CN102798998A - 一种单模连续可调谐光学滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单模连续可调谐光学滤波器，其主要技术特点是：包括前后相对设置的两个透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器，当第一透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围与第二透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器的本征自由光谱范围相差一定间隔时，利用两个透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器的透射频率可调谐特点，在一定的光谱范围内实现可调谐单模输出。本发明设计合理，具有无机械移动部件、性能稳定可靠、结构简单、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，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其他领域中有着广泛的应用。
Description
技术领域
本发明属于光电领域，尤其是一种单模连续可调谐光学滤波器。
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：一种是空气间隔的，另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，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-珀罗标准具也可以实现透射光频率的调谐。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，但这种方法的调谐范围很小，或用机械方法（如步进马达）改变法布里-珀罗标准具的腔长来实现，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。随着PZT压电陶瓷（锆钛酸铅）技术的发展，可以实现高精度的位移。采用这种技术来改变法布里-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，且驱动源也较复杂。虽然通过改变标准具的温度也可以实现较大范围的调谐，但是，这种方法的缺点是速度慢。
单一法布里-珀罗标准具或单一法布里-珀罗滤波器的输出是一种间隔周期为其自由光谱范围的多频率或多模输出，例如，自由光谱范围为100GHz，则在1000GHz范围内，就可以有间隔为100GHz的10个窄带多模输出。只有当频率范围小于自由光谱范围时，才能实现单一频率输出。如果要增大自由光谱范围，就要减小法布里-珀罗标准具的厚度，例如，对1500纳米的光波，若采用普通的融石英玻璃，100GHz和1000GHz的自由光谱范围对应的厚度分别约为1毫米和0.1毫米，因此，即使要做到1000GHz的自由光谱范围，实际上是十分困难的，更不用说更大的自由光谱范围。综上所述，在实际应用中，要在一个光谱为几十纳米宽的范围内，采用单一法布里-珀罗滤波器去实现单模调谐输出几乎是不可能的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种单模连续可调谐光学滤波器，其通过两个可调谐法布里-珀罗滤波器的透射频率可调谐的特点实现在一定光谱范围内的单模可调谐输出功能。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种单模连续可调谐光学滤波器，由前后相对设置的两个透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器构成，两个透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器具有相同的光谱响应范围且仅对具有特定偏振方向的线偏振光有效。
而且，所述的透射频率可调谐法布里-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，所述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，所述的透射频率可调谐法布里-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光学增透膜，第一反射镜的通光面内侧第一层设置高反射率多层介质膜，在该高反射率多层介质膜上设置透明电极；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，所述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内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，所述的透射频率可调谐法布里-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光学增透膜，第一反射镜的通光面内侧第一层设置高反射率多层介质膜，在该高反射率多层介质膜上设置透明电极；所述第二反射镜的外侧设置光学增透膜，第二反射镜的内侧第一层设置高反射率多层介质膜，在该高反射率多层介质膜上设置透明电极，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和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，所述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内侧和第二反射镜的通光面内侧保持平行并且构成法布里-珀罗多光束干涉腔。
而且，所述的透射频率可调谐法布里-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和一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道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，所述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，所述的透射频率可调谐法布里-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光学增透膜，第一反射镜的通光面内侧设置高反射率多层介质膜；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或设置光学增透膜，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和一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道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内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