CN103873014B - 一种超窄带滤波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超窄带滤波装置，包括宽光谱光源产生装置、空气隙F‑P干涉仪、位于空气隙F‑P干涉仪后方的带通滤波片和位于空气隙F‑P干涉仪出射端口与计算机相连的中阶梯光谱仪；宽光谱光源产生装置包括较宽光谱光源和平行光管，空气隙F‑P干涉仪由受粗调装置调节位置的固定反射镜和受精调机构调节位置的调节反射镜组成，较宽光谱光源的光线经过平行光管后的出射窗口中心与固定反射镜的入射窗口中心重合，中阶梯光谱仪接收窗口与调节反射镜出射窗口中心重合。本发明超窄带滤波装置，成本低廉，操作简便，并且可以根据调整不同的间隔参数可以实现不同中心波长、不同半高宽指标的超窄带滤波。

Description

一种超窄带滤波装置

技术领域

本发明涉及一种超窄带滤波装置，属于干涉光谱学技术领域。

背景技术

在光通信，光传感、光谱测量领域中，光滤波装置作为其中的关键装置和方法被广泛使用。目前，干涉滤光片是实现窄带滤波的主要方式，干涉滤光片是利用光的干涉原理和薄膜技术来改变光的光谱成分的滤光片，由于工艺条件的限制，用干涉滤光片实现超窄带滤波仍十分困难。

传统镀膜方法通过化学物理气相沉积或电化学方法将电解质或金属通过真空炉蒸发或喷溅在玻璃表面形成膜系，目前，国内的长春光机所、昆明物理研究所等科研机构利用传统镀膜的方法可以实现2.6～3nm（约0.5%窄带）的超窄带滤光；但是，传统镀膜方法使用的是镀膜机，镀膜机是一种很大型的高精度设备，同时相关配套设备也很多，价格甚至在百万以上。而在国外，利用DWDM技术的窄带通滤波片可以实现0.5nm（约0.1%窄带）左右的滤波，但口径一般较小，难以实现大口径，并且实际器件的研制工艺过程却十分复杂，购买成本昂贵。

F-P干涉滤光片是在F-P干涉仪的基础上改进得到的一种应用非常广泛的光学薄膜无源器件，突破了国内干涉滤光片的技术瓶颈，可实现中心波长0.15%的超窄带滤波；其由两块反射镜组成，两块反射镜间隔可调，相同的两块反射镜，可实现不同需求的窄带滤波，具有高度的可互换性，大大降低了生产成本；F-P干涉滤光片是一个精密的光学系统，装调精度要求很高，一般要求两块反射镜的平行度为1/20-1/100波长。虽然F-P干涉仪调整装置方便可靠，具有较好的工艺性，但是如何利用F-P干涉仪实现窄带甚至超窄带滤波的技术还处于初级探索阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题针对传统的利用镀膜方法较难实现超窄带滤波的技术缺陷，利用空气隙F-P干涉仪，提供一种新型的、稳定的、可装调的超窄带滤波装置，本发明的装置成本低廉，操作简便，并且可以根据调整不同的间隔参数可以实现不同中心波长、不同半高宽指标的超窄带滤波。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种超窄带滤波装置，包括产生连续光谱的宽光谱光源产生装置、空气隙F-P干涉仪和位于空气隙F-P干涉仪后方的带通滤波片，带通滤波片为通过传统镀膜方法制备的滤波片；所述的宽光谱光源产生装置包括较宽光谱光源和平行光管；所述的空气隙F-P干涉仪由受粗调装置调节位置的固定反射镜和受精调机构调节位置的调节反射镜组成；所述的较宽光谱光源的光线经过平行光管后的出射窗口中心与固定反射镜的入射窗口中心重合。

优选的，所述的粗调装置包括安装于底部平台上的固定平台和移动平台；所述的固定平台由安装座和固定于安装座上的竖直安装面构成，竖直安装面装有X轴旋转粗调装置、Y轴旋转粗调装置和固定反射镜；所述的移动平台由可沿Z轴方向移动的Z轴平移装置和用于安装精调机构的竖直安装面组成，竖直安装面上装有精调机构和位于精调机构后侧的带通滤波片。

