CN102955279A - 一种可调谐法布里-珀罗滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其主要技术特点是：包括第一反射镜、液晶材料、第二反射镜和驱动电路，液晶材料设置在由第一反射镜和第二反射镜构成的法布里-珀罗多腔内，驱动电路通过控制法布里-珀罗多腔内液晶材料的有效折射率实现滤波器的调谐功能。本发明设计合理，将液晶放置在法布里-珀罗标准具的腔内实现对透过法布里-珀罗滤波器的线偏振光频率的连续、快速和精密调谐功能，具有无机械移动部件、性能稳定可靠、成本低、尺寸小、易于安装及生产等特点，可满足对于要求尺寸小和极端工作环境下的可靠运行，可广泛用于在激光器、光学测试、光纤通讯、生物、医疗器械和光纤传感器网络等领域中。

Description

一种可调谐法布里-珀罗滤波器
技术领域
本发明属于光电技术领域，尤其是一种可调谐法布里-珀罗滤波器。
背景技术
传统的光学法布里-珀罗标准具是一种利用多光束干涉原理制作的滤波器件，主要有两种类型：一种是空气间隔的，一种是光学玻璃间隔的。通过两个通光面上多层介质膜的高反射率所形成法布里-珀罗腔的多光束干涉效应，可以实现在宽频谱范围内的多波长窄带滤波输出，而且具有性能稳定、通光孔径大、光功率破坏阈值高、结构简单和成本低等特性，因此，被广泛应用于各类激光器、光学测量仪器和光纤通讯器件中。
利用传统的光学法布里-珀罗标准具可以实现透射光频率的调谐功能。对于空气间隔的法布里-珀罗标准具，可通过改变光的入射角度进行调谐，但是这种方法的调谐范围很小；也可以采用用机械方法（如步进马达）改变法布里-珀罗标准具的腔长进行调谐，这种方法可以实现大的调谐范围，但调谐精度低，而且对机械部件的精度要求高，稳定性不好。另外，采用PZT压电陶瓷（锆钛酸铅）技术通过改变法布里-珀罗标准具的腔长，可以提高调谐精度和速度，但是不易做到小型化，且驱动电路也较复杂；改变标准具的温度也可以实现较大范围的调谐，但是，该方法的缺点是速度慢。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种稳定性强、调谐精度高、速度快且体积小的可调谐法布里-珀罗滤波器。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种可调谐法布里-珀罗滤波器，包括第一反射镜、液晶材料、第二反射镜和驱动电路，所述第一反射镜的通光面外侧设置高反射率多层介质膜，第一反射镜的通光面内侧第一层设置光学增透膜，在该光学增透膜上设置透明电极；所述第二反射镜的外侧设置高反射率多层介质膜，第二反射镜的内侧第一层设置光学增透膜，在该光学增透膜上设置透明电极，在该透明电极上设置厚度为几微米到十几微米的非导电材料薄膜，覆盖除通光孔径以外的部分以及一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道，并与第一个反射镜内侧构成一个厚度为几微米到十几微米的空腔，液晶材料放置在该空腔内；所述的驱动电路连接到两个透明电极上，第一反射镜的通光面外侧和第二反射镜的通光面外侧保持平行并且构成法布里-珀罗多光束干涉腔。
而且，所述的液晶材料采用的是向列相型液晶。
而且，所述的第一反射镜和第二反射镜均为光学透明材料并且具有相同的光折射率。
而且，所述的驱动电路是一种频率为几百赫兹到几千赫兹的方波脉冲电路，脉冲电压幅度可从0伏到5伏可调。
一种可调谐法布里-珀罗滤波器，包括第一反射镜、第一光学透明玻璃片、液晶材料、第二光学透明玻璃片和第二反射镜；所述第一反射镜的通光面外侧设置高反射率多层介质膜，第一反射镜的通光面内侧为光学抛光面；第一光学透明玻璃片设置在第一反射镜内侧，第一光学透明玻璃片的通光面外侧为光学抛光面，第一光学透明玻璃片的通光面内侧第一层设置光学增透膜，在该光学增透膜上设置透明电极；所述第二反射镜的通光面外侧设置高反射率多层介质膜，第二反射镜的通光面内侧为光学抛光面；第二光学透明玻璃片设置在第二反射镜内侧，第二光学透明玻璃片的通光面外侧为光学抛光面，第二光学透明玻璃片的内侧第一层设置光学增透膜，在该光学增透膜上设置透明电极，在该透明电极上设置厚度为几微米到十几微米的非导电材料薄膜，覆盖除通光孔径以外的部分并与第一个光学玻璃片内侧构成一个厚度为几微米到十几微米的空腔，液晶材料放置在该空腔内；驱动电路连接到第一光学透明玻璃片和第二光学透明玻璃片的透明电极上，第一反射镜的通光面外侧和第二反射镜的通光面外侧保持平行并且构成法布里-珀罗多光束干涉腔。
而且，所述的液晶材料采用的是向列相型液晶。
而且，所述第一反射镜的内侧与第一光学透明玻璃片的外侧用光学透明折射率匹配胶粘接在一起；所述第二反射镜的内侧与第二光学透明玻璃片的外侧用光学透明折射率匹配胶粘接在一起。
而且，所述的第一反射镜、第二反射镜、第一光学透明玻璃片和第二光学透明玻璃片均为光学透明材料且具有相同的光折射率。
而且，所述光学透明折射率匹配胶的折射率与光学透明材料折射率相同。
而且，所述的驱动电路是一种频率为几百赫兹到几千赫兹的方波脉冲电路，脉冲电压幅度可从0伏到5伏可调。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，将液晶放置在法布里-珀罗标准具的腔内并利用液晶的电控双折射效应和对入射的某一特定偏振方向的线偏振光产生光学相位调制，实现对透过法布里-珀罗滤波器的线偏振光频率的连续、快速和精密调谐,以及在宽频谱范围内的光频率的快速精密调谐。由于液晶材料的厚度非常薄，因此可以制作尺寸小、自由光谱范围大的宽带可调谐法布里-珀罗滤波器。本滤波器具有无机械移动部件、性能稳定可靠、成本低、尺寸小、易于安装及生产等特点，可满足对于要求尺寸小和极端工作环境下的可靠运行，可广泛用于在激光器、光学测试、光纤通讯、生物、医疗器械和光纤传感器网络等领域中。
附图说明
图1是一个普通法布里-珀罗标准具的示意图；
图2是本发明的一种结构示意图；；
图3是光透过液晶材料的相位随外加电场的变化曲线；
图4是本发明的另一种结构示意图；
图5是普通法布里-珀罗标准具的透射光谱示意图；
图6是本发明的透射光谱示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
图1给出了一种普通的法布里-珀罗（Fabry-Perot）光标准具100的示意图。该法布里-珀罗光标准具100的材料一般在近红外和可见光波段采用象融石英或BK7这样的光学玻璃，假设材料的折射率为n，两个通光面2和4都镀高反射膜，其反射率为R,厚度为h，光以接近零度的入射角入射，则光标准具100的自由光谱范围FSR1可以表示为：Δλ=λ2/(2nh),或用频率表示：Δν=c/(2nh),其中c是光速。透射光的峰值频率可以表示为：ν=mc/(2nh),其中m是干涉级次，透射光的频率宽带可以表示为：Δν（FWHM）=c(1-R)/(2nhR1/2)，其中c是光速。
从上述两个公式可以看出，光标准具100的自由光谱范围FSR1与厚度为h成反比。假设材料的折射率为n=1.5，要实现FSR1=100GHz，厚度h≈1毫米。自由光谱范围FSR1越大，其厚度就越小。在标准具的材料和厚度确定后，透射光的频率宽带主要和反射率R有关，反射率越高，频率宽带或锐度（finesse）越小。法布里-珀罗（Fabry-Perot）光标准具的透射光谱的特点是每个透射谱的带宽非常窄，透射光谱的频率间隔相等并且光频带宽度非常宽，一般可覆盖100纳米的光频谱带，如图5所示。
由于一般用作光电器件的液晶材料具有高的电阻率，因此，可以被认为是理想的电介质材料。由于构成分子的有序取向和拉伸延长的形态，液晶具有各向异性的电介质特性和单轴对称性，就象一个单轴晶体一样，其光轴的方向与分子的排列取向一致。当液晶分子在外界电场的作用下，会形成电偶极子。在电偶极子所形成的力矩作用下，使得液晶分子的取向转向电场的方向，可以通过改变电场的强弱，改变液晶的光轴的方向。因此，可以利用液晶的这一特性制作光相位调制器，可调谐滤波器或其他光电器件，如光开关和光强调制器等。一般用作光电器件的液晶膜层的厚度为几微米到十几微米。本发明正式利用液晶在电场作用下对线偏振光的折射率产生改变这一特性设计而成。
如图2所示，一种可调谐法布里-珀罗滤波器200包括第一反射镜10、液晶材料18、第二反射镜20和驱动电路14，第一反射镜10和第二反射镜20均为光学透明材料且在通光面外侧表面8和22上镀有高反射率多层介质膜，在两个高反射率多层介质膜之间形成法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔；在第一反射镜10的通光面内侧从外到内依次设有光学增透膜12和透明电极膜层16；在第二反射镜20的通光面内侧从外到内依次设有光学增透膜24、透明电极26和非导电材料薄膜19，光学增透膜12和光学增透膜24分别镀在第一反射镜10的通光面内表面和在第二反射镜20的通光面内表面。非导电材料薄膜19的厚度为几微米到十几微米，覆盖除通光孔径外的其他部分以及一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道，目的是为注入在腔内多余的液晶提供一个出口通道。该非导电材料薄膜与所述第一个透明光学材料的内侧构成一个厚度为几微米道十几微米的空腔用于设置液晶材料18，该液晶材料18采用的是向列相型液晶，该液晶材料的厚度约为几微米到十几微米。由于液晶的厚度很小（几微米到十几微米），因此，可以制作本征自由光谱范围（即在无外加电场时的可调谐滤波器的自由光谱范围）的可调谐法布里-珀罗滤波器。两个透明电极与驱动电路14相连接，由驱动电路产生的驱动信号在两透明电极膜层之间形成驱动电场；利用电场改变Fabry-Perot腔内液晶的有效折射率n，来调节法布里-珀罗滤波器的透射光的光频率ν和自由光谱范围（FSR）。通常的驱动电场是电压为几伏，频率为几赫兹到几千赫兹的方波信号。
在图2中，入射到滤波器200的光束6是一束沿z方向传播，偏振轴为x方向的线偏振光，假设光透明材料的折射率为n，两个通光面8和22都镀高反射膜，假设反射率为R,厚度为D，则滤波器200的自由光谱范围FSR2和透射光频率分别为：Δλ=λ2/(2nD+Γ),或用频率表示：Δν=c/(2nD+Γ),其中c是光速,Γ代表由液晶在外加电场作用下由折射改变对入射光所产生的光程。透射光的峰值频率可以表示为：ν=mc/(2nD+Γ),其中m是干涉级次，透射光的频率宽带可以表示为：Δν（FWHM）=c(1-R)/((2nD+Γ)R1/2)，其中c是光速。
图3给出了一个厚度为10微米的向列相型液晶在1KHz方波电压的驱动下，对光波长为1550纳米光波相位变化的关系示意图。最大可实现约6π的光相位延迟。根据上述公式，可调谐法布里-珀罗滤波器200对于接近零度入射的线偏振光可以得到约100GHz的透射光频率的调谐范围。相比较而言，根据上面的公式，对自由光谱范围Δν和透射光的频带宽带的改变要小的多。可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光谱示意图如图6所示。
由此可见，可调谐法布里-珀罗滤波器200在外加电场的作用下，可以实现较大范围的透射光峰值频率的调谐而基本不改变透射光的频率宽带和自由光谱范围。这个特性对于将可调谐法布里-珀罗滤波器200许多应用中，如激光器和频谱仪器等具有重要意义。
由于可调谐法布里-珀罗滤波器200在制作时，要求两片光学透明材料的通光面外表面8和22的表面严格平行，这对于调谐法布里-珀罗滤波器200的组装上带来一定的困难。为此，我们设计了另外一种可调谐法布里-珀罗滤波器300，如图4所示。可调谐法布里-珀罗滤波器300包括第一反射镜32、第一光学玻璃片36、液晶材料41、第二光学玻璃片50、第二反射镜46和驱动电路56。滤波器300和滤波器200的不同之处在于，滤波器300中，首先把液晶材料41放置于两个光学透明玻璃片36和50之间，上述两个光学透明玻璃片36和50的通光面内侧分别镀有光学增透层38和52，透明电极40和54，并在光学透明玻璃片50上设置一层非导电材料的薄膜层41与第一个光学透明玻璃片36的内侧构成一个厚度为几微米道十几微米的空腔用于放置液晶材料。上述两个光学透明玻璃片36和50的另一通光面不镀膜，光学透明玻璃片36和50和液晶材料42构成一个液晶盒。在组装上述液晶盒时，不需要将光学透明玻璃片36和50的面保持严格平行，这样，在组装时比较容易操作。第一反射镜32的通光面30镀有高反射率膜，另一通光面没有镀膜。首先将第一反射镜32与光学透明玻璃片36用折射率匹配胶34粘合在一起。第二反射镜46的通光面44镀有高反射率膜，另一通光面没有镀膜。然后将第二反射镜46用折射率匹配胶48与光学透明玻璃片50粘合在一起，在这个过程中，才需要将两个光学透明玻璃片32和46的两个镀高反射膜的面30和44调整严格平行，以实现法布里-珀罗标准具的多光束干涉的效应。通常情况下，由于采用的相同的光学透明材料，折射率匹配胶48和折射率匹配胶34也是相同的。该技术方案在组装上比第一种设计方案更加方便。
需要强调的是，上述说明仅起演示和描述的作用，并不是一个详细无遗漏的说明，也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。经过上面的描述，对本发明的许多改动和变化都可能出现。所选择的具体实施仅仅是为了更好的解释本发明的原理和实际中的应用。这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好的利用本发明，根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。