，所述的透射频率可调谐法布里-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光学增透膜，第一反射镜的通光面内侧设置高反射率多层介质膜；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或设置光学增透膜，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光学增透膜，第二反射镜的通光面内侧第一层设置高反射率多层介质膜；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或设置光学增透膜，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和一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道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，所述液晶材料放置在该空腔内；所述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内侧和第二反射镜的通光面内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，该液晶层的厚度为几微米到十几微米。
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1千赫兹到10千赫兹的方波脉冲电路，脉冲电压幅度从0伏到5伏可调。
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或采用工业上常用的通光光路上无胶的组装方法：即在通光光路以外的连接处用胶粘接；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或采用工业上常用的通光光路上无胶的组装方法：即在通光光路以外的连接处用胶粘接；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或基本相同的光折射率；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基本相同。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，其将两个透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器有效地结合在一起，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的频率的连续，快速和精密调谐。由于液晶层的厚度非常薄，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，同时，可以实现在宽频谱范围内的光频率的快速精密调谐。本发明具有无机械移动部件、性能稳定可靠、结构简单、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，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其他领域中有着广泛的应用。
附图说明
图1是普通法布里-珀罗标准具的示意图；
图2是普通法布里-珀罗标准具的输出光谱示意图；
图3是一种包括向列相型液晶材料层的可调谐法布里-珀罗滤波器的结构示意图；
图4是光透过液晶材料的相位随外加电场的变化曲线示意图；
图5是另一种包括向列相型液晶材料层的可调谐法布里-珀罗滤波器的结构示意图；
图6是本发明的结构示意图；
图7是图3所示可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光谱示意图；
图8是图5所示可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光谱示意图；
图9是本发明的本征透射光谱示意图；
图10是本发明的连续单模可调谐透射光谱示意图。
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是一种普通的法布里-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，假设反射率为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FSR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：Δν1/2（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FSR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。要求FSR越大，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）标准具的透射光谱的特点是每个透射谱的带宽可以做到非常窄，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纳米以上的光频谱带。图2给出了法布里-珀罗光标准具100输出光谱的示意图。
图3给出了一种利用向列相型液晶在电场作用下对线偏振光的折射率产生改变而设计的可调谐法布里-珀罗滤波器。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的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。
如图3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。可调谐法布里-珀罗滤波器200有三种不同的结构，第一种结构为：分别在第一反射镜10和第二反射镜20的通光面外侧表面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的通光面内侧从内到外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的通光面内侧从内到外依次设有光学增透膜24、透明电极26和非导电材料薄膜19。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19与所述第一反射镜10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1千赫兹到几千赫兹的方波信号。
在如图3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FSR1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（也称锐度系数）可以表示为：Δν1/2（FWHM）=c(1-R)/((2nD+Γ)R1/2)，其中c是光速。