优选的，所述的精调机构由安装于移动平台的竖直安装面上的三个微位移装置和调节反射镜组成；所述的三个微位移装置由计算机控制位移量并由压电陶瓷驱动，并且三个微位移装置互成120°排布。

优选的，所述的X轴旋转粗调装置和Y轴旋转粗调装置均包括有蝶形弹簧和可绕轴旋转的滚珠螺杆，所述的Z轴平移装置包括有可绕轴旋转的滚珠螺杆、沿Z轴线性平移的滑块导轨、用于底部平台的弹性联轴器

优选的，所述的固定反射镜安装于X轴旋转粗调装置、y轴旋转粗调装置后侧，并可通过X轴、Y轴旋转粗调装置进行两个自由度的调节；

优选的，所述的调节反射镜安装于三个微位移装置的前方，并由三个微位移装置调整进行X、Y轴平面上的三维自由度调节，调节反射镜位置与固定反射镜相对应。

优选的，所述三个微位移装置分别具有A/D转换器接口，其通过A/D转换器接口与计算机相连。

上述的超窄带滤波装置还包括有一个与计算机相连的中阶梯光谱仪，位于空气隙F-P干涉仪的出射端口，并且中阶梯光谱仪接收窗口与调节反射镜出射窗口中心重合。

本发明的超窄带滤波装置，其宽光谱光源经过平行光管产生平行连续光谱，在F-P干涉仪（固定反射镜和调节反射镜）处发生多光束干涉，使得谐波长光束强度发生干涉增强，得到高光谱分辨率的光谱梳状函数；光谱梳状函数通过带通滤玻片将干涉增强的其他非工作波段能量滤除，得到超窄带光谱，实现超窄带滤波；可以根据调整固定反射镜和调节反射镜的间隔参数可以实现不同中心波长、不同半高宽指标的超窄带滤波；本发明的超窄带滤波装置装置成本低廉，操作简便，性能稳定。

附图说明

图1：超窄带滤波装置结构整体结构示意图；

图2：超窄带滤波装置的粗调装置结构示意图；

图3：超窄带滤波装置的精调机构结构示意图；

图4：超窄带滤波装置的精调机构结构剖视图。

其中：1、较宽光谱光源，2、平行光管，3、带通滤波片，4、底部平台，5、固定平台，6、移动平台，7、固定平台的竖直安装面，8、X轴旋转粗调装置，9、Y轴旋转粗调装置，10、固定反射镜，11、Z轴平移装置，12、移动平台的竖直安装面，13、调节反射镜，14、微位移装置，15、A/D转换器接口，16、中阶梯光谱仪，17、中阶梯光谱仪接收窗口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明超窄带滤波装置及使用方法进行详细的描述。

如图1所示，一种超窄带滤波装置，由产生连续光谱的宽光谱光源产生装置、空气隙F-P干涉仪和位于空气隙F-P干涉仪后方的带通滤波片3组成；带通滤波片3为通过传统镀膜方法制备的滤波片；宽光谱光源产生装置包括较宽光谱光源1和平行光管2；空气隙F-P干涉仪由受粗调装置调节位置的固定反射镜10和受精调机构调节位置的调节反射镜13组成。超窄带滤波装置还包括有一个与计算机相连的中阶梯光谱仪16，位于空气隙F-P干涉仪的出射端口，并且中阶梯光谱仪接收窗口17与调节反射镜13出射窗口中心重合。

