專利名稱：一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光學(xué)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具是一種利用多光束干涉原理制作的濾波器件，主要有兩種類型一種是空氣間隔的，一種是光學(xué)玻璃間隔的。通過兩個通光面上多層介質(zhì)膜的高反射率所形成法布里-珀羅腔的多光束干涉效應(yīng)，可以實現(xiàn)在寬頻譜范圍內(nèi)的多波長窄帶濾波輸出，而且具有性能穩(wěn)定、通光孔徑大、光功率破壞閾值高、結(jié)構(gòu)簡單和成本低等特性，因此，被廣泛應(yīng)用于各類激光器、光學(xué)測量儀器和光纖通訊器件中。利用傳統(tǒng)的光學(xué)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可以實現(xiàn)透射光頻率的調(diào)諧功能。對于空氣間隔的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，可通過改變光的入射角度進(jìn)行調(diào)諧，但是這種方法的調(diào)諧范 圍很??；也可以采用用機(jī)械方法(如步進(jìn)馬達(dá))改變法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的腔長進(jìn)行調(diào)諧，這種方法可以實現(xiàn)大的調(diào)諧范圍，但調(diào)諧精度低，而且對機(jī)械部件的精度要求高，穩(wěn)定性不好。另外，采用PZT壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)技術(shù)通過改變法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的腔長，可以提高調(diào)諧精度和速度，但是不易做到小型化，且驅(qū)動電路也較復(fù)雜；改變標(biāo)準(zhǔn)具的溫度也可以實現(xiàn)較大范圍的調(diào)諧，但是，該方法的缺點是速度慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)定性強(qiáng)、調(diào)諧精度高、速度快且體積小的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器。本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，包括第一反射鏡、液晶材料、第二反射鏡和驅(qū)動電路，所述第一反射鏡的通光面外側(cè)設(shè)置高反射率多層介質(zhì)膜，第一反射鏡的通光面內(nèi)側(cè)第一層設(shè)置光學(xué)增透膜，在該光學(xué)增透膜上設(shè)置透明電極；所述第二反射鏡的外側(cè)設(shè)置高反射率多層介質(zhì)膜，第二反射鏡的內(nèi)側(cè)第一層設(shè)置光學(xué)增透膜，在該光學(xué)增透膜上設(shè)置透明電極，在該透明電極上設(shè)置厚度為幾微米到十幾微米的非導(dǎo)電材料薄膜，覆蓋除通光孔徑以外的部分以及一個一毫米左右寬通往反射鏡邊緣的通道，并與第一個反射鏡內(nèi)側(cè)構(gòu)成一個厚度為幾微米到十幾微米的空腔，液晶材料放置在該空腔內(nèi)；所述的驅(qū)動電路連接到兩個透明電極上，第一反射鏡的通光面外側(cè)和第二反射鏡的通光面外側(cè)保持平行并且構(gòu)成法布里-珀羅多光束干涉腔。而且，所述的液晶材料采用的是向列相型液晶。而且，所述的第一反射鏡和第二反射鏡均為光學(xué)透明材料并且具有相同的光折射率。而且，所述的驅(qū)動電路是一種頻率為幾百赫茲到幾千赫茲的方波脈沖電路，脈沖電壓幅度可從O伏到5伏可調(diào)。一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，包括第一反射鏡、第一光學(xué)透明玻璃片、液晶材料、第二光學(xué)透明玻璃片和第二反射鏡；所述第一反射鏡的通光面外側(cè)設(shè)置高反射率多層介質(zhì)膜，第一反射鏡的通光面內(nèi)側(cè)為光學(xué)拋光面；第一光學(xué)透明玻璃片設(shè)置在第一反射鏡內(nèi)側(cè)，第一光學(xué)透明玻璃片的通光面外側(cè)為光學(xué)拋光面，第一光學(xué)透明玻璃片的通光面內(nèi)側(cè)第一層設(shè)置光學(xué)增透膜，在該光學(xué)增透膜上設(shè)置透明電極；所述第二反射鏡的通光面外側(cè)設(shè)置高反射率多層介質(zhì)膜，第二反射鏡的通光面內(nèi)側(cè)為光學(xué)拋光面；第二光學(xué