图4给出了一个厚度为10微米的向列相型液晶在2KHz方波电压的驱动下，对光波长为1550纳米的光波相位变化的关系。最大可实现约2π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Δν1/2的改变要小的多。图7是可调谐法布里-珀罗滤波器200的透射光谱示意图。
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。
可调谐法布里-珀罗滤波器200的第二种结构：在第一反射镜10通光面外侧表面8镀光学增透膜；在第一反射镜10的通光面内侧从内到外依次设有高反射率多层介质膜12和透明电极膜层16，其他结构与可调谐法布里-珀罗滤波器200的第一种结构相同。可调谐法布里-珀罗滤波器200的第二种结构的特点是能够实现比第一种结构更大的自由光谱范围。
可调谐法布里-珀罗滤波器200的第三种结构：在第二反射镜20的通光面外侧镀光学增透膜；在第二反射镜20的通光面内侧从内到外依次设有高反射率多层介质膜24、透明电极26和非导电材料薄膜19。其他结构与可调谐法布里--珀罗滤波器200的第二种结构相同。可调谐法布里-珀罗滤波器200的第三种结构的特点是能够实现比第二种结构更大的自由光谱范围。
由于可调谐法布里-珀罗滤波器200在制作时，要求两个反射镜镀高反射率多层介质膜的通光面的表面严格平行，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5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或镀光学增透膜，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的通光面保持严格平行，这样，在组装时比较容易操作。
可调谐法布里-珀罗滤波器300也有三种不同的结构，第一种结构为：
第一反射镜32的外侧通光面30镀有高反射率膜，内侧通光面是没有镀膜的抛光面。首先将第一反射镜32的内侧与上述液晶盒上的光学透明玻璃片36的外侧用折射率匹配胶34粘合在一起。第二反射镜46的外侧通光面44镀有高反射率膜，内侧通光面是没有镀膜的抛光面。然后将第二反射镜46的内侧通光面用折射率匹配胶48与上述液晶盒上的光学透明玻璃片50的外侧粘合在一起，在这个过程中，才需要将两个反射镜32和46的两个镀高反射率膜的面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32,36,50和46采用的光学透明材料具有相同或接近相同的光学折射率，折射率匹配胶48和折射率匹配胶34也是相同或接近相同的。由于采用了四块光学透明材料，因此滤波器300这种结构的缺点是它的厚度比滤波器200要大。根据前面的计算，对1550纳米的光和普通的光学玻璃材料（折射率约为1.5），当自由光谱范围为100GHz，厚度H大约为1毫米，如果需要更大的自由光谱范围，比较难以实现。
可调谐法布里-珀罗滤波器300的第二种结构为：第一反射镜32的外侧通光面30镀光学增透膜，内侧通光面镀高反射率膜。上述液晶盒上的光学透明玻璃片36的外侧可以镀光学增透膜，也可以不镀膜的抛光面。第一反射镜32的内侧与上述液晶盒上的光学透明玻璃片36外侧用折射率匹配胶34粘合在一起，也可以采用工业上常用的光路上无胶的组装方法，即只将两个光学零件通光光路以外的地方用胶粘接起来。其他结构与滤波器300的第一种结构相同。由于法布里-珀罗腔是由第一反射镜32的内侧通光面和第二反射镜46的外侧通光面上的高反射率膜构成，因此，这种结构的特点是能够实现比滤波器300的第一种结构更加大的自由光谱范围。
可调谐法布里-珀罗滤波器300的第三种结构：这种结构与滤波器300的第二种结构的不同之处在于：第二反射镜46的外侧通光面44镀光学增透膜，内侧通光面镀高反射率膜。上述液晶盒上的光学透明玻璃片50的外侧通光面可以镀光学增透膜膜，也可以是不镀膜的抛光面。第二反射46的内侧与上述液晶盒上的光学透明玻璃片50的外侧用折射率匹配胶粘合在一起，也可以采用工业上常用的光路上无胶的组装方法，即只将两个光学零件通光光路以外的地方用胶粘接起来。其他结构与滤波器300的第二种结构相同。由于法布里-珀罗腔是由第一反射镜32的内侧通光面和第二反射镜46的内侧通光面上的高反射率膜构成，因此，这种结构的特点是能够实现比滤波器300的第二种结构更大的自由光谱范围。
下面结合图6对本发明进行说明。
一种单模连续可调谐光学滤波器600由两个可调谐法布里-珀罗滤波器400和500组成，根据实际需要，可调谐法布里-珀罗滤波器400可采用可调谐法布里-珀罗滤波器200或可调谐法布里-珀罗滤波器300的结构，可调谐法布里-珀罗滤波器500也可采用可调谐法布里-珀罗滤波器200或可调谐法布里-珀罗滤波器300的结构。可调谐法布里-珀罗滤波器400的本征自由光谱范围为FSR1，可调谐法布里-珀罗滤波器500的本征自由光谱范围为FSR2，FSR2比FSR1小Δf，图7和图8分别显示了可调谐法布里-珀罗滤波器400和可调谐法布里珀罗滤波器500的透射光谱的示意图。如果Δf=0.25FSR1，则在ν1到ν4的光谱范围，透过可调谐法布里-珀罗滤波器400有4个模，而透过可调谐法布里-珀罗滤波器500有5个模。因此，透过可调谐滤波器600的只有ν1和ν4两个模，或者说，可调谐滤波器600的本征自由光谱范围FSR3为4倍的FSR2或3倍的FSR1，如图9所示。从图9中可以看出，通过调节Δf的值，可以大大增加可调谐滤波器600的本征自由光谱范围FSR3（即在没有外加电场作用下的滤波器的自由光谱范围）。
在实际应用时，可根据需要调节FSR2和FSR1的差，可以调节FSR3，但其最小差距应等于或大于二倍的Δν1/2，以保证可调谐滤波器600的单模输出特性。
下面对本发明的调谐过程进行说明：参考图7和图8，当可调谐滤波器400和可调谐滤波器500进行同步调谐从ν1到ν2时，可调谐滤波器600在ν1到ν4的范围内，只存在一个透射模。要实现从ν2到ν3的调谐，首先要将可调谐滤波器500的ν2a模调谐到与可调谐滤波器400的ν2模重合，这个调谐范围是Δf。再对可调谐滤波器400和可调谐滤波器500进行通步调谐到ν3。根据前面的分析，在可调谐滤波器400和可调谐滤波器500的调谐过程中，其自由光谱范围的变化相对于透射频率的变化可以忽略不计。因此，调谐过程中，在ν1到ν4的范围内仍然只存在一个透射模。同样地，可以说明从ν3到ν4的调谐过程。但在调谐ν3a的过程中，由于ν2a会经过ν2，因此，会透过可调谐滤波器600，消除这种现象的一个方法是在调谐过程中，在滤波器600的输出端增加一个快速光开关。当从一个模调谐到另一个模的过程中，将光开关关闭，等到ν3a和ν3重合后，再打开光开关。由于可调谐滤波器400和可调谐滤波器500的连续可调谐特性，可调谐滤波器600在一定的光谱范围内，可以实现连续和单模的调谐输出，如图10所示，调谐的分辨率可达1皮米(10-12米）。值得注意的是，当入射光从可调谐法布里-珀罗滤波器500的通光面进入到所述可调谐光学滤波器600时,也可以实现同样的单模和连续频率可调谐的输出，但在不同的应用中，其输出频谱宽度可能会不同。
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 (11)
