CN102829870A - 一种光学频谱分析设备 - Google Patents

一种光学频谱分析设备 Download PDF

Info

Publication number
CN102829870A
CN102829870A CN2012103260815A CN201210326081A CN102829870A CN 102829870 A CN102829870 A CN 102829870A CN 2012103260815 A CN2012103260815 A CN 2012103260815A CN 201210326081 A CN201210326081 A CN 201210326081A CN 102829870 A CN102829870 A CN 102829870A
Authority
CN
China
Prior art keywords
liquid crystal
optically transparent
transparent material
tunable
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2012103260815A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102829870B (zh
Inventor
高培良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Optoelectronic Technology Co Ltd Tianjin Odd Spectrum
Original Assignee
Optoelectronic Technology Co Ltd Tianjin Odd Spectrum
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Optoelectronic Technology Co Ltd Tianjin Odd Spectrum filed Critical Optoelectronic Technology Co Ltd Tianjin Odd Spectrum
Priority to CN201210326081.5A priority Critical patent/CN102829870B/zh
Publication of CN102829870A publication Critical patent/CN102829870A/zh
Priority to PCT/CN2013/076168 priority patent/WO2014036843A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102829870B publication Critical patent/CN102829870B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0224—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using polarising or depolarising elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/1256—Generating the spectrum; Monochromators using acousto-optic tunable filter
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/32—Investigating bands of a spectrum in sequence by a single detector
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/213—Fabry-Perot type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/33—Acousto-optical deflection devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/58—Arrangements comprising a monitoring photodetector

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及一种光学频谱分析设备，其技术特点是：包括一个可调谐法布里-珀罗滤波器、一个可调谐声光滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器以及系统控制和数据分析系统；入射光首先通过可调谐法布里-珀罗滤波器滤波，其输出光束通过可调谐声光滤波器滤波，其输出的两束偏振态相互垂直并具有一定分离夹角的线偏振光束分别由第一光电探测器和第二光电探测器接收；所述的系统控制和数据分析系统用于实现光学频谱分析设备对入射光的功率和光谱的检测功能。本具有无机械移动部件、性能稳定可靠、尺寸小、易于安装及生产等特点，满足了小尺寸和极端环境下的需求，可广泛用于激光器、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