)透明玻璃片設(shè)置在第二反射鏡內(nèi)側(cè)，第二光學(xué)透明玻璃片的通光面外側(cè)為光學(xué)拋光面，第二光學(xué)透明玻璃片的內(nèi)側(cè)第一層設(shè)置光學(xué)增透膜，在該光學(xué)增透膜上設(shè)置透明電極，在該透明電極上設(shè)置厚度為幾微米到十幾微米的非導(dǎo)電材料薄膜，覆蓋除通光孔徑以外的部分并與第一個光學(xué)玻璃片內(nèi)側(cè)構(gòu)成一個厚度為幾微米到十幾微米的空腔，液晶材料放置在該空腔內(nèi)；驅(qū)動電路連接到第一光學(xué)透明玻璃片和第二光學(xué)透明玻璃片的透明電極上，第一反射鏡的通光面外側(cè)和第二反射鏡的通光面外側(cè)保持平行并且構(gòu)成法布里-珀羅多光束干涉腔。而且，所述的液晶材料采用的是向列相型液晶。而且，所述第一反射鏡的內(nèi)側(cè)與第一光學(xué)透明玻璃片的外側(cè)用光學(xué)透明折射率匹配膠粘接在一起；所述第二反射鏡的內(nèi)側(cè)與第二光學(xué)透明玻璃片的外側(cè)用光學(xué)透明折射率 匹配膠粘接在一起。而且，所述的第一反射鏡、第二反射鏡、第一光學(xué)透明玻璃片和第二光學(xué)透明玻璃片均為光學(xué)透明材料且具有相同的光折射率。而且，所述光學(xué)透明折射率匹配膠的折射率與光學(xué)透明材料折射率相同。而且，所述的驅(qū)動電路是一種頻率為幾百赫茲到幾千赫茲的方波脈沖電路，脈沖電壓幅度可從O伏到5伏可調(diào)。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是本發(fā)明設(shè)計合理，將液晶放置在法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的腔內(nèi)并利用液晶的電控雙折射效應(yīng)和對入射的某一特定偏振方向的線偏振光產(chǎn)生光學(xué)相位調(diào)制，實現(xiàn)對透過法布里-珀羅濾波器的線偏振光頻率的連續(xù)、快速和精密調(diào)諧，以及在寬頻譜范圍內(nèi)的光頻率的快速精密調(diào)諧。由于液晶材料的厚度非常薄，因此可以制作尺寸小、自由光譜范圍大的寬帶可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器。本濾波器具有無機(jī)械移動部件、性能穩(wěn)定可靠、成本低、尺寸小、易于安裝及生產(chǎn)等特點，可滿足對于要求尺寸小和極端工作環(huán)境下的可靠運(yùn)行，可廣泛用于在激光器、光學(xué)測試、光纖通訊、生物、醫(yī)療器械和光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中。


圖I是一個普通法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的示意圖；圖2是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；；圖3是光透過液晶材料的相位隨外加電場的變化曲線；圖4是本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是普通法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射光譜示意圖；圖6是本發(fā)明的透射光譜示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進(jìn)一步詳述。
圖I給出了一種普通的法布里-拍羅(Fabry-Perot)光標(biāo)準(zhǔn)具100的示意圖。該法布里-珀羅光標(biāo)準(zhǔn)具100的材料一般在近紅外和可見光波段采用象融石英或BK7這樣的光學(xué)玻璃，假設(shè)材料的折射率為n，兩個通光面2和4都鍍高反射膜，其反射率為R，厚度為h，光以接近零度的入射角入射，則光標(biāo)準(zhǔn)具100的自由光譜范圍FSR1可以表示為Λ λ = λ2/(2nh),或用頻率表示Δ V =c/(2nh),其中c是光速。透射光的峰值頻率可以表示為V =mc/ (2nh),其中m是干涉級次,透射光的頻率寬帶可以表示為Δ v (FffHM) =c (I-R)/(2nhR1/2)，其中c是光速。從上述兩個公式可以看出，光標(biāo)準(zhǔn)具100的自由光譜范圍FSR1與厚度為h成反比。假設(shè)材料的折射率為n=l. 5，要實現(xiàn)FSR1=IOOGHz,厚度h I毫米。自由光譜范圍FSR1越大，其厚度就越小。在標(biāo)準(zhǔn)具的材料和厚度確定后，透射光的頻率寬帶主要和反射率R有關(guān)，反射率越高，頻率寬帶或銳度(finesse)越小。法布里-拍羅(Fabry-Perot)光標(biāo)準(zhǔn)具的透射光譜的特點是每個透射譜的帶寬非常窄，透射光譜的頻率間隔相等并且光頻帶寬度非常寬，一般可覆蓋100納米的光頻譜帶，如圖5所示。由于一般用作光電器件的液晶材料具有高的電阻率，因此，可以被認(rèn)為是理想的電介質(zhì)材料。由于構(gòu)成分子的有序取向和拉伸延長的形態(tài)，液晶具有各向異性的電介質(zhì)特性和單軸對稱性，就象一個單軸晶體一樣，其光軸的方向與分子的排列取向一致。當(dāng)液晶分子在外界電場的作用下，會形成電偶極子。在電偶極子所形成的力矩作用下，使得液晶分子的取向轉(zhuǎn)向電場的方向，可以通過改變電場的強(qiáng)弱，改變液晶的光軸的方向。因此，可以利用液晶的這一特性制作光相位調(diào)制器，可調(diào)諧濾波器或其他光電器件，如光開關(guān)和光強(qiáng)調(diào)制器等。一般用作光電器件的液晶膜層的厚度為幾微米到十幾微米。本發(fā)明正式利用液晶在電場作用下對線偏振光的折射率產(chǎn)生改變這一特性設(shè)計而成。如圖2所示，一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器200包括第一反射鏡10、液晶材料18、第二反射鏡20和驅(qū)動電路14，第一反射鏡10和第二反射鏡20均為光學(xué)透明材料且在通光面外側(cè)表面8和22上鍍有高反射率多層介質(zhì)膜，在兩個高反射率多層介質(zhì)膜之間形成法布里-珀羅(Fabry-Perot)腔；在第一反射鏡10的通光面內(nèi)側(cè)從外到內(nèi)依次設(shè)有光學(xué)增透膜12和透明電極膜層16 ;在第二反射鏡20的通光面內(nèi)側(cè)從外到內(nèi)依次設(shè)有光學(xué)增透膜24、透明電極26和非導(dǎo)電材料薄膜19，光學(xué)增透膜12和光學(xué)增透膜24分別鍍在第一反射鏡10的通光面內(nèi)表面和在第二反射鏡20的通光面內(nèi)表面。非導(dǎo)電材料薄膜19的厚度為 幾微米到十幾微米，覆蓋除通光孔徑外的其他部分以及一個一毫米左右寬通往反射鏡邊緣的通道，目的是為注入在腔內(nèi)多余的液晶提供一個出口通道。該非導(dǎo)電材料薄膜與所述第一個透明光學(xué)材料的內(nèi)側(cè)構(gòu)成一個厚度為幾微米道十幾微米的空腔用于設(shè)置液晶材料18，該液晶材料18采用的是向列相型液晶，該液晶材料的厚度約為幾微米到十幾微米。由于液晶的厚度很小(幾微米到十幾微米)，因此，可以制作本征自由光譜范圍(即在無外加電場時的可調(diào)諧濾波器的自由光譜范圍)的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器。兩個透明電極與驅(qū)動電路14相連接，由驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號在兩透明電極膜層之間形成驅(qū)動電場；利用電場改變Fabry-Perot腔內(nèi)液晶的有效折射率n，來調(diào)節(jié)法布里-珀羅濾波器的透射光的光頻率V和自由光譜范圍(FSR)。通常的驅(qū)動電場是電壓為幾伏，頻率為幾赫茲到幾千赫茲的方波信號。在圖2中，入射到濾波器200的光束6是一束沿z方向傳播，偏振軸為x方向的線偏振光，假設(shè)光透明材料的折射率為Π，兩個通光面8和22都鍍高反射膜，假設(shè)反射率為R，厚度為D，則濾波器200的自由光譜范圍FSR2和透射光頻率分別為Λ λ = λ 2/ (2nD+ Γ )，或用頻率表示Λ v=c/(2nD+r),其中c是光速，Γ代表由液晶在外加電場作用下由折射改變對入射光所產(chǎn)生的光程。透射光的峰值頻率可以表示為v=mc/(2nD+r)，其中m是干涉級次，透射光的頻率寬帶可以表示為Λ V (FWHM) =c (I-R)/((2nD+r)R"2)，其中c是光速。圖3給出了一個厚度為10微米的向列相型液晶在IKHz方波電壓的驅(qū)動下，對光波長為1550納米光波相位變化的關(guān)系示意圖。最大可實現(xiàn)約6 π的光相位延遲。根據(jù)上述公式，可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器200對于接近零度入射的線偏振光可以得到約IOOGHz的透射光頻率的調(diào)諧范圍。相比較而言，根據(jù)上面的公式，對自由光譜范圍△ V和透射光的頻帶寬帶的改變要小的多?？烧{(diào)諧法布里-珀羅濾波器的透射光譜示意圖如圖6所示。由此可見，可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器200在外加電場的作用下，可以實現(xiàn)較大范 圍的透射光峰值頻率的調(diào)諧而基本不改變透射光的頻率寬帶和自由光譜范圍。這個特性對于將可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器200許多應(yīng)用中，如激光器和頻譜儀器等具有重要意義。由于可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器200在制作時，要求兩片光學(xué)透明材料的通光面外表面8和22的表面嚴(yán)格平行，這對于調(diào)諧法布里-珀羅濾波器200的組裝上帶來一定的困難。為此，我們設(shè)計了另外一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300，如圖4所示。可調(diào)諧法布里-拍羅濾波器300包括第一反射鏡32、第一光學(xué)玻璃片36、液晶材料41、第二光學(xué)玻璃片50、第二反射鏡46和驅(qū)動電路56。濾波器300和濾波器200的不同之處在于，濾波器300中，首先把液晶材料41放置于兩個光學(xué)透明玻璃片36和50之間，上述兩個光學(xué)透明玻璃片36和50的通光面內(nèi)側(cè)分別鍍有光學(xué)增透層38和52，透明電極40和54，并在光學(xué)透明玻璃片50上設(shè)置一層非導(dǎo)電材料的薄膜層41與第一個光學(xué)透明玻璃片36的內(nèi)側(cè)構(gòu)成一個厚度為幾微米道十幾微米的空腔用于放置液晶材料。上述兩個光學(xué)透明玻璃片36和50的另一通光面不鍍膜，光學(xué)透明玻璃片36和50和液晶材料42構(gòu)成一個液晶盒。在組裝上述液晶盒時，不需要將光學(xué)透明玻璃片36和50的面保持嚴(yán)格平行，這樣，在組裝時比較容易操作。第一反射鏡32的通光面30鍍有高反射率膜，另一通光面沒有鍍膜。首先將第一反射鏡32與光學(xué)透明玻璃片36用折射率匹配膠34粘合在一起。第二反射鏡46的通光面44鍍有高反射率膜，另一通光面沒有鍍膜。然后將第二反射鏡46用折射率匹配膠48與光學(xué)透明玻璃片50粘合在一起，在這個過程中，才需要將兩個光學(xué)透明玻璃片32和46的兩個鍍高反射膜的面30和44調(diào)整嚴(yán)格平行，以實現(xiàn)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的多光束干涉的效應(yīng)。通常情況下，由于采用的相同的光學(xué)透明材料，折射率匹配膠48和折射率匹配膠34也是相同的。該技術(shù)方案在組裝上比第一種設(shè)計方案更加方便。需要強(qiáng)調(diào)的是，上述說明僅起演示和描述的作用，并不是一個詳細(xì)無遺漏的說明，也沒有意圖將本發(fā)明限制在所描述的具體形式上。經(jīng)過上面的描述，對本發(fā)明的許多改動和變化都可能出現(xiàn)。所選擇的具體實施僅僅是為了更好的解釋本發(fā)明的原理和實際中的應(yīng)用。這個說明能夠使熟悉此領(lǐng)域的人可以更好的利用本發(fā)明，根據(jù)實際需要設(shè)計不同的具體實施和進(jìn)行相應(yīng)的改動。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于包括第一反射鏡、液晶材料、第二反射鏡和驅(qū)動電路，所述第一反射鏡的通光面外側(cè)設(shè)置高反射率多層介質(zhì)膜，第一反射鏡的通光面內(nèi)側(cè)第一層設(shè)置光學(xué)增透膜，在該光學(xué)增透膜上設(shè)置透明電極；所述第二反射鏡的外側(cè)設(shè)置高反射率多層介質(zhì)膜，第二反射鏡的內(nèi)側(cè)第一層設(shè)置光學(xué)增透膜，在該光學(xué)增透膜上設(shè)置透明電極，在該透明電極上設(shè)置厚度為幾微米到十幾微米的非導(dǎo)電材料薄膜，覆蓋除通光孔徑以外的部分以及一個一毫米左右寬通往反射鏡邊緣的通道并與第一個反射鏡內(nèi)側(cè)構(gòu)成一個厚度為幾微米到十幾微米的空腔，液晶材料放置在該空腔內(nèi)；所述的驅(qū)動電路連接到兩個透明電極上，第一反射鏡的通光面外側(cè)和第二反射鏡的通光面外側(cè)保持平行并且構(gòu)成法布里-珀羅多光束干涉腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于所述的液晶材料采用的是向列相型液晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于所述的第一反射鏡和第二反射鏡均為光學(xué)透明材料并且具有相同的光折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項所述的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于所述的驅(qū)動電路是一種頻率為幾百赫茲到幾千赫茲的方波脈沖電路，脈沖電壓幅度可從O伏到5伏可調(diào)。
