CN102799013A - 一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其主要技术特点是：包括两个液晶盒和驱动电路，两个液晶盒均包括依次安装一起的第一片光学透明材料、液晶材料和第二片光学透明材料，第一液晶盒的第二片光学透明材料与第二液晶盒的第一片光学透明材料安装在一起，两个液晶盒内的液晶材料的光轴相互垂直并设置在法布里-珀罗腔内，所述驱动电路与两个液晶盒相连接并通过控制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，其调谐特性与入射光的偏振态无关，并且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

一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器
技术领域
本发明属于光电领域，尤其是一种偏振无关的可调谐法布里-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。光学法布里-珀罗标准具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：
一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：包括两个液晶盒和驱动电路，两个液晶盒均包括依次安装一起的第一片光学透明材料、液晶材料和第二片光学透明材料，第一液晶盒的第二片光学透明材料与第二液晶盒的第一片光学透明材料安装在一起，在第一液晶盒的第一片光学透明材料上设置高反射率多层介质膜构成第一反射镜，在第二液晶盒的第二片光学透明材料上设置高反射率多层介质膜构成第二反射镜，两个液晶盒内的液晶材料的光轴相互垂直并设置在由第一反射镜和第二反射镜构成的法布里-珀罗腔内，所述驱动电路与两个液晶盒相连接并通过控制液晶材料的有效折射率实现滤波器的调谐功能。
而且，所述第一液晶盒的第一片光学透明材料上的高反射率多层介质膜设置在第一片光学透明材料的外侧，该第一光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜和透明电极，所述第一液晶盒的第二光学透明材料的外侧为光学抛光面，第二光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜、透明电极和非导电材料薄膜，该非导电材料薄膜覆盖除通光孔径以外的部分以及一个约1毫米宽连接到第二片光学透明材料薄片边缘的通道，用于为多余的液晶材料提供一个出口，并与第一片光学透明材料的内侧构成一个空腔用于设置液晶材料，该透明电极与驱动电路相连接。
而且，所述第一液晶盒的第一片光学透明材料上的高反射率多层介质膜设置在第一片光学透明材料的内侧，在高反射率多层介质膜的内侧设置有透明电极，在第一光学透明材料的外侧设置光学增透膜，所述第一液晶盒的第二光学透明材料的外侧为光学抛光面，第二光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜、透明电极和非导电材料薄膜，该非导电材料薄膜覆盖除通光孔径以外的部分以及一个约1毫米宽连接到第二片光学透明材料薄片边缘的通道，用于为多余的液晶材料提供一个出口，并与第一片光学透明材料的内侧构成一个空腔用于设置液晶材料，该透明电极与驱动电路相连接。
而且，所述第二液晶盒的第二片光学透明材料上的高反射率多层介质膜设置在第二片光学透明材料的外侧，该第二光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜和透明电极，所述第二液晶盒的第一片光学透明材料的外侧为光学抛光面，第一片光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜、透明电极和非导电材料薄膜，该非导电材料薄膜覆盖除通光孔径以外的部分以及一个约1毫米宽连接到该光学透明材料薄片边缘的通道，用于为多余的液晶材料提供一个出口，并与第二液晶盒的第二片光学透明材料的内侧构成一个空腔用于设置液晶材料，该透明电极与驱动电路相连接。
而且，所述第二液晶盒的第二片光学透明材料上的高反射率多层介质膜设置在第二片光学透明材料的内侧，在高反射率多层介质膜的内侧设置有透明电极，在第二光学透明材料的外侧设置光学增透膜，所述第二液晶盒的第一片光学透明材料的外侧为光学抛光面，第一片光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜、透明电极和非导电材料薄膜，该非导电材料薄膜覆盖除通光孔径以外的部分以及一个约1毫米宽连接到该光学透明材料薄片边缘的通道，用于为多余的液晶材料提供一个出口，并与第二液晶盒的第二片光学透明材料的内侧构成一个空腔用于设置液晶材料，该透明电极与驱动电路相连接。
而且，所述的第一液晶盒的第二片光学透明材料与第二液晶盒的第一片光学透明材料的安装方式为：使用光学透明折射率匹配胶粘接在一起，并使得第一反射镜和第二反射镜保持平行以形成法布里-珀罗腔。
而且，所述的液晶材料采用的是向列相型液晶，该液晶材料的厚度为几微米至十几微米。
而且，所述的滤波器驱动电路是一种频率为从一千赫兹到几千赫兹的方波脉冲电路，脉冲电压幅度从0伏到5伏可调。
发明的优点和积极效果是：
1、本滤波器将两个光轴相互垂直的向列相型液晶材料放置在法布里-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光产生的光学相位调制，实现在宽频谱范围内对透过法布里-珀罗滤波器的光的频率进行连续、快速和精密调谐。
2、本滤波器使用的液晶材料的具有厚度非常薄的特点，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。
3、本发明设计合理，其调谐特性与入射光的偏振态无关，并且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是第一液晶盒的结构示意图；