一种光学频谱分析设备
技术领域
本发明属于光电技术领域，尤其是一种光学频谱分析设备。
背景技术
由于传统的光栅能够在大的光谱范围内具有很高光谱分辨率，因此，传统的光学频谱测量和分析设备一般采用反射型或透射型光栅。其缺点的，一般需要用精密步进马达带动光栅进行扫描。因此，常用的光栅光谱分析设备尺寸比较大，容易受机械震动的影响，且价格昂贵。
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。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。同时，单一法布里-珀罗标准具的滤波输出特性是一个光频率间隔为自由光谱范围的多模输出。。
声光可调谐滤波器（AOTF）是一种固态的、可电子调谐的带通光谱滤波器，这类滤波器大多数使用各向异性的声光互作用。晶体生长技术与高频压电式换能器技术的进步大大的改进了声光原件，使得AOTF技术上已成熟，从实验室走进了工业的应用。AOTF的实施通常采用各向异性的双折射声光（AO）介质，并有高速调谐能力、得到证明的长期稳定性以及低成本等优点。
声光滤波器的运行原理基于一种叫做布拉格衍射的现象，即衍射光的方向取决于声波的波长。与传统的技术相比，AOTF提供了连续、快速的调节能力，但要实现窄的滤波光谱带宽，一般要求声光晶体的尺寸比较大。声光滤波器有两种类型：共线型与非共线型，其中具有高射频频率的非共线型非近轴滤波器可以达到窄带光频率调谐，但几乎不可能做到象法布里-珀罗标准具一样的窄带滤波功能。因此，仅仅采用声光滤波器的可调谐激光器很难实现窄带输出。
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、精度高、速度快以及频谱响应范围宽的光学频谱分析设备。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种光学频谱分析设备，包括一个可调谐法布里-珀罗滤波器、一个可调谐声光滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器以及系统控制和数据分析系统；入射光首先通过可调谐法布里-珀罗滤波器滤波，其输出光束通过可调谐声光滤波器滤波，其输出的两束偏振态相互垂直并具有一定分离夹角的线偏振光束分别由第一光电探测器和第二光电探测器接收；所述的系统控制和数据分析系统分别与可调谐法布里-珀罗滤波器、可调谐声光滤波器、第一光电探测器和第二光电探测器相连接以实现光学频谱分析设备对入射光的功率和光谱的检测功能。
而且，所述的可调谐法布里-珀罗滤波器包括前后依次安装起来的第一液晶盒、第二液晶盒和可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路，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，所述可调谐法布里-珀罗滤波器的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，该可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路与系统控制和数据分析系统相连接。
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，该透明电极与可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路相连接。
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，该透明电极与可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路相连接。
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，该透明电极与可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路相连接。
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，该透明电极与可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路相连接。
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，所述的可调谐法布里-珀罗滤波器的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。
而且，所述可调谐法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围大于所述可调谐声光滤波器的滤波带宽的半宽度。
而且，所述可调谐声光滤波器是一种窄带、非同轴双折射型声光滤波器，其一级衍射将入射光分为两个偏振态相互垂直并形成一定的夹角的线偏振光。
而且，所述可调谐声光滤波器由可调谐声光滤波器的驱动电路驱动，该可调谐声光滤波器的驱动电路与系统控制和数据分析系统相连接；所述可调谐声光滤波器的驱动电路是一种频率从几兆赫兹到几百兆赫兹的频率和功率可调射频信号发生器。
而且，所述第一光电探测器、第二光电探测器分别由第一光电探测器的驱动电路和第二光电探测器的驱动电路驱动，第一光电探测器的驱动电路和第二光电探测器的驱动电路分别与系统控制和数据分析系统相连接。
发明的优点和积极效果是：
1、本发明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、快速和精密调谐且与入射光的偏振态无关。由于液晶材料的厚度非常薄，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。由可调谐法布里-珀罗滤波器输出的多模光波再通过可调谐声光滤波器的滤波，实现在大的光谱范围内的高精度、快速和稳定性好的频谱分析等特点。
2、本发明设计合理，具有无机械移动部件、性能稳定可靠、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是一种可调谐布里-珀罗滤波器的结构示意图；
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是可调谐布里-珀罗滤波器的透射光谱示意图；
图8是一种可调谐声光滤波器的示意图；
图9是本发明的结构示意图；
图10是可调谐声光滤波器的输出光谱示意图；
图11是可调谐法布里-珀罗滤波器和可调谐声光滤波器的合成输出光谱示意图；
图12是本发明的输出光谱示意图。
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：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：Δν（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。
本发明中所涉及的光学频谱分析设备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。一般可用环氧树脂或紫外光胶等把上述构成液晶腔的两片材料的液晶腔以外的部分粘接起来，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。液晶盒300的第二种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。
图4给出了一种与偏振无关的可调谐布里-珀罗滤波器的结构示意图。该可调谐法布里-珀罗滤波400，包括第一个液晶盒200、第二个液晶盒300和可调谐法布里-珀罗滤波的驱动电路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。
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，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：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，透射光的频率宽带可以表示为：Δν（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Δν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。
图8给出了一种可调谐声光滤波器的示意图。该声光滤波器500一般采用的介质是各向异性并有双折射特性。其中一种物质二氧化碲（TeO2），由于其运行在剪切模式时具有高光学均匀性、低光吸收度和耐高光功率能力等特点，广泛使用于这类应用中。其他物质例如铌酸锂（LiNbO3）、磷化镓（GaP）和钼酸铅（PbMoO4）也经常用于各种声光器件中。影响选择特定物质的因素有很多，下面仅列出几种，如：声光器件的类型、高质量晶体是否容易获得以及应用的类型和需求，例如衍射效率功率损耗、入射光与衍射光的分散度和整体器件的大小等。
可调谐声光滤波器500是一种具有双折射特性，非共线和非近轴型声光滤波器。包括采用二氧化碲的声光晶体57和换能器58，由可调谐声光滤波器的驱动电路60直接驱动换能器58在晶体57中产生声波场59而形成衍射光栅。一束准直光束56进入晶体57并与声波场59成布拉格角θB，被衍射可调谐声光滤波器后，一级衍射光分成两束线偏振光，S光62和P光64，和零级衍射光束66.两束线偏振光62和64与零级衍射光束形成的夹角等于布拉格角θB。声光晶体57的切割使得入射面55和出射面61与入射光成垂直或接近垂直的角度。为了减少光的损耗，入射面55和出射面61都镀光学增透膜。可调谐声光滤波器500的滤波光谱的特点是可在一个宽频带的范围内实现光频率的连续可调谐，如图10所示。滤波光谱的带宽Δν、半宽度（FWHM）Δν1/2、分辨率和衍射效率等频谱取决于声光晶体的尺寸、换能器的结构和射频驱动功率等因素的影响。如要实现窄带滤波光谱和高的衍射滤波效率，需要加大换能器和声光晶体的尺寸。
图9给出了本发明的结构示意图，下面结合图9对本发明的技术方案进行说明。
一种光学频谱分析设备包括一个可调谐法布里-珀罗滤波器400、一个可调谐声光滤波器500、第一光电探测器84、第二光电探测器86以及一个驱动控制和数据分析系统，该系统包括可调谐法布里-珀罗滤波器400的驱动电路52、可调谐声光滤波器500的驱动电路60、第一光电探测器84的驱动电路90、第二光电探测器86的驱动电路88和系统控制和数据分析系统和数据分析系统92。一束宽带准直光束76入射进入可调谐法布里-珀罗滤波器400，透射光78的光谱如图7所示，透射光的峰值频率的可调谐范围约为1.5倍的FSR2，在可调谐的范围内和约100纳米的光谱范围内，可调谐法布里-珀罗滤波器400的自由光谱范围基本保持不变。透射光78透过可调谐声光滤波器500后，一级衍射光分离成两束偏振态相互垂直的光束80和82，当可调谐声光滤波器500的透射带宽Δν小于2倍的可调谐法布里-珀罗滤波器400的本征自由光谱范围FSR2，透射光80和82均是一束单模光束，其光谱特性如图12所示与可调谐法布里-珀罗滤波器400的一个透射模的光谱特性相同。如果考虑可调谐法布里-珀罗滤波器400的透射光的频谱度Δν的时（参考图11），要实现单模输出或高的透射光边摸抑制比，调谐声光滤波器500的透射带宽Δν还需要更窄。需要提出的是，可调谐法布里-珀罗滤波器400和可调谐声光滤波器500的透射光的频谱宽度Δν的定义是根据实际应用中对光谱的噪声或边摸抑制比的需要确定的。透射光80和82分别被光电探测器84和86接收并分别通过驱动电路90和88反馈到系统控制和数据分析系统和数据分系统92，可以获得入射光76的光谱信息。由于本发明是利用可调谐法布里-珀罗滤波器400的滤波功能以及可调谐声光滤波器500的衍射滤波功能，对不同光频率的光束有不同的响应特性，因此，要获得精确的所要检测光的光谱数据，需要对系统进行校准。系统控制和数据分析系统和数据分析系统92包括一个以数字信号处理器以及嵌入式软件为核心的控制电路和数据分析软件用于控制可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路52、可调谐声光滤波器的驱动电路60、驱动第一光电探测器和接收第一光电探测器的光功率信号的驱动电路90、驱动第二光电探测器和接收第二光电探测器的光功率信号的驱动电路88以及接收外界控制信号和输出信号，以实现所述光学频谱分析设备对入射光的功率和光谱的检测功能。
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 (13)

