CN102722024A - 一种光可调谐滤波装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光可调谐滤波装置，包括沿着光路依次设置的用于分光的三棱镜和光选择器，所述光选择器的通光区域的位置和大小可调，所述光选择器用于从经过三棱镜投射到光选择器的光谱中选择出所需要波长的光。本发明能够实现连续的大范围波长可调谐滤波，稳定性好，易于操作，占用时间少；能够对较大口径的白光进行可调谐滤波，极大地拓展了可调谐滤波的应用范围。

Description

一种光可调谐滤波装置和方法

技术领域

本发明涉及光电子及激光技术领域，具体地说，本发明涉及一种光可调谐滤波装置和方法。

背景技术

在激光技术中，有时需要对入射光源进行选择，透射出单一波长的光，因此出现了一种针对光的可调谐滤波技术，它提供了一种可靠、稳定与快速的对光的波长进行调谐的方法。目前，常用的光可调谐滤波装置是声光可调谐滤波器（即Acousto-optic Tunable Filter，简称为AOTF）。声光可调谐滤波器能够在一定波段范围内实现可调谐滤波，然而，其工作波段的范围一般较窄，不同型号的声光可调谐滤波器分别对应于不同的工作波段（例如工作波段为400nm~700nm或者1200nm~1400nm等），因此目前的声光可调谐滤波器难以实现连续的大范围波长（例如白光激光器发出的激光的波段是400nm~2400nm）可调谐滤波。当所需要的调谐范围超出，某型声光可调谐滤波器的工作波段时，就需要更换其它型号的声光可调谐滤波器，更换声光可调谐滤波器时，会带来光路的稳定性及其他问题，常常需要重新对光路进行调试，导致整个过程占用时间较长。另一方面，声光可调谐滤波器的口径通常较小，一般只能对光纤中的白光进行调谐，这导致它的应用范围受到了极大地限制。

因此，当前迫切需要一种能够实现连续的大范围波长可调谐滤波、口径较大的光可调谐滤波装置和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现连续的大范围波长可调谐滤波、口径较大的可调谐滤波装置和方法。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种光可调谐滤波装置，包括沿着光路依次设置的用于分光的三棱镜和光选择器，所述光选择器的通光区域的位置和大小可调，所述光选择器用于从经过三棱镜投射到光选择器的光谱中选择出所需要波长的光。

其中，所述光选择器是液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器中写入黑白图像，所述黑白图像中白色区域对应于所述所需要波长的光在所述液晶空间光调制器上所投射的区域，所述黑白图像中其余部分均为黑色区域。

其中，所述三棱镜和所述液晶空间光调制器之间设置起偏器。

其中，所述起偏器和所述液晶空间光调制器之间设置左旋45°转子，所述液晶空间光调制器之后设置右旋45°转子。

其中，所述起偏器和所述液晶空间光调制器之间设置使光左旋45°的二分之一波片，所述液晶空间光调制器之后设置使光右旋45°的二分之一波片。

其中，入射的线偏光与所述二分之一波片的光轴夹角为22.5°。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于上述光可调谐滤波装置的光可调谐滤波方法，包括下列步骤：

1）确定所需要波长的光在所述光选择器上所投射的区域的位置；

2）将光选择器的通光区域设置为步骤1）所确定的所述所需要波长的光在所述光选择器上所投射的区域；

3）使入射光通过所述三棱镜和所述光选择器，得到所述所需要波长的光。

其中，所述光选择器是液晶空间光调制器，所述步骤2）包括下列子步骤：

21）生成黑白图像，所述黑白图像中白色区域对应于所述所需要波长的光在所述液晶空间光调制器上所投射的区域，所述黑白图像的其余部分均为黑色区域；

22）将所述黑白图像写入液晶空间光调制器中。

其中，所述步骤1）中：根据入射的白光的口径a取其边缘处的光线a1、a2，基于所需要的波长，分别计算光线a1、a2在经过三棱镜的折射后在所述光选择器上所投射的位置h1、h2，根据h1、h2得出所需要波长的光在光选择器所投射的区域的边缘H1、H2。

其中，所述步骤1）中，计算光线在经过三棱镜的折射后在所述光选择器上所投射的位置的方法如下：根据所需要的波长，得到相应的光折射率n，进而根据已知的入射光的角度、三棱镜的各个内角的角度，计算出相应的出射光的角度，最后得出该出射光在所述光选择器上所投射的位置h。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明能够实现连续的大范围波长可调谐滤波，稳定性好，易于操作，占用时间少。

