CN104570327B - 一种多选通模式高光束质量的滤光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多选通模式高光束质量的滤光器，包括：第一色散元件，用于发散初始光束为发散光束，以及用于还原选通光束；第二色散元件，用于将所述发散光束会聚成平行光束和将选通光束会聚；滤光元件，用于对来自所述第二色散元件的所述平行光束，选通所需波长的光束获得所述选通光束，并将所述选通光束反射至所述第二色散元件；控制器，用于控制所述滤光元件选通所需波长的光束；以及光束出入口，用于控制所述初始光束入射至所述第一色散元件、以及用于控制所述第一色散元件还原的所述选通光束出射至所述滤光器外部。本发明的滤光器可以进行二阶色散补偿，具有长通、短通、带通和带阻四种选通模式且波长可调。
Description
技术领域
本发明属于光学光谱控制、测量、分析领域和光纤元件领域，涉及光束的滤光、分光、二阶色散补偿等领域，尤其涉及一种多选通模式高光束质量的滤光器。
背景技术
目前，在生物化学光谱分析中所使用的滤光元件主要为滤光片和单色仪，这些元件各有各的局限性。对于滤光片而言，普通滤光片的波长选择不可调，难以进行光谱控制；在光谱分析中，要准备多种所需的滤光片，频繁更换滤光片给光谱分析也增大了工作量。其次；当光源的能量较强时，滤光片容易损坏或大大减少使用时间。
对于单色仪而言，其出口为狭缝，也就是说只能获得带通的光，不能获得长通或者短通的光。其次，如果信号光的能量较强，单色仪得到的光的对比度就会较低。在弱光信号快速测量中，探测器的感光面积通常很小，例如雪崩光电二极管(APD)的感光面积半径只有几十个微米甚至更小，常用的单色处理后的光是由狭缝出射，形成条状光斑，很难聚焦成很小的光斑，这就增加了弱光快速测量的难度。另外，单色仪出射的条状光斑也很难耦合到光纤中，这就降低了光束的传播效率。
另外，上述的滤光片和单色仪还会使得脉冲光色散而使得脉宽展宽。
因此，亟需一种易于聚焦、易于光谱控制、高光束质量的并且可以进行色散补偿的滤光器件。
发明内容
本发明的目的在于为光谱控制、测量、分析提供一种高光束质量，可进行二阶色散补偿，具有长通、短通、带通和带阻四种选通模式且波长可调的滤光器，本发明可广泛应用生物、化学分析领域的信号探测和信号分析中。
本发明的多选通模式高光束质量的滤光器，包括：第一色散元件，用于发散初始光束为发散光束，以及用于还原选通光束；第二色散元件，用于将所述发散光束会聚成平行光束和将选通光束会聚；滤光元件，用于对来自所述第二色散元件的所述平行光束，选通所需波长的光束获得所述选通光束，并将所述选通光束反射至所述第二色散元件；控制器，用于控制所述滤光元件选通所需波长的光束；以及光束出入口，用于控制所述初始光束入射至所述第一色散元件、以及用于控制所述第一色散元件还原的所述选通光束出射至所述滤光器外部。
优选地，所述第一色散元件与所述第二色散元件构成色散元件对，所述色散元件对为等腰棱镜对，或者光栅对。
优选地，所述的等腰棱镜对底角大小为适合选通波长的布鲁斯特角，适用于初始光束是线偏振光。
优选地，所述的等腰棱镜对底角大小为适合选通波长的布鲁斯特角和表面镀有适合该波长的增透膜，适用于初始光束是非线偏振光。
优选地，所述的滤光元件可以是挡光板调制器和反射镜、透射式空间光调制器和反射镜、反射式空间光调制器。
优选地，所述的控制器用于控制滤光元件选通光束的波长。
优选地，所述的挡光板调制器，包括第一挡光板、第二挡光板、第一平移台、第一旋转台、第二平移台。所述的第一挡光板固定在第一平移台上，可以在垂直于光束方向上水平移动；所述的第二挡光板固定的第一旋转台上，可以在水平面上旋转；所述的第一平移台和第一旋转台固定在第二平移台上，并且可以再垂直于光束方向上水平移动。
优选地，所述的滤光元件如果是透射式空间光调制器或者反射式空间光调制器，所述的控制器用于控制空间光调制器的透过率和反射率在空间的分布。
