混合后形成幅值周期变化的驱动信号，如图6所示，与晶体作用后产生的衍射光强也发生相应的周期性变化。通过AOTF驱动器8的杂散光经过挡光板9，挡光板在这里的作用是挡掉与衍射光完全分离的大部分0级光，其目的主要不是为了提高信噪比，而是挡掉杂散光以免检测器饱和。测量光和参考光经过电检测器10，将光强信号转换为相应的电信号输出以便于采集处理，本系统采用的是InGaSn近红外探测器。信号处理电路11主要包括普通隔直电路，以OPA111A为核心元件的放大电路，1KHz的窄带通滤波电路等，以完成对被测信号的放大，滤波等解调功能。经过信号处理电路11的处理后经内装A/D和D/A卡的计算机系统12完成数据采集，产生高频信号和调制信号，以及相应的驱动和数据采集功能。
研究中测试了在无调制的情况下，射频驱动器的幅度特性曲线如图图7所示。可见，在0～50％范围内基本呈线性变化，而在50～100％范围内变化很小。该曲线即为AOTF幅度调制的静态曲线，它有助于选择幅度调制的静态工作点。
实验证明：
(1)这种光电结合的调制方法不仅可以有效消除0级光和杂散光的影响，经AOTF作用后的衍射光将直接被用于测量，有效地提高了系统信噪比。
(2)交流带通滤波电路具有更大的可靠性，同时可以大大压缩噪音频带，降低系统噪声，使系统抗干扰能力更强。
(3)可以缩短光路，筛化系统整体结构，降低综合成本。
(4)系统信噪比主要取决于检测器和电路噪声而与0级光和其它杂散光的影响无关，但该方法影响光电接收的动态范围，提高了对接收器件的要求。