1.一种光学频谱分析设备，其特征在于：包括一个可调谐法布里-珀罗滤波器、一个可调谐声光滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器以及系统控制和数据分析系统；入射光首先通过可调谐法布里-珀罗滤波器滤波，其输出光束通过可调谐声光滤波器滤波，其输出的两束偏振态相互垂直并具有一定分离夹角的线偏振光束分别由第一光电探测器和第二光电探测器接收；所述的系统控制和数据分析系统分别与可调谐法布里-珀罗滤波器、可调谐声光滤波器、第一光电探测器和第二光电探测器相连接以实现光学频谱分析设备对入射光的功率和光谱的检测功能。
2.根据权利要求1所述的一种光学频谱分析设备，其特征在于：所述的可调谐法布里-珀罗滤波器包括前后依次安装起来的第一液晶盒、第二液晶盒和可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路，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，所述可调谐法布里-珀罗滤波器的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，该可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路与系统控制和数据分析系统相连接。
3.根据权利要求2所述的一种光学频谱分析设备，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，该透明电极与可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路相连接。
4.根据权利要求2所述的一种光学频谱分析设备，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，该透明电极与可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路相连接。
5.根据权利要求2所述的一种光学频谱分析设备，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，该透明电极与可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路相连接。
6.根据权利要求2所述的一种光学频谱分析设备，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，该透明电极与可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动电路相连接。
7.根据权利要求2所述的一种光学频谱分析设备，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。
8.根据权利要求2所述的一种光学频谱分析设备，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。
9.根据权利要求2所述的一种光学频谱分析设备，其特征在于：所述的可调谐法布里-珀罗滤波器的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。
10.根据权利要求1所述的一种光学频谱分析设备，其特征在于：所述可调谐法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围大于所述可调谐声光滤波器的滤波带宽的半宽度。
11.根据权利要求1所述的一种光学频谱分析设备，其特征在于：所述可调谐声光滤波器是一种窄带、非同轴双折射型声光滤波器，其一级衍射将入射光分为两个偏振态相互垂直并形成一定的夹角的线偏振光。
12.根据权利要求1或11所述的一种光学频谱分析设备，其特征在于：所述可调谐声光滤波器由可调谐声光滤波器的驱动电路驱动，该可调谐声光滤波器的驱动电路与系统控制和数据分析系统相连接；所述可调谐声光滤波器的驱动电路是一种频率从几兆赫兹到几百兆赫兹的频率和功率可调射频信号发生器。
13.根据权利要求1所述的一种光学频谱分析设备，其特征在于：所述第一光电探测器、第二光电探测器分别由第一光电探测器的驱动电路和第二光电探测器的驱动电路驱动，第一光电探测器的驱动电路和第二光电探测器的驱动电路分别与系统控制和数据分析系统相连接。
CN201210326081.5A 2012-09-05 2012-09-05 一种光学频谱分析设备 Expired - Fee Related CN102829870B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210326081.5A CN102829870B (zh) 2012-09-05 2012-09-05 一种光学频谱分析设备
PCT/CN2013/076168 WO2014036843A1 (zh) 2012-09-05 2013-05-23 一种光学频谱分析设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210326081.5A CN102829870B (zh) 2012-09-05 2012-09-05 一种光学频谱分析设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102829870A true CN102829870A (zh) 2012-12-19
CN102829870B CN102829870B (zh) 2014-07-16