优选地，所述的可更换出入口有空间光光阑式和光纤光耦合接口式，包括空间光入射光阑，出射光阑和光纤光入射耦合接口，出射耦合接口，可以根据需要随意切换。
本发明与现有的滤光装置相比，具有以下优点：
1、本发明采用色散元件对，通过调节色散元件对的距离可调整分辨率，通过改变色散元件的***量或者调节初始光的入射角可对初始光束进行二阶色散补偿，减小初始光束的脉宽；
2、本发明有四个波长选通模式，易于进行光谱控制，可在长通、短通、带通和带阻四种选通模式间自由切换，避免了光谱测量与分析中频繁更换滤光片；
3、本发明可用于大功率光源的滤光，为普通滤光片在大功率下使用寿命较短的问题提供了解决方案，也为大功率下单色仪的分辨率较低提供了解决方案；
4、本发明相比于单色仪，获得的高光束质量的光斑为圆形光斑，易于聚焦，易于耦合到光纤中；
5、本发明简便易行，可进行四个选通模式一体的电动控制，也可根据用户需要进行单一模式的简便控制。
附图说明
图1为根据本发明的多选通模式高光束质量的滤光器的结构示意图；
图2为根据本发明第一实施例的基于挡光板调制器的棱镜滤光器的结构示意图；
图3为根据本发明第二实施例的基于挡光板调制器的棱镜滤光器选通元件和四种选通模式下滤光元件位置的示意图，(a)为短通模式、(b)为长通模式、(c)为带通模式、(d)为带阻模式，(e)为选通元件的结构示意图；
图4为根据本发明第二实施例的基于透射式空间光调制器的反射式光栅滤光器的结构示意图；
图5为根据本发明第三实施例基于反射式空间光调制器的透射式光栅滤光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为根据本发明多选通模式高光束质量的滤光器的结构示意图，该滤光器10包括第一色散元件1，第二色散元件2，滤光元件3，控制器4，光束入口5和光束出口6。
第一色散元件1，用于发散初始光束为发散光束，以及用于还原来自第二色散元件2的选通光束。第二色散元件2，用于将来自第一色散元件1的发散光束会聚成平行光束，以及将来自滤光元件的选通光束会聚。第一色散元件1与第二色散元件2构成色散元件对。滤光元件3，用于对来自第二色散元件2的平行光束选通所需波长的光束从而获得该选通光束，并将该选通光束反射至第二色散元件2。控制器4，用于控制滤光元件3选通所需波长的光束。光束入口5，用于控制初始光束入射至所述第一色散元件1。光束出口6用于控制第一色散元件1还原的选通光束出射至滤光器10外部。
下面说明通过该滤光器10获得选通波长光束的过程。首先，初始光束通过光束入口5平行入射到第一色散元件1中，反射、折射或者衍射后形成发散光束。这里，如果初始光束是空间平行光，则光束入口5为空间光入射光阑5；如果初始光束为光纤光，则光束入口5为光纤光入射耦合接口5。
接着，该发散光束入射到第二色散元件2，经第二色散元件2反射、折射或者衍射后形成平行光束。该平行光束的截面为条状，在空间中按波长次序依次排列。该平行光束入射到滤光元件3中，控制器4控制滤光元件选出所需波长的组分，并将该组分的光(即选通光束)反射回第二色散元件2。
反射光束(选通光束)经过第二色散元件2反射、折射或者衍射后形成会聚的光束，会聚的选通光束再经第一色散元件1反射、折射或者衍射后形成平行光束，即将会聚的选通光束还原为平行的选通光束。
最后，平行的选通光束通过光束出口6出射至该滤光器10外部。这里，空间光的情况下，光束出口6为空间光出射光阑6，得到光斑为圆形且与入射光一致的平行光束。光纤光的情况下，光束出口6为光纤光出射耦合接口6，选通光束通过光纤光出射耦合接口6耦合到光纤中。
上述空间光光阑式出入口和光纤光耦合接口式出入口之间可以根据需要进行切换。
下面结合图2和图3对本发明的第一实施例进行详细说明。