2、本发明能够对较大口径的白光进行可调谐滤波，极大地拓展了可调谐滤波的应用范围。

3、本发明机构简单成本低。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例的光可调谐滤波装置的光路图；

图2示出了三棱镜折射原理图；

图3示出了口径为a的入射光经过三棱镜后的分光示意图；

图4示出了本发明一个实施例中对口径为a的入射光进行第一波长调谐滤波的示意图；

图5示出了本发明一个实施例中对口径为a的入射光进行第二波长调谐滤波的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。

图1示出了根据本发明的一个实施例的光可调谐滤波装置的光路，依次包括三棱镜1、起偏器2、左旋45°转子3、液晶空间光调制器4和右旋45°转子5。其中，三棱镜1用于对入射光束进行分光。由于不同颜色的光在介质（如玻璃）中的折射率不同，所以折射角不同，因此，白光经过三棱镜折射后会分解成红橙黄绿青蓝紫等光，实质上就是将不同波长的光从空间上彼此分开。起偏器2可采用偏振分光棱镜（即 Polarization CubeBeamsplitter，缩写为PBS）或偏振片，用于使光的偏振态为垂直（图1中以0°表示）。左旋45°转子3旋转光的偏振态至45°，这样光的偏振态与液晶分子长轴成45°，使液晶空间光调制器的振幅调制达到最大。液晶空间光调制器4用于滤除不需要的波段的光。具体地，可在液晶空间光调制器4中导入黑白图像，其中投射到黑白图像白色区域的光可通过液晶空间光调制器4，而投射到黑白图像黑色区域的光则被屏蔽，由于前级的三棱镜1的分光作用，不同波长的光已在空间上彼此分开，因此，根据所需的波长调整黑白图像的黑白区域，就能够控制不同波长的光通过液晶空间光调制器，从而达到可调谐滤波的效果。光经过液晶空间光调制器后，偏振态被旋转90°，再经过右旋45°转子5后，出射的光偏振态为水平（图1中以90°表示）。另外，根据本发明的另一实施例，上述左旋45°转子和右旋45°转子也可以用两个二分之一波片代替，入射的线偏光与二分之一波片的光轴夹角为22.5°,同样能够起到使光的偏振态旋转45°的效果。

如前文所述，基于上述实施例的光可调谐滤波装置对光波长进行调谐，需要首先得出波长与液晶空间光调制器4中通光区域（即黑白图像的白色区域）的对应关系。在一个实施例中，所述对应关系可按下述原理计算得出。

图2示出了三棱镜的折射示意图。如图2所示，在四边形ABCD中，由于BC、DC是法线∠ABC、∠ADC都是直角。四边形的四个内角和是360°，因此∠BAD+∠BCD=180°，∠BAD是棱镜的顶角，是已知角，

∠BCD=180°-∠BAD。同时又有∠DBC+∠BDC+∠BCD=180°，

∠BDC=∠BAD-∠DBC

∠DBC就是图2中θ，

∠BDC=∠BAD-∠θ（1）。

由菲涅尔折射定律，

sinα=nsinθ，  （2）

n为光在棱镜中的折射率，α是光线的入射角也是已知的，由上式可以求出θ。

由（1）式也可算出∠BDC。

nsin∠BDC=sinδ （3）

δ=∠WDN

由（3）可算出δ。

$\mathrm{tg}\left(\mathrm{\μ}\right)=\frac{h}{\mathrm{DP}}$ 有

h=tg(μ)×DP    （4）

其中∠AMQ是棱镜的底角，角度已知，∠AMQ=∠PDM，∠WDM=90°，

∠NDM=90°-δ

μ=∠PDM-∠NDM=∠AMQ-90+δ  （5）

将（5）代入（4）即可求得h。

在已知需要调谐至的特定波长时，根据该特定波长可得到相应的光折射率n，进而计算出相应的h值，根据h值即可确定该特定波长的光在液晶空间光调制器上所投射的区域，在导入黑白图像时，使该黑白图像的白色区域对应于该特定波长的光所投射的区域，黑白图像的其余部分则为黑色区域。这样就能够控制所述特定波长的光的通过液晶空间光调制器，而其它波长的光则被滤除，从而达到可调谐滤波的效果。