Family

ID=47333084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210326081.5A Expired - Fee Related CN102829870B (zh) 2012-09-05 2012-09-05 一种光学频谱分析设备

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN102829870B (zh)
WO (1) WO2014036843A1 (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014036845A1 (zh) * 2012-09-05 2014-03-13 天津奇谱光电技术有限公司 一种与入射光的偏振态无关的可调谐光滤波器
WO2014036844A1 (zh) * 2012-09-05 2014-03-13 天津奇谱光电技术有限公司 一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器
WO2014036843A1 (zh) * 2012-09-05 2014-03-13 天津奇谱光电技术有限公司 一种光学频谱分析设备
CN103913230A (zh) * 2014-04-18 2014-07-09 福建师范大学 一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置
CN105072440A (zh) * 2015-08-27 2015-11-18 中国电子科技集团公司第二十六研究所 声光频谱分析仪对瞬变信号参数的提取方法
CN109029729A (zh) * 2018-09-28 2018-12-18 福建师范大学 一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置及方法
CN111174909A (zh) * 2020-01-19 2020-05-19 深圳奥比中光科技有限公司 一种滤光片、成像装置及电子设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0564355A1 (fr) * 1992-04-02 1993-10-06 France Telecom Photorécepteur pour signaux optiques modulés en fréquence
WO2003055381A1 (en) * 2002-01-04 2003-07-10 Cme Telemetrix Inc. Sample identification, chemical composition analysis and testing of physical state of the sample using spectra obtained at different sample temperatures
JP2007057376A (ja) * 2005-08-24 2007-03-08 National Institute Of Advanced Industrial & Technology ファブリ・ペロー干渉計を用いた屈折率測定装置
CN102230889A (zh) * 2011-06-22 2011-11-02 天津大学 基于超连续谱光源的气体浓度测量系统及测量方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6624889B1 (en) * 2002-04-29 2003-09-23 Oplink Communications, Inc. Cascaded filter employing an AOTF and narrowband birefringent filters
JP2004045225A (ja) * 2002-07-11 2004-02-12 National Aerospace Laboratory Of Japan 音響光学フィルタを用いた分光偏光計測装置
AU2003271170A1 (en) * 2003-10-10 2005-04-27 Shoei Kataoka Wavelength variable filter and production method therefor
CN201497575U (zh) * 2009-07-20 2010-06-02 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种可编程偏振超光谱成像仪
CN102829870B (zh) * 2012-09-05 2014-07-16 天津奇谱光电技术有限公司 一种光学频谱分析设备

