CN102854618A

CN102854618A - 带宽和波长可变可调的光学滤波器

Info

Publication number: CN102854618A
Application number: CN2012102133263A
Authority: CN
Inventors: 黄玉华; 张世超
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明涉及一种光学滤波器，特别是一种带宽和波长可变可调的光学滤波器。包括滤波片和调节装置，其特征在于：滤波片为胆固醇液晶片，由两片平行排列的胆固醇液晶片构成；调节装置为平行调节装置，两片胆固醇液晶片设装在各自的平行调节装置上。所述的平行调节装置是指能使胆固醇液晶片平行调节的调节装置。所以，具有结构简单、便于制作、成本低廉、波长和带宽的调谐范围大（带宽可以从27nm调节到80nm，中心波长则可以从480nm调节到618nm）、适用范围广、实用等优点。

Description

带宽和波长可变可调的光学滤波器

技术领域

本发明涉及一种光学滤波器，特别是一种带宽和波长可变可调的光学滤波器。

背景技术

可调光学滤波器是一种能够从宽带光源信号中筛选出一定波长范围信号的光学器件，是现代光学应用领域中的重要部件之一，在光通讯、光谱学、远程遥感、超光谱/精细光谱等领域都具有广泛的应用。国际上已经制作了多种光学滤波器，如法布里波罗滤波器、薄膜干涉滤波片、马赫曾德尔干涉仪滤波器、光栅滤波器、波导滤波器等。但是，目前的这些滤波器只能调谐带宽或者波长，而不能实现带宽和波长的同时调谐。随着光通讯技术和多光谱/精细光谱技术的发展，那种仅能调谐带宽或波长的滤波器已不能满足要求，越来越需要一种既可以调谐带宽也可以调谐波长的可调光学滤波器以满足未来的发展需要，因而近年来得到了广泛的关注。

Philip E.Buchshaum等人利用两个镀有厚度呈线性变化的干涉膜的光学基板开发出带宽和波长同时可调的光学滤波器，其中干涉膜的厚度从基板的一边到另一边呈楔形变化。当光的入射位置从楔形滤波板的一端移向另一端时，滤波板所滤除光波的中心波长便随之变化。该滤波器的波长可调性是通过线性地移动两片楔形基板来实现的；而带宽的改变则是通过在线性变化的基板间引入一个位移差来实现。其缺点是制作复杂、成本高。

2011年，丁运鸿小组提出并制作了基于马赫——曾德尔干涉仪结构的带宽和波长同时可调的光学滤波器。但是，该滤波器的波长和带宽的调谐范围非常窄，分别只有4nm和0.42nm，很难满足实用的需要。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种结构简单、便于制作、成本低廉、波长和带宽的调谐范围大且实用的带宽和波长可变可调的光学滤波器。

一种带宽和波长可变可调的光学滤波器，包括滤波片和调节装置，其特征在于：滤波片为胆固醇液晶片，由两片平行排列的胆固醇液晶片构成；调节装置为平行调节装置，两片胆固醇液晶片设装在各自的平行调节装置上。所述的平行调节装置是指能使两片胆固醇液晶片平行调节的调节装置。

本发明的目的是通过两片平行排列且能平行调节的胆固醇液晶片实现的。所以，具有结构简单、便于制作、成本低廉、波长和带宽的调谐范围大（带宽可以从27nm调节到80nm,中心波长则可以从480nm调节到618nm）、适用范围广、实用等优点。

与一般的可调光学滤波器相比，该光学滤波器既可以调节波长也可以改变带宽，因此它既可以用于只要求改变波长或者带宽的场合，也可以用于要求波长和带宽同时改变的场合。

与丁运鸿小组提出的基于马赫——曾德尔干涉仪结构的带宽和波长同时可调的光学滤波器相比，无论是带宽还是波长调节范围都大得多，带宽可以从27nm调节到80nm,中心波长可以从480nm调节到618nm。其中中心波长可以根据需要改变胆固醇液晶分子中的手性分子的配比浓度在任意波长范围调节，带宽也可以通过采用高双折射率的液晶材料来增宽，同时通过压缩光斑大小来获得更窄的带宽，从而扩展带宽的调节范围，理论模拟表明最窄带宽可以达到5nm,最宽带宽则可以达到300nm甚至更宽。

与Philip E.Buchshaum等人发明的可调滤波器相比，不仅能实现同样的功能，而且制备要简单得多。因采用了胆固醇液晶片，只要适当地调整手性分子的比例就能制备出我们需要的工作波长和带宽范围的可调滤波器，而且液晶材料非常便宜，所以采用胆固醇液晶制作这种带宽和波长可变可调滤波器非常便宜。Philip E.Buchshaum等人发明的可调滤波器是采用镀膜的方法来制备的，镀膜这一方法本身就很复杂，成本很高，而在Philip E.Buchshaum的可调滤波器中，基板上所镀的膜的厚度还是线性变化的，其制备复杂和成本昂贵是不可想象的，可以说他们这一方法虽然原理上可行，实际上可操作性不大，难以工业化生产。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2a空间分布胆固醇液晶结构示意图，