Claims (10)

1.一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：包括第一反射镜、液晶材料、第二反射镜和驱动电路，所述第一反射镜的通光面外侧设置高反射率多层介质膜，第一反射镜的通光面内侧第一层设置光学增透膜，在该光学增透膜上设置透明电极；所述第二反射镜的外侧设置高反射率多层介质膜，第二反射镜的内侧第一层设置光学增透膜，在该光学增透膜上设置透明电极，在该透明电极上设置厚度为几微米到十几微米的非导电材料薄膜，覆盖除通光孔径以外的部分以及一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道并与第一个反射镜内侧构成一个厚度为几微米到十几微米的空腔，液晶材料放置在该空腔内；所述的驱动电路连接到两个透明电极上，第一反射镜的通光面外侧和第二反射镜的通光面外侧保持平行并且构成法布里-珀罗多光束干涉腔。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的液晶材料采用的是向列相型液晶。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的第一反射镜和第二反射镜均为光学透明材料并且具有相同的光折射率。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的驱动电路是一种频率为几百赫兹到几千赫兹的方波脉冲电路，脉冲电压幅度可从0伏到5伏可调。
5.一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：包括第一反射镜、第一光学透明玻璃片、液晶材料、第二光学透明玻璃片和第二反射镜；所述第一反射镜的通光面外侧设置高反射率多层介质膜，第一反射镜的通光面内侧为光学抛光面；第一光学透明玻璃片设置在第一反射镜内侧，第一光学透明玻璃片的通光面外侧为光学抛光面，第一光学透明玻璃片的通光面内侧第一层设置光学增透膜，在该光学增透膜上设置透明电极；所述第二反射镜的通光面外侧设置高反射率多层介质膜，第二反射镜的通光面内侧为光学抛光面；第二光学透明玻璃片设置在第二反射镜内侧，第二光学透明玻璃片的通光面外侧为光学抛光面，第二光学透明玻璃片的内侧第一层设置光学增透膜，在该光学增透膜上设置透明电极，在该透明电极上设置厚度为几微米到十几微米的非导电材料薄膜，覆盖除通光孔径以外的部分并与第一个光学玻璃片内侧构成一个厚度为几微米到十几微米的空腔，液晶材料放置在该空腔内；驱动电路连接到第一光学透明玻璃片和第二光学透明玻璃片的透明电极上，第一反射镜的通光面外侧和第二反射镜的通光面外侧保持平行并且构成法布里-珀罗多光束干涉腔。
6.根据权利要求5所述的一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的液晶材料采用的是向列相型液晶。
7.根据权利要求5所述的一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述第一反射镜的内侧与第一光学透明玻璃片的外侧用光学透明折射率匹配胶粘接在一起；所述第二反射镜的内侧与第二光学透明玻璃片的外侧用光学透明折射率匹配胶粘接在一起。
8.根据权利要求7所述的一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的第一反射镜、第二反射镜、第一光学透明玻璃片和第二光学透明玻璃片均为光学透明材料且具有相同的光折射率。
9.根据权利要求8所述的一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述光学透明折射率匹配胶的折射率与光学透明材料折射率相同。
10.根据权利要求5至9任一项所述的一种可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的驱动电路是一种频率为几百赫兹到几千赫兹的方波脉冲电路，脉冲电压幅度可从0伏到5伏可调。
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