图2为根据本发明第一实施例的基于挡光板调制器的棱镜滤光器的结构示意图，图3为根据本发明第一实施例的基于挡光板调制器的棱镜滤光器选通元件和四种选通模式下滤光元件位置的示意图，(a)为短通模式、(b)为长通模式、(c)为带通模式、(d)为带阻模式，(e)为选通元件的结构示意图。
如图2所示，基于挡光板调制器的棱镜滤光器20包括：第一等腰棱镜11和第二等腰棱镜12(即第一色散元件和第二色散元件)，挡光板调制器13，控制器14以及反射镜15，挡光板调制器13和反射镜15构成滤光元件。第一等腰棱镜11和第二等腰棱镜12构成色散元件对(棱镜对)。如图3(e)所示为选通元件(即挡光板调制器13及控制器14)的结构示意图。挡光板调制器13包括第一挡光板131，第二挡光板132，第一平移台133、第一旋转台134及第二平移台135，其中所述第一挡光板131固定于第一平移台133上，第二挡光板132固定在第一旋转台134上，第一平移台133和第一旋转台134固定在第二平移台135上。控制器14通过控制第一平移台133、第一旋转台134及第二平移台135，可以移动第一挡光板131和第二挡光板132的位置，即可实现对不同类型及波长光的选通。本实施例中，平移台133、135或旋转台134包括电机和导轨。控制器14例如是装载有控制软件/控制模块的计算机设备。控制器14通过发出指令控制电机的动作来控制平移台的移动和旋转台的转动。第一移动台133、第二平移台135可以在垂直于光束的方向上水平移动(即在图纸所在平面内水平移动)。第一旋转台134可以在图纸所在平面内水平转动。通过移动第二平移台135，可以同时移动第一挡光板131和第二挡光板132。
另外，图2中，d1为第一等腰棱镜11的***量，d2为第二等腰棱镜12的***量，L为第一等腰棱镜11和第二等腰棱镜12的相邻平行面的距离。调节L，可以实现对分辨率的调节，给第一等腰棱镜11适当的***量d1，选取适当的L，通过调节第二等腰棱镜12的***量d2，即可实现二阶色散补偿的调控。对于连续光，不需要进行色散补偿，只要选取适当的分辨率即可；对于脉冲光，如果对脉宽有要求，即可通过调节L和d2实现色散可以从正到负、从小到大变化，从而将光脉冲的脉宽降到最小。
下面详细说明本发明第一实施例的基于挡光板调制器的可色散补偿的棱镜滤光器的实现过程。
如图2所示，第一等腰棱镜11和第二等腰棱镜12底角大小为适合选通波长的布鲁斯特角，适用于初始光束是线偏振光。棱镜表面还可以镀有适合该波长的增透膜。且所述的棱镜对底面反向平行放置，L为第一等腰棱镜11和第二等腰棱镜12的相邻平行面的距离。给第一等腰棱镜11适当的***量d1，选取适当的L，通过调节第二等腰棱镜12的***量d2，即可实现色散可以从正到负、从小到大变化，从而将光脉冲的脉宽降到最小。
(1)短通滤光的实现
如图3(a)所示，移动第一平移台133，使得第一挡光板131靠紧第二挡光板132，移动第二平移台135到长波一侧，使得第二挡光板132的外侧(远离第一挡光板131的一侧)位于选通波长的截止波长位置，这就使得截止波长以下波长的部分被筛选了出来。例如，初始光的光谱范围为550-650nm，需要的光谱范围是600nm短通的部分，如上所述，移动第一平移台133，使得第一挡光板131靠紧第二挡光板132，移动第二平移台135到650nm一侧，使得第二挡光板132的外侧(远离第一挡光板131的一侧)位于600nm处，波长大于600nm的部分就被第二挡光板132挡住，600nm以下的部分就被筛选了出来。
(2)长通滤光的实现
如图3(b)所示，移动第一平移台133，使得第一挡光板131靠紧第二挡光板132，移动第二平移台135到短波一侧，使得第一挡光板131的外侧(远离第二挡光板132的一侧)位于选通波长的截止波长位置，这就使得截止波长以上波长的部分被筛选了出来。例如，初始光的光谱范围为550-650nm，需要的光谱范围是600nm长通的部分，如上所述，移动第一平移台133，使得第一挡光板131靠紧第二挡光板132，移动第二平移台135使得第二挡光板132移动到650nm一侧，使得第一挡光板131的外侧(远离第二挡光板132的一侧)位于600nm处，波长小于600nm的部分就被第一挡光板131挡住，600nm以上的部分就被筛选了出来。