图3示出了口径为a的白光入射三棱镜后的分光示意图。可以看出，不同波长的光入射，棱镜对不同的光折射率不同，使得各波长的光被分开。本领域技术人员易于理解，理论上只要液晶空间光调制器离棱镜的距离足够远，就能够在液晶空间光调制器的位置处把所有波长的光分开。如果要让图3中实线所代表的第一波长的光通过，将液晶空间光调制器上与第一波长对应的区域的像素点写入灰度均设置为白色，其它区域的像素点写入灰度均设置为黑色，就能够达到只让第一波长的光透过的效果，如图4所示。如果要让图3中虚线所代表的第二波长的光通过，那么将液晶空间光调制器上与第二波长对应的区域的像素点写入灰度均设置为白色，其它区域的像素点写入灰度均设置为黑色，就能够达到只让第二波长的光透过的效果，如图5所示。在实际应用中，确定液晶空间光调制器与三棱镜的位置后，可根据入射的白光的口径a取其边缘处的光线a1、a2，如图4、5所示，基于需要调谐至的特定波长，对光线a1、a2分别根据前述公式（1）~（5）计算h值，记为h1、h2，这样根据h1、h2即可得出上述口径为a入射的特定波长的光在液晶空间光调制器所投射的区域的边缘H1、H2，在导入黑白图像时，使白色区域对应于所述特定波长的光在液晶空间光调制器所投射的区域（即H1、H2之间的区域），而（黑白图像的）其余部分则为黑色区域，就能够达到口径为a的光的可调谐滤波的效果。

上述实施例中，液晶空间光调制器是作为一种光选择器来使所需区域的光通过，同时屏蔽其余区域的光。实际上，液晶空间光调制器也可以采用其它类型的光选择器，用于从经过三棱镜投射到光选择器的光谱中选择出所需要波长的光。例如，光选择器也可以采用机械方式（如马达）控制位置和大小的快门。在采用其它类型的光选择器时，同样可以先确定所需调谐至的特定波长的光在所述光选择器上所投射的区域的位置，然后调整光选择器的通光区域的位置和大小，使得通光区域与所述特定波长的光在所述光选择器上所投射的区域重合。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光可调谐滤波装置，包括沿着光路依次设置的用于分光的三棱镜和光选择器，所述光选择器的通光区域的位置和大小可调，所述光选择器用于从经过三棱镜投射到光选择器的光谱中选择出所需要波长的光。

2.根据权利要求1所述的光可调谐滤波装置，其特征在于，所述光选择器是液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器中写入黑白图像，所述黑白图像中白色区域对应于所述所需要波长的光在所述液晶空间光调制器上所投射的区域，所述黑白图像中其余部分均为黑色区域。

3.根据权利要求1所述的光可调谐滤波装置，其特征在于，所述三棱镜和所述液晶空间光调制器之间设置起偏器。

4.根据权利要求3所述的光可调谐滤波装置，其特征在于，所述起偏器和所述液晶空间光调制器之间设置左旋45°转子，所述液晶空间光调制器之后设置右旋45°转子。

5.根据权利要求3所述的光可调谐滤波装置，其特征在于，所述起偏器和所述液晶空间光调制器之间设置使光左旋45°的二分之一波片，所述液晶空间光调制器之后设置使光右旋45°的二分之一波片。

6.根据权利要求5所述的光可调谐滤波装置，其特征在于，入射的线偏光与所述二分之一波片的光轴夹角为22.5°。

7.一种基于权利要求1所述的光可调谐滤波装置的光可调谐滤波方法，包括下列步骤：

1）确定所需要波长的光在所述光选择器上所投射的区域的位置；

2）将光选择器的通光区域设置为步骤1）所确定的所述所需要波长的光在所述光选择器上所投射的区域；

3）使入射光通过所述三棱镜和所述光选择器，得到所述所需要波长的光。

8.根据权利要求7所述的光可调谐滤波方法，其特征在于，所述光选择器是液晶空间光调制器，所述步骤2）包括下列子步骤：

21）生成黑白图像，所述黑白图像中白色区域对应于所述所需要波长的光在所述液晶空间光调制器上所投射的区域，所述黑白图像的其余部分均为黑色区域；

22）将所述黑白图像写入液晶空间光调制器中。

9.根据权利要求7所述的光可调谐滤波装置，其特征在于，所述步骤1）中：根据入射的白光的口径a取其边缘处的光线a1、a2，基于所需要的波长，分别计算光线a1、a2在经过三棱镜的折射后在所述光选择器上所投射的位置h1、h2，根据h1、h2得出所需要波长的光在光选择器所投射的区域的边缘H1、H2。

10.根据权利要求9所述的光可调谐滤波装置，其特征在于，所述步骤1）中，计算光线在经过三棱镜的折射后在所述光选择器上所投射的位置的方法如下：根据所需要的波长，得到相应的光折射率n，进而根据已知的入射光的角度、三棱镜的各个内角的角度，计算出相应的出射光的角度，最后得出该出射光在所述光选择器上所投射的位置h。

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