图2b空间分布胆固醇液晶实验图，

图3胆固醇液晶在不同位置的反射谱，

图4a是带宽可变可调光学滤波器调节中心波长的原理图，

图4b是带宽可变可调光学滤波器调谐波长的实验结果，

图5a是带宽可变可调光学滤波器调节带宽的原理图，

图5b是带宽可变可调光学滤波器改变带宽的实验结果。

图中：图中：胆固醇液晶片1（其中：第一空间分布胆固醇液晶片101、第二空间分布胆固醇液晶片102）、调节装置2（其中：第一胆固醇液晶片调节装置201、第二胆固醇液晶片调节装置202）、缩进螺杆3、步进马达4、开关5、马达电源6、调节装置滑轨7。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进行详述：

图1是本发明的一种带宽和波长可变可调的光学滤波器。包括滤波片1和调节装置2，其要点是：滤波片1为胆固醇液晶片，由两片平行排列的胆固醇液晶片构成；调节装置2为平行调节装置，两片胆固醇液晶片1设装在各自的平行调节装置上。图中的调节装置2为步进马达调节装置，包括缩进螺杆3、步进马达4、开关5、马达电源6、调节装置滑轨7等；用来调节两片胆固醇液晶片相对于入射光的空间位置，使两片胆固醇液晶片始终处于平行状态。显然也可采用压电陶瓷、MEMS等调节装置。

其中每一片胆固醇液晶片可以是单片左旋或者右旋胆固醇液晶片，也可以是由一片左旋胆固醇液晶片和一片右旋胆固醇液晶片组成，为了叙述简单，这里我们以单片右旋胆固醇液晶片为例来进行说明，如图2所示。

第一片空间分布胆固醇液晶片101和第二片空间分布胆固醇液晶片102是由同一胆固醇液晶混合物制备而成，它们具有相同的结构和光学性质，其结构示意图如图2a所示。由图2a可见，本发明所使用的空间分布胆固醇液晶片具有周期性螺旋结构，且其螺距都是从胆固醇液晶片的一端到另一端成线性增长。由于液晶具有高双折射率，胆固醇液晶片这种周期性螺旋结构使得液晶的折射率呈周期性变化，相当于一维光子晶体，形成布拉格反射，其反射带的中心波长由液晶的平均折射率n和胆固醇液晶的螺距p₀决定：

λ₀=n·p₀ （1）

其中n＝(n_e+n_o)/2，n_e和n_o分别是液晶对e光和o光的折射率，p₀由手性分子在胆固醇液晶混合物中所占的比重c％及其扭曲力常数决定：

p_{0} = \frac{1}{HTP \cdot c %} - - - (2)

由上可见，胆固醇液晶片反射带的光谱位置可以通过改变手性分子的浓度来改变。另外，胆固醇液晶片的光子反射带的光谱位置很容易受外界因素包括光、电、热、声等的影响，因此也可以通过外加光、电、热、声等场改变胆固醇液晶片的光子反射带的光谱位置。

鉴于胆固醇液晶片的反射带受外界因素的影响这一特性，我们可以采用多种不同方法来制备空间分布胆固醇液晶片，比如可以通过将几个含有不同手性分子浓度的胆固醇液晶混合液按照手性分子浓度依次减小（或依次增大）的顺序灌入到同一液晶盒中获得；也可以利用温度对胆固醇液晶螺距的影响，通过在胆固醇液晶片上产生温度梯度来制备空间分布胆固醇液晶片等等。为了长期稳定的保存这种胆固醇液晶片反射带随空间位置变化的特性，可以在胆固醇液晶溶液时掺加一定比例的高分子单体或者直接用具有液晶相的高分子单体取代液晶分子，通过UV光照来实现。

在这里，我们配备了4个具有不同手性分子浓度且掺杂高分子单体的胆固醇液晶混合溶液，然后将这4个胆固醇液晶混合溶液按手性分子浓度大小依次减小的顺序灌入到同一个液晶盒中，待它们扩散均匀后采用UV光照，所得样品如图2b所示。这里，我们定义空间分布胆固醇液晶片显示短波长的那端为起始点。图3是测量到的单片胆固醇液晶片在不同空间位置的反射光谱，很显然，在不同的空间位置，该胆固醇液晶片的反射带光谱位置不一样，当入射光从胆固醇液晶片的一端移动到另一端，其反射带中心波长逐渐从480.9nm从变化到618.7nm。