(3)带通滤光的实现
如图3(c)所示，移动第一平移台133，使得第一挡光板131和第二挡光板132之间形成一个狭缝，并根据所需选通波长的带宽来确定狭缝的宽度。移动第二平移台135，使得狭缝的中心位置位于选通波长的中心波长位置，这就筛选出了带通的波长。例如，初始光的光谱范围为550-650nm，需要的光谱范围是595-605nm带通部分，如上所述，移动第一平移台133，根据该带通部分使得第一挡光板131和第二挡光板132之间形成一个狭缝，移动第二平移台135，使得狭缝的中心位于600nm位置，狭缝的宽度选通的波长带宽为10nm，这就筛选出了中心波长在600nm带宽为10nm带通光(即595-605nm带通部分)。
(4)带阻滤光的实现
如图3(d)所示，移动第一平移台133，使得第一挡光板131和第二挡光板132之间距离足够远，以第一挡光板131不会阻挡光线为佳，移动第二平移台135，使得挡光板132中心位置位于带阻的中心波长处，将第一旋转台134旋转一定角度，使得部分波长的光被第二挡光板132挡住，这就筛选出了带阻的波长。例如，初始光的光谱范围为550-650nm，需要滤掉595-605nm的部分，如上所述，移动第一平移台133，使得挡光板131和第二挡光板132之间距离足够远，使第一挡光板131移动至不会阻挡光线的位置，移动第二平移台135，使得挡光板132中心位置位于600nm处，将第一旋转台134旋转一定角度，使得595-605nm的部分的光被第二挡光板132挡住，这就筛选出了550-595nm和605nm-650nm的波长的光。
下面结合图4和图5对本发明第二、三实施例进行详细说明。
图4为本发明第二实施例的基于透射式空间光调制器的反射式光栅滤光器40的结构示意图。该滤光器40包括第一反射光栅21和第二反射光栅22(即第一色散元件和第二色散元件)，该第一反射光栅21和第二反射光栅22构成色散元件对(反射光栅对)。所述反射光栅对的衍射平面相互平行。初始光束经过第一反射光栅21和第二反射光栅22后形成带状空间分布的光束。该滤光器40还包括构成滤光元件的透射式空间光调制元件23和反射镜231。经过第一反射光栅和第二反射光栅后形成带状空间分布的光束通过透射式空间光调制元件23。该滤光器40还包括控制器24，该控制器24通过控制透射式空间光调制元件23在光透射区域透过率分布即可实现对不同类型及波长光的选通。本实施例中，透射式空间光调制元件23与控制器24可以形成为一体，例如市售的透射式空间光调制器。
图4中，θ为初始光在第一反射光栅21的入射角，L为第一反射光栅21和第二反射光栅22平行面的距离。调节L，可以实现对分辨率的调节。选取适当的L，通过调节初始光在第一反射光栅21的入射角θ，即可实现二阶色散补偿的调控。对于连续光，不需要进行色散补偿，只要选取适当的分辨率即可，对于脉冲光，如果对脉宽有要求，即可通过调节L和θ实现色散可以从正到负、从小到大变化，从而将光脉冲的脉宽降到最小。
下面说明本发明第二实施例的基于透射式空间光调制器的反射式光栅色散补偿滤光器的实现过程。
如图4所示，第一反射光栅21和第二反射光栅22的衍射平面相互平行，初始光束经过第一反射光栅和第二反射光栅后形成带状空间分布的光束，θ为初始光在第一反射光栅21的入射角，L为第一反射光栅21和第二反射光栅22平行面的距离。调节L，可以实现对分辨率的调节。选取适当的L，通过调节初始光在第一反射光栅21的入射角θ，即可实现色散从正到负、从小到大变化，从而将光脉冲的脉宽降到最小。