图3是第二液晶盒的结构示意图；
图4是本发明的结构示意图；
图5是光透过液晶材料的相位随外加电场的变化曲线；
图6是普通法布里-珀罗标准具的透射光谱示意图；
图7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，则只有满足2nh=mλ,才能透过标准具，其中m是透射光的级次。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：Δv=c/(2nh),其中c是光速。透射光的峰值频率可以表示为：v=mc/(2nh),其中m是干涉级次，透射光的频率宽带可以表示为：Δv（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，透射光的频带宽度主要和反射率R有关，反射率越高，频带宽度或锐度（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可以做到非常窄，透射光谱的频率间隔相等并且光频率响应带宽非常宽，一般可覆盖大于100纳米的光频谱带，，光标准具100的输出光频谱如图6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。本发明正是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。
本发明包括两个光轴方向相互垂直的液晶盒。
如图2所示，第一个液晶盒200包括两种结构。第一种结构包括第一片光学透明材料8、液晶材料14和第二片光学透明材料22，第一片光学透明材料8外侧表面上设置高反射率多层介质膜6，内侧从内到外分别设置光学增透膜10和透明电极膜层12，第二片光学透明材料22外侧表面24是光学抛光面，内侧从内到外分别设置光学增透膜20，透明电极膜层18和非导电材料薄膜16，非导电材料薄膜16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和一个宽度约为1毫米的通到光学透明材料22边缘的通道，用于排除多余的液晶材料，该非导电材料薄膜16与第一片光学透明材料8构成一个空腔用于设置液晶材料14，液晶材料14采用的是向列相型液晶，该液晶材料的厚度约为几微米道十几微米。液晶盒200的第二种结构与第一种结构的不同之处在于所述第一片光学透明材料8外侧表面上设置光学增透膜6，内侧从内到外分别设置高反射率多层介质膜10和透明电极膜层12，其他设置与液晶盒200的第一种结构相同，其目的是改变法布里-珀罗腔的厚度。
如图3所示，第二个液晶盒300包括两种结构。第一种液晶盒300结构包括第一片光学透明材料28、液晶材料36、第二片光学透明材料42，第二片光学透明材料42外侧表面26设置高反射率多层介质膜44，内侧从内到外分别设置光学增透膜40，透明电极膜层32，第一片光学透明材料28外侧表面26是光学抛光面，内侧从内到外分别设置光学增透膜30，透明电极膜层32和非导电材料薄膜34，非导电材料薄膜34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和一个宽度约为1毫米的通到光学透明材料28边缘的通道，用于排除多余的液晶材料，非导电材料薄膜34与第二片光学透明材料42构成一个空腔用于设置液晶材料36，液晶材料36采用的是向列相型液晶，该液晶材料的厚度约为几微米道十几微米。第二种液晶盒300结构与第一种结构的不同之处在于第二片光学透明材料42外侧表面上设置光学增透膜44，内侧从内到外分别设置高反射率多层介质膜40和透明电极膜层38，其他设置与液晶盒300的第一种结构相同，其目的是改变法布里-珀罗腔的厚度。
下面结合图4对本发明进行说明。
一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波400，包括第一个液晶盒200、第二个液晶盒300和驱动电路52。液晶盒200的第二片光学透明材料的外侧和液晶盒300的第一片光学透明材料的外侧用光学透明折射率匹配胶50粘合在一起并使得液晶盒200的第一光学透明材料和液晶盒300的第二光学透明材料上设有高反射率介质膜的面保持并行而形成谐法布里-珀罗腔。驱动电路52与液晶盒200和液晶盒300的透明电极连接，由驱动电路52产生的驱动信号在两透明电极膜层之间形成驱动电场；利用电场改变法布里-珀罗（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v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。
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。由于第一液晶盒200和第二液晶盒300中液晶的光轴相互垂直，因此，本发明的滤波器400与入射光的偏振态无关。
在图4中，入射到滤波器400的光束48是一束准直光束，假设光透明材料的折射率为n，第一液晶盒200的第一片光学透明材料上和第二液晶盒300的第二片光学透明材料上镀高反射介质膜的反射率为R,法布里-珀罗腔的长度为D，则只有满足2nD+Γ=mλ的光才能透过标准具，其中m是透射光的级次。滤波器400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：Δv=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：v=mc/(2nD+Γ),其中m是干涉级次，透射光的频率宽带可以表示为：Δv（FWHM）=c(1-R)/((2nD+Γ)R1/2)，其中c是光速。利用第一个液晶盒200和第二个液晶盒300的两种不同的结构的组合可以增大或减少法布里-珀罗腔的长度D，从而调节滤波器400的自由光谱范围FSR2。
图5给出了一个厚度约为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纳米光波相位变化的关系示意图。最大可实现约2π的光相位延迟。通过实验和分析，可调谐法布里-珀罗滤波器400对于接近零度入射的准直光可以得到约1.5倍的FSR2的透射光频率的调谐范围，而对自由光谱范围Δv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54的光谱示意图如图7所示。
由此可见，可调谐法布里-珀罗滤波器400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带宽度和自由光谱范围。这个特性对于将可调谐法布里-珀罗滤波器400许多应用中，如激光器和频谱仪器等具有重要意义。
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 (8)

1.一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：包括两个液晶盒和驱动电路，两个液晶盒均包括依次安装一起的第一片光学透明材料、液晶材料和第二片光学透明材料，第一液晶盒的第二片光学透明材料与第二液晶盒的第一片光学透明材料安装在一起，在第一液晶盒的第一片光学透明材料上设置高反射率多层介质膜构成第一反射镜，在第二液晶盒的第二片光学透明材料上设置高反射率多层介质膜构成第二反射镜，两个液晶盒内的液晶材料的光轴相互垂直并设置在由第一反射镜和第二反射镜构成的法布里-珀罗腔内，所述驱动电路与两个液晶盒相连接并通过控制液晶材料的有效折射率实现滤波器的调谐功能。
2.根据权利要求1所述的一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述第一液晶盒的第一片光学透明材料上的高反射率多层介质膜设置在第一片光学透明材料的外侧，该第一光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜和透明电极，所述第一液晶盒的第二光学透明材料的外侧为光学抛光面，第二光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜、透明电极和非导电材料薄膜，该非导电材料薄膜覆盖除通光孔径以外的部分以及一个约1毫米宽连接到第二片光学透明材料薄片边缘的通道，用于为多余的液晶材料提供一个出口，并与第一片光学透明材料的内侧构成一个空腔用于设置液晶材料，该透明电极与驱动电路相连接。
3.根据权利要求1所述的一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述第一液晶盒的第一片光学透明材料上的高反射率多层介质膜设置在第一片光学透明材料的内侧，在高反射率多层介质膜的内侧设置有透明电极，在第一光学透明材料的外侧设置光学增透膜，所述第一液晶盒的第二光学透明材料的外侧为光学抛光面，第二光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜、透明电极和非导电材料薄膜，该非导电材料薄膜覆盖除通光孔径以外的部分以及一个约1毫米宽连接到第二片光学透明材料薄片边缘的通道，用于为多余的液晶材料提供一个出口，并与第一片光学透明材料的内侧构成一个空腔用于设置液晶材料，该透明电极与驱动电路相连接。
4.根据权利要求1所述的一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述第二液晶盒的第二片光学透明材料上的高反射率多层介质膜设置在第二片光学透明材料的外侧，该第二光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜和透明电极，所述第二液晶盒的第一片光学透明材料的外侧为光学抛光面，第一片光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜、透明电极和非导电材料薄膜，该非导电材料薄膜覆盖除通光孔径以外的部分以及一个约1毫米宽连接到该光学透明材料薄片边缘的通道，用于为多余的液晶材料提供一个出口，并与第二液晶盒的第二片光学透明材料的内侧构成一个空腔用于设置液晶材料，该透明电极与驱动电路相连接。
5.根据权利要求1所述的一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述第二液晶盒的第二片光学透明材料上的高反射率多层介质膜设置在第二片光学透明材料的内侧，在高反射率多层介质膜的内侧设置有透明电极，在第二光学透明材料的外侧设置光学增透膜，所述第二液晶盒的第一片光学透明材料的外侧为光学抛光面，第一片光学透明材料的内侧从内到外依次设有光学增透膜、透明电极和非导电材料薄膜，该非导电材料薄膜覆盖除通光孔径以外的部分以及一个约1毫米宽连接到该光学透明材料薄片边缘的通道，用于为多余的液晶材料提供一个出口，并与第二液晶盒的第二片光学透明材料的内侧构成一个空腔用于设置液晶材料，该透明电极与驱动电路相连接。
6.根据权利要求1所述的一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的第一液晶盒的第二片光学透明材料与第二液晶盒的第一片光学透明材料的安装方式为：使用光学透明折射率匹配胶粘接在一起，并使得第一反射镜和第二反射镜保持平行以形成法布里-珀罗腔。
7.根据权利要求1所述的一种偏振无关的可调谐法布里-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，该液晶材料的厚度为几微米至十几微米。
8.根据权利要求1所述的一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述的滤波器驱动电路是一种频率为从一千赫兹到几千赫兹的方波脉冲电路，脉冲电压幅度从0伏到5伏可调。
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