1.一种单模连续可调谐光学滤波器，其特征在于：由前后相对设置的两个透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器构成，两个透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器具有相同的光谱响应范围且仅对具有特定偏振方向的线偏振光有效。
2.根据权利要求1所述的一种单模连续可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的透射频率可调谐法布里-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，所述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。
3.根据权利要求1所述的一种单模连续可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的透射频率可调谐法布里-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光学增透膜，第一反射镜的通光面内侧第一层设置高反射率多层介质膜，在该高反射率多层介质膜上设置透明电极；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，所述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内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。
4.根据权利要求1所述的一种单模连续可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的透射频率可调谐法布里-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光学增透膜，第一反射镜的通光面内侧第一层设置高反射率多层介质膜，在该高反射率多层介质膜上设置透明电极；所述第二反射镜的外侧设置光学增透膜，第二反射镜的内侧第一层设置高反射率多层介质膜，在该高反射率多层介质膜上设置透明电极，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和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，所述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内侧和第二反射镜的通光面内侧保持平行并且构成法布里-珀罗多光束干涉腔。
5.根据权利要求1所述的一种单模连续可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的透射频率可调谐法布里-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和一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道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，所述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1所述的一种单模连续可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的透射频率可调谐法布里-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光学增透膜，第一反射镜的通光面内侧设置高反射率多层介质膜；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或设置光学增透膜，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和一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道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内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。
7.根据权利要求1所述的一种单模连续可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的透射频率可调谐法布里-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光学增透膜，第一反射镜的通光面内侧设置高反射率多层介质膜；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或设置光学增透膜，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光学增透膜，第二反射镜的通光面内侧第一层设置高反射率多层介质膜；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或设置光学增透膜，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和一个一毫米左右宽通往反射镜边缘的通道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，所述液晶材料放置在该空腔内；所述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内侧和第二反射镜的通光面内侧保持平行并且构成法布里-珀罗多光束干涉腔。
8.根据权利要求2至7任一项所述的所述的透射频率可调谐法布里-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，该液晶层的厚度为几微米到十几微米。
9.根据权利要求2至7任一项所述的透射频率可调谐法布里-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。
10.根据权利要求2至7任一项所述的透射频率可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的驱动电路是一种频率为1千赫兹到10千赫兹的方波脉冲电路，脉冲电压幅度从0伏到5伏可调。
11.根据权利要求5或6或7所述的透射频率可调谐法布里-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或采用工业上常用的通光光路上无胶的组装方法：即在通光光路以外的连接处用胶粘接；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或采用工业上常用的通光光路上无胶的组装方法：即在通光光路以外的连接处用胶粘接；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或基本相同的光折射率；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基本相同。
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