5.—種可調(diào)諧法布里-拍羅濾波器,其特征在于包括第一反射鏡、第一光學(xué)透明玻璃片、液晶材料、第二光學(xué)透明玻璃片和第二反射鏡；所述第一反射鏡的通光面外側(cè)設(shè)置高反射率多層介質(zhì)膜，第一反射鏡的通光面內(nèi)側(cè)為光學(xué)拋光面；第一光學(xué)透明玻璃片設(shè)置在第一反射鏡內(nèi)側(cè)，第一光學(xué)透明玻璃片的通光面外側(cè)為光學(xué)拋光面，第一光學(xué)透明玻璃片的通光面內(nèi)側(cè)第一層設(shè)置光學(xué)增透膜，在該光學(xué)增透膜上設(shè)置透明電極；所述第二反射鏡的通光面外側(cè)設(shè)置高反射率多層介質(zhì)膜，第二反射鏡的通光面內(nèi)側(cè)為光學(xué)拋光面；第二光學(xué)透明玻璃片設(shè)置在第二反射鏡內(nèi)側(cè)，第二光學(xué)透明玻璃片的通光面外側(cè)為光學(xué)拋光面，第二光學(xué)透明玻璃片的內(nèi)側(cè)第一層設(shè)置光學(xué)增透膜，在該光學(xué)增透膜上設(shè)置透明電極，在該透明電極上設(shè)置厚度為幾微米到十幾微米的非導(dǎo)電材料薄膜，覆蓋除通光孔徑以外的部分并與第一個光學(xué)玻璃片內(nèi)側(cè)構(gòu)成一個厚度為幾微米到十幾微米的空腔，液晶材料放置在該空腔內(nèi)；驅(qū)動電路連接到第一光學(xué)透明玻璃片和第二光學(xué)透明玻璃片的透明電極上，第一反射鏡的通光面外側(cè)和第二反射鏡的通光面外側(cè)保持平行并且構(gòu)成法布里-珀羅多光束干涉腔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于所述的液晶材料采用的是向列相型液晶。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于所述第一反射鏡的內(nèi)側(cè)與第一光學(xué)透明玻璃片的外側(cè)用光學(xué)透明折射率匹配膠粘接在一起；所述第二反射鏡的內(nèi)側(cè)與第二光學(xué)透明玻璃片的外側(cè)用光學(xué)透明折射率匹配膠粘接在一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于所述的第一反射鏡、第二反射鏡、第一光學(xué)透明玻璃片和第二光學(xué)透明玻璃片均為光學(xué)透明材料且具有相同的光折射率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于所述光學(xué)透明折射率匹配膠的折射率與光學(xué)透明材料折射率相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9任一項所述的一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于所述的驅(qū)動電路是一種頻率為幾百赫茲到幾千赫茲的方波脈沖電路，脈沖電壓幅度可從O伏到5伏可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其主要技術(shù)特點是包括第一反射鏡、液晶材料、第二反射鏡和驅(qū)動電路，液晶材料設(shè)置在由第一反射鏡和第二反射鏡構(gòu)成的法布里-珀羅多腔內(nèi)，驅(qū)動電路通過控制法布里-珀羅多腔內(nèi)液晶材料的有效折射率實現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。本發(fā)明設(shè)計合理，將液晶放置在法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的腔內(nèi)實現(xiàn)對透過法布里-珀羅濾波器的線偏振光頻率的連續(xù)、快速和精密調(diào)諧功能，具有無機(jī)械移動部件、性能穩(wěn)定可靠、成本低、尺寸小、易于安裝及生產(chǎn)等特點，可滿足對于要求尺寸小和極端工作環(huán)境下的可靠運(yùn)行，可廣泛用于在激光器、光學(xué)測試、光纖通訊、生物、醫(yī)療器械和光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中。
文檔編號G02F1/133GK102955279SQ201210200229
公開日2013年3月6日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者高培良 申請人:天津奇譜光電技術(shù)有限公司