采用这种方法，我们制备了两片相同的空间分布胆固醇液晶片，并将这两片空间分布的胆固醇液晶片按图1所示结构配置。调谐中心波长可以通过同时调节两个空间位移调节装置，改变入射光照射在两组空间分布胆固醇液晶片的空间位置来得到，如图4（a）所示。图4（b）是同时将入射光照射在两片空间分布胆固醇液晶片的空间位置从起点（0mm）调节到9mm的结果。与单片空间分布胆固醇液晶片随空间位置变化的反射光谱类似，同时改变入射光照射在两片空间分布胆固醇液晶片的空间位置，输出光谱的中心波长会随其空间位置的变化而变化。这是因为这两片空间分布胆固醇液晶片具有相同的空间分布光谱特性，当入射光照射到它们相同空间位置时，被第一片空间分布胆固醇液晶片101反射的光完全落入第二空间分布胆固醇液晶102反射带内，并被第二片空间分布胆固醇液晶片102反射，其中心波长和带宽都是由胆固醇液晶片所处空间位置的反射带的光谱位置和带宽决定。

带宽的改变则可以通过固定其中一片空间分布胆固醇液晶片的位置，改变另外一片空间分布胆固醇液晶片相对于入射光的空间位置来的到，其原理图如图5（a）所示。图5（b）是我们固定第一片空间分布胆固醇液晶片的空间位置在起始点，即0mm，将第二片胆固醇液晶相对于入射光的位置从0mm移动到9mm所得的实验结果。从图5（b）可见，随着第二片空间分布胆固醇液晶的空间位置从0mm移动到9mm，输出带宽可以从80nm减小到27nm。其原因是因为所使用的这两片空间分布胆固醇液晶片的反射光谱都会随其空间位置变化而变化，当固定其中一片空间分布胆固醇液晶片的位置，而改变另外一片空间分布胆固醇液晶片的空间位置时，则这两片空间分布胆固醇液晶片所反射出的光谱能重合的部分也会随其中一片空间分布胆固醇液晶片空间位置变化而变化，最后输出的光谱则是这两片胆固醇液晶片反射光谱重合的部分，因此，最后输出的光谱带宽会随其中一片空间分布胆固醇液晶片空间位置变化而变化。

综上所述：所述的平行调节装置可以是步进电机、MEMS或压电陶瓷等各种可以调节空间位置的器件或装置。

胆固醇液晶片为螺距随胆固醇液晶一维或二维空间位置成线性变化的胆固醇液晶片；即一种能使其光子反射带中心波长随胆固醇液晶一维或二维空间位置线性变化、所呈现出来的颜色也随胆固醇液晶一维或二维空间位置线性变化的胆固醇液晶片。

为了得到反射带随空间分布的胆固醇液晶片，胆固醇液晶片为含有多浓度手性分子的胆固醇液晶片，即将含有不同浓度的手性分子的胆固醇液晶溶液按照手性分子浓度依次减小（或依次增大）的顺序灌入到同一液晶盒中的胆固醇液晶片。

为使胆固醇液晶长期稳定地保持其空间分布的光子反射带，胆固醇液晶片为在胆固醇液晶中添加有高分子单体并在UV光照下形成聚合物网络稳固的胆固醇液晶片，或为具有液晶相的高分子单体取代液晶分子并采用UV光照射固化形成胆固醇聚合膜片。利用UV光照射固化形成的聚合物网络能稳固其光子反射带。

Claims

1.一种带宽和波长可变可调的光学滤波器，包括滤波片（1）和调节装置（2），其特征在于：滤波片（1）为胆固醇液晶片，由两片平行排列的胆固醇液晶片构成；调节装置（2）为平行调节装置，两片胆固醇液晶片（1）设装在各自的平行调节装置上。

2.根据权利要求1所述的带宽和波长可变可调的光学滤波器，其特征在于：胆固醇液晶片（1）为螺距随胆固醇液晶一维或二维空间位置成线性变化的胆固醇液晶片。

3.根据权利要求1或2所述的带宽和波长可变可调的光学滤波器，其特征在于：胆固醇液晶片（1）为含有多浓度手性分子的胆固醇液晶片。

4.根据权利要求3所述的带宽和波长可变可调的光学滤波器，其特征在于：胆固醇液晶片（1）为在胆固醇液晶中添加有高分子单体并在UV光照下形成聚合物网络稳固的胆固醇液晶片，或为具有液晶相的高分子单体取代液晶分子并采用UV光照射固化形成胆固醇聚合膜片。

5.根据权利要求1或2所述的带宽和波长可变可调的光学滤波器，其特征在于：胆固醇液晶片（1）为在胆固醇液晶中添加有高分子单体并在UV光照下形成聚合物网络稳固的胆固醇液晶片，或为具有液晶相的高分子单体取代液晶分子并采用UV光照射固化形成胆固醇聚合膜片。