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0564355A1 (fr) * 1992-04-02 1993-10-06 France Telecom Photorécepteur pour signaux optiques modulés en fréquence
WO2003055381A1 (en) * 2002-01-04 2003-07-10 Cme Telemetrix Inc. Sample identification, chemical composition analysis and testing of physical state of the sample using spectra obtained at different sample temperatures
JP2007057376A (ja) * 2005-08-24 2007-03-08 National Institute Of Advanced Industrial & Technology ファブリ・ペロー干渉計を用いた屈折率測定装置
CN102230889A (zh) * 2011-06-22 2011-11-02 天津大学 基于超连续谱光源的气体浓度测量系统及测量方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014036845A1 (zh) * 2012-09-05 2014-03-13 天津奇谱光电技术有限公司 一种与入射光的偏振态无关的可调谐光滤波器
WO2014036844A1 (zh) * 2012-09-05 2014-03-13 天津奇谱光电技术有限公司 一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器
WO2014036843A1 (zh) * 2012-09-05 2014-03-13 天津奇谱光电技术有限公司 一种光学频谱分析设备
CN103913230A (zh) * 2014-04-18 2014-07-09 福建师范大学 一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置
CN105072440A (zh) * 2015-08-27 2015-11-18 中国电子科技集团公司第二十六研究所 声光频谱分析仪对瞬变信号参数的提取方法
CN109029729A (zh) * 2018-09-28 2018-12-18 福建师范大学 一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置及方法
CN109029729B (zh) * 2018-09-28 2023-12-01 福建师范大学 一种单射频源驱动的双声光滤波组件二次声光滤波装置及方法
CN111174909A (zh) * 2020-01-19 2020-05-19 深圳奥比中光科技有限公司 一种滤光片、成像装置及电子设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN102829870B (zh) 2014-07-16
WO2014036843A1 (zh) 2014-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102820611B (zh) 一种非偏振光输出的可调谐激光器
CN102829870B (zh) 一种光学频谱分析设备
CN103762487B (zh) 一种具有双输出光束的可调谐激光器
CN102709799B (zh) 一种宽带连续可调谐激光器
CN103776530B (zh) 一种使用可调谐法布里-珀罗滤波器的光谱分析设备
Savage Acousto-optic devices
CN102799013A (zh) 一种偏振无关的可调谐法布里-珀罗滤波器
CN101814694B (zh) 可调谐激光器
CN103730826A (zh) 一种可调谐激光器系统
CN101672988A (zh) 声光可调谐滤波器
CN102299472B (zh) 光频率精密可调谐激光器
CN102269910A (zh) 一种使用角度调谐滤光片的光纤光栅波长解调系统和方法
CN102798991B (zh) 一种与入射光的偏振态无关的可调谐光滤波器
CN103837178A (zh) 一种基于液晶f-p腔可调滤波技术的光纤光栅解调系统及方法
CN206248914U (zh) 电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器
US8948221B2 (en) External cavity wideband tunable laser with dual laser gain media coupled by a thin film filter including
CN102798987B (zh) 一种固定频率间隔和单模输出的可调谐光学滤波器
CN103776791A (zh) 一氧化碳气体传感设备
CN103776792A (zh) 一种使用可调谐法布里-珀罗滤波器的气体传感设备
CN102798998A (zh) 一种单模连续可调谐光学滤波器
CN102955279A (zh) 一种可调谐法布里-珀罗滤波器
CN103777381A (zh) 一种使用液晶相位调制器的可调谐窄带光学滤波设备
CN103162834A (zh) 一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构
CN202183004U (zh) 一种使用角度调谐滤光片的光纤光栅波长解调系统
CN103776799A (zh) 硫化氢气体传感设备

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140716

Termination date: 20180905

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee