AOTF分光原理：

声光可调谐滤光器（Acousto-optic tunable filter，简称AOTF）是一种声光调制器件。其工作原理主要是利用了声波在各向异性介质中传播时对入射到传播介质中的光的布拉格衍射作用。声光可调谐滤光器由单轴双折射晶体（通常采用的材料为TeO2），粘合在单轴晶体一侧的压电换能器，以及作用于压电换能器的高频信号源组成。当输入一定频率的射频信号时，AOTF会对入射多色光进行衍射，从中选出波长为λ的单色光。单色光的波长λ与射频频率f有一一对应的关系，只要通过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长。

作为第5代近红外分光技术的AOTF已经经历了20多年的发展，从最初的探索尝试到最终的成熟应用，可谓几经波折，终于在2001年美国BRIMROSE公司与美国国家航空和航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）合作，将公司的新型AOTF近红外光谱仪安装在未来的漫游者火星探测器上，用来分析行星地质结构，检测水分和各种矿物质，同时在实施阿里亚娜发射和2012年彗星登陆计划中有合作项目。

采用AOTF近红外分光技术的仪器不仅扫描速度快，而且不受外界环境如温度、湿度、灰尘等的影响，双光路设计以及良好的信噪比，都使该仪器成为在线质量控制和现场品质检测的理想选择。

现在这项技术在在线检测中的优越特性已经逐渐为广大的客户所熟悉，如国际上一些知名品牌的制药公司辉瑞、拜耳、阿斯利康、葛兰素史克等均为美国BRIMROSE公司的客户。

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传统的红外分光光度技术采用棱镜或光栅做色散元件，以这些色散元件为核心的红外光谱测量系统，结构复杂，设计和生产成本高，使得分析检测仅适于实验室条件下应用。自20世纪80年代后期，一种新型的色散元件——声光可调滤光器（Acousto-optic tunable filter，简称AOTF）逐渐受到人们的重视。AOTF是基于各向异性的双折射晶体的声光衍射原理，利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件。与传统的基于机械调谐分光元件的光谱仪器相比，以AOTF作为分光元件的光谱仪具有明显的优越性：它结构简单，光学系统无移动性部件，体积小，集光能力强，最吸引人之处在于它的波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温度、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设计产生优异的避震性能，使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来越广泛的应用。


◆AOTF近红外仪器采用AOTF分光系统，扫描速度快，可达16000波长点/秒（32次/秒），而傅立叶型仪器由于采用的是机械分光，速度只有4次/秒。

◆AOTF仪器内部构造简单，使穿行于设备内的光径是简短的，保证了光程设计的最短化，使光能量的损失减少到最低，保证最大的光学效能输出，信噪比非常高，比傅立叶型仪器高100倍。信噪比这个指标对近红外仪器来说，是个非常重要的指标。如果仪器的信噪比低，那么在检测的时候就不能取得足够多的有效信号，一些含量很低的物质就无法检测，比如ppm级含量的物质；相反，如果仪器的信噪比高，则取得的信号强度就大，AOTF近红外可以检测到某些ppm级含量的物质。目前这方面取得国家专利的技术有《一种利用AOTF近红外光谱仪检测中药中微生物的方法》（专利号：200710017123.6）、《一种利用AOTF近红外光谱仪检测香料中铅的方法》（专利号：200710017122.1）和《一种利用AOTF近红外光谱仪检测香料中砷的方法》（专利号：200710017124.0），都是对ppm级含量的物质的检测。因此这一点上，AOTF突破了近红外不能检测ppm含量物质的传统观念。

◆AOTF具有扫描速度快，信噪比高的优点，简化了在线解决方案，节省了投资费用。比如在管道中传送的流体，传输过程中难免会产生气泡。AOTF近红外由于扫描速度快，信噪比高，能够采集到足够强度的有效信号，另外可以采用较高的扫描平均次数，将这种由气泡产生的影响降到最低。经过多次的实验证实，AOTF近红外光谱仪不受气泡的影响，因此，不需要增加气泡处理的装置。而傅立叶型的仪器无法排除气泡的影响，必须在检测之前安装气泡消除预处理装置，增加了额外的费用。

◆AOTF为全固化分光器件。无移动部件，抗震性能好，光谱仪光学部件采用全密封设计，不受环境（如温度、湿度、粉尘等）影响，仪器在线工作稳定。因此，仪器可直接安装在检测点附近，节省了光纤费用，而仪器与计算机之间的信号传输采用普通的RJ-45网线连接。而傅立叶型仪器对温度、湿度、灰尘等有严格的实验室环境要求，一旦环境发生变化，其测试结果的准确性会受到影响。所以傅立叶型的仪器必须安装在一个恒温恒湿的实验室环境中，才能稳定工作，增加了额外的设计费用。

◆由于采用AOTF分光系统，仪器体积小巧，外部采用全不锈钢板防爆设计，坚固耐用，适用不同的车间环境。而傅立叶型的仪器采用的是麦克逊干涉仪，由于分光的限制，仪器不可能做到小型化。

◆采用电子信号控制扫描。波长切换快，重现性好，程序化的波长控制，满足了实时快速检测的需要。采用双光路设计，参比光路和测样光路，极大提高仪器的抗干扰能力。因此，仪器在实际应用中不必扫描背景信息，在仪器内部自动完成背景过滤，直接得到就是比较纯正的近红外有效信号。而傅立叶型的仪器每次测样时必须扫描背景光谱，建模比较麻烦。

◆AOTF近红外仪器可以选择任何一个波长范围进行连续扫描，可以根据被测物质的有效波段进行选取扫描，不仅更合理，而且缩短扫描的时间，消除干扰信息，使测量的结果更准确。而傅立叶型仪器必须在设定的光谱范围内扫描，不能够截取任何一个波长范围扫描，这样，在没有被测物质信号的波长区域可能会引进一些干扰的信息，不仅使得扫描时间长，而且测试结果的准确性差。

◆AOTF近红外光谱仪采用一体化全密封设计，无任何移动部件，保证了仪器在任何环境下都能够长期稳定可靠运行，测量的数据可信度高。而傅立叶型仪器由于移动部件的存在，长期运行会受到磨损，不够稳定可靠，需要定期对仪器进行调试校准。未校准前仪器测量数据的可信度受到怀疑。

◆完美的多路转换专利技术结合无可匹敌的重复性，以最少的设备投入，产生巨大的经济效益。使一台仪器同时检测多达16个通道，而且每个通道又同时检测不同的工艺指标，多路转换器的通道转换时间不超过0.25秒。

◆信号远距离的传输采用超低OH值光纤。含氢杂质的存在是造成吸收损耗的主要原因，采用低OH石英单模光纤，能将近红外信号在传输中的损失降到最低。光纤直径为600um，终端是SMA接头，提供给在线AOTF近红外分析仪用于连接流体测样器。

◆检测结果实时在线显示，也可直接接入DCS控制系统。光谱仪通过RJ-45网线与计算机连接传输数据，并通过Modbus协议通讯模块与DCS连接。

◆检测元件的多样性，为在线检测提供了不同的解决方案。

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