控制器24通过控制透射式空间光调制元件23在光透射区域的透过率分布，例如通过控制透射式空间光调制元件23的电场分布来控制透射率分布。例如，将光束透射区域大于500nm的区域的透过率调整成0，即可实现500nm短通滤光；同样的，将小于500nm的区域的透过率调整成0，即可实现500nm长通滤光；将480nm-500nm两侧区域的透过率调整成0，即可实现480nm-500nm带通滤光；将480nm-500nm区域的透过率调整成0，即可实现480nm-500nm带阻滤光。
图5为本发明第三实施例的基于反射式空间光调制器的透射式光栅滤光器50的结构示意图。该滤光器50包括第一透射光栅31和第二透射光栅32(即第一色散元件和第二色散元件)，第一透射光栅31和第二透射光栅32构成色散元件对(透射光栅对)。所述透射光栅对的衍射平面相互平行。初始光束经过第一透射光栅31和第二透射光栅32后形成带状空间分布的光束。该滤光器50还包括构成滤光元件的反射式空间光调制元件33。经过第一透射光栅和第二透射光栅后形成带状空间分布的光束通过反射式空间光调制元件33。该滤光器40还包括控制器34。该控制器34通过控制反射式空间光调制元件33在入射区域反射率分布即可实现对不同类型及波长光的选通。本实施例中，反射式空间光调制元件33与控制器34可以形成为一体，例如市售的反射式空间光调制器。
图5中，θ为初始光在第一透射光栅31的入射角，L为第一透射光栅31和第二透射光栅32平行面的距离。调节L，可以实现对分辨率的调节。选取适当的L，通过调节初始光在第一透射光栅31的入射角θ，即可实现二阶色散补偿的调控。对于连续光，不需要进行色散补偿，只要选取适当的分辨率即可，对于脉冲光，如果对脉宽有要求，即可通过调节L和θ实现色散可以从正到负、从小到大变化，从而将光脉冲的脉宽降到最小。
下面说明本发明第三实施例的基于反射式空间光调制器的透射式光栅色散补偿滤光器的实现过程。
如图5所示，第一透射光栅31和第二透射光栅32的衍射平面相互平行，初始光束经过第一透射光栅和第二透射光栅后形成带状空间分布的光束，θ为初始光在第一透射光栅31的入射角，L为第一透射光栅31和第二透射光栅32平行面的距离。调节L，可以实现对分辨率的调节。选取适当的L，通过调节初始光在第一透射光栅31的入射角θ，即可实现色散从正到负、从小到大变化，从而将光脉冲的脉宽降到最小。
控制器34通过控制反射式空间光调制元件33在光入射区域的反射率分布，例如通过控制反射式空间光调制元件33的电场分布来控制反射率分布。例如，将光束入射区域大于500nm的区域的反射率调整成0，即可实现500nm短通滤光；同样的，将小于500nm的区域的反射率调整成0，即可实现500nm长通滤光；将480nm-500nm两侧区域的反射率调整成0，即可实现480nm-500nm带通滤光；将480nm-500nm区域的反射率调整成0，即可实现480nm-500nm带阻滤光。
在上述实施例中，虽然第一实施例是棱镜对与挡光板调制器的组合，第二、三实施例是光栅对和空间光调制器的组合，但是，本领域技术人员也可以实现棱镜对和空间光调制器的组合，或者光栅对和挡光板调制器的组合，能够达到同样的技术效果。
另外，需要说明的是，本发明的滤光器初次安装完成后需要进行滤光的校准工作，即根据是否需要色散补偿、需要的分辨率、选通元件位置进行校正。具体校正方式如下。
首先，要固定初始入射光的位置，保证每次都从一个位置进入滤光器；之后，根据所需分辨率确定第一色散元件1和第二色散元件2之间的距离L，也就是说，在实现最适分辨率的同时需要保证可以通过改变色散元件的***量或者改变入射角对光束色散补偿；对滤光元件的位置进行校正，例如，当滤光元件为挡光板时，需要校正各选通模式下挡光板调制器(包括挡光板、平移台和旋转台)的位置，当滤光元件为空间光调制元件时，需要校正光入射区域各个微区域的波长与位置。最后，将这些位置信息存储到控制器，即可实现对选通波长的控制。
以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，本发明保护范围应以权利要求书所界定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种多选通模式高光束质量的滤光器，其特种在于，包括：
第一色散元件，用于发散初始光束为发散光束，以及用于还原选通光束；
第二色散元件，用于将所述发散光束会聚成平行光束和将选通光束会聚；
滤光元件，用于对来自所述第二色散元件的所述平行光束，选通所需波长的光束获得所述选通光束，并将所述选通光束反射至所述第二色散元件；所述滤光元件为挡光板调制器，所述挡光板调制器包括：
第一挡光板和第二挡光板，用于选通所需波长的光；
第一平移台，用于固定第一挡光板，以移动第一挡光板的位置；
第一旋转台，用于固定第二挡光板，以旋转第二挡光板的角度；以及
第二平移台，用于固定第一平移台和第一旋转台，以移动所述第一挡光板和所述第二挡光板的位置；
控制器，用于控制所述滤光元件选通所需波长的光束；以及
光束出入口，用于控制所述初始光束入射至所述第一色散元件、以及用于控制所述第一色散元件还原的所述选通光束出射至所述滤光器外部。
2.根据权利要求1所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述第一色散元件与所述第二色散元件构成色散元件对，所述色散元件对为等腰棱镜对，或者光栅对。
3.根据权利要求2所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述等腰棱镜对的底角大小为适合选通波长的布鲁斯特角。
4.根据权利要求2所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述等腰棱镜对的表面镀有适合选通波长的增透膜。
5.根据权利要求2所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述光栅对包括反射式光栅对和透射式光栅对，所述光栅对的衍射平面相互平行。
6.根据权利要求1所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述挡光板调制器通过手动控制或通过控制器进行电动控制。
7.根据权利要求1所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述选通所需波长的光束的选通模式包括长通、短通、带通和带阻四种选通模式。
8.根据权利要求1所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述光束出入口为可切换出入口，包括空间光光阑式出入口和光纤光耦合接口式出入口；所述空间光光阑式出入口为空间光入射光阑、出射光阑；所述光纤光耦合接口式出入口为光纤光入射耦合接口、出射耦合接口，所述空间光光阑式出入口和光纤光耦合接口式出入口之间可以根据需要进行切换。
9.根据权利要求2所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述等腰棱镜对包括第一等腰棱镜和第二等腰棱镜，通过设定第一等腰棱镜适当的***量d1，选取第一等腰棱镜和第二等腰棱镜的相邻平行面之间的适当距离L，调节第二等腰棱镜的***量d2，可实现二阶色散补偿的调控。
10.根据权利要求2所述的多选通模式高光束质量的滤光器，其特征在于，所述光栅对包括第一光栅和第二光栅，通过选取第一光栅和第二光栅的平行面之间的适当距离L，调节初始光在第一光栅的入射角θ，可实现二阶色散补偿的调控。
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