如图2所示，粗调装置包括安装于底部平台4上的固定平台5和移动平台6，底部平台优选为长方型。固定平台5由安装座和固定于安装座上、具有一定通光孔径的竖直安装面7构成，竖直安装面7通过可绕轴旋转的滚珠螺杆连接X轴旋转粗调装置8和Y轴旋转粗调装置9，竖直安装面7靠近移动平台6一侧安装有固定反射镜10，且固定反射镜中心与竖直安装面7中心重合；固定反射镜10可通过X轴、Y轴旋转粗调装置进行两个自由度的调节。移动平台6由可沿Z轴方向移动的Z轴平移装置11和用于安装精调机构的竖直安装面12组成，竖直安装面12上装有精调机构和位于精调机构后侧的带通滤波片3；Z轴平移装置11包括有可绕轴旋转的滚珠螺杆、沿Z轴线性平移的滑块导轨和用于底部平台的弹性联轴器。

如图3和图4所示，精调机构由安装于移动平台的竖直安装面12上的三个微位移装置14和调节反射镜13组成；三个成120°排布的微位移装置14通过螺钉安装于竖直安装面12上，在竖直安装面12靠近固定平台10的一侧安装有调节反射镜13，且调节反射镜13中心与竖直安装面12中心重合；调节反射镜13由三个微位移装置14调整进行X、Y轴平面上的三维自由度调节，三个微位移装置由计算机控制位移量并由压电陶瓷驱动。三个微位移装置14分别具有A/D转换器接口15，其通过A/D转换器接口15与计算机相连。

如图1-4所示，宽光谱光源1的光线经过平行光管2后的出射窗口中心与固定反射镜5的入射窗口中心重合，中阶梯光谱仪接收窗口14与调节反射镜8出射窗口中心重合；宽光谱光源1经过平行光管2产生平行连续光谱，在F-P干涉仪（固定反射镜10和调节反射镜13）处发生多光束干涉，使得谐波长光束强度发生干涉增强，得到高光谱分辨率的光谱梳状函数；之后通过带通光学滤光片3将干涉增强的其他非工作波段能量滤除，得到超窄带光谱，实现超窄带滤波；其中固定反射镜10和调节反射镜13的间隔决定了采样干涉的光束之间的光程差，也决定了窄带滤光的峰值透光率波长位置及半带宽度。

固定反射镜5和调节反射镜8的间隔厚度d的计算方法如下：

（1）由公式Δλ＝2nd/m(m+1)＝λ/(m+1)，根据要求的Δλ计算出干涉级次m＝(λ/Δλ)-1；

（2）m取整后计算得到d＝mλ/2n；

波片的通带半宽度的计算方法如下：

将计算出的干涉级次m和实际固定反射镜5和调节反射镜8的反射率R₁、R₂带入以下公式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{1/2}=\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{m\π}}\mathrm{arc}\frac{1-\sqrt{R_1{R}_2}}{2\sqrt[4]{R_1{R}_2}}$

以上公式中，Δλ为透射波长间隔，n为间隔层材料折射率，m为干涉级次，λ为中心波长，Δλ_1/2为通带半高宽，R₁、R₂为两反射面反射率。

结合以上计算公式，使用本发明超窄带滤波装置的方法包括以下步骤：

（1）由设计要求的透过波长间隔Δλ、中心波长λ、通带半高宽Δλ_1/2根据以上公式计算出固定反射镜10和调节反射镜13的间隔厚度d；

（2）固定反射镜10不动，沿Z轴方向调节Z轴平移装置11逐渐靠近固定反射镜10，使固定反射镜10与调节反射镜13的初始间隔厚度接近d；

（3）通过调节粗调装置中X轴旋转粗调装置8和Y轴旋转粗调装置9来调节固定反射镜10，肉眼观察的固定反射镜10在XY平面内的位置，初步保证固定反射镜10和调节反射镜13的平行；

（4）宽光谱光源1经过平行光管2产生平行连续光谱，在F-P干涉仪（固定反射镜10和调节反射镜13）的出射端口放置中阶梯光谱仪16，中阶梯光谱仪16连接计算机，此时在计算机上显示不同波长间隔的光谱梳状函数；

（5）精调装置中的三个微位移调整装置14通过A/D转换器15连接连接计算机，由计算机同步控制三个压电陶瓷同步驱动控制调整调节反射镜13三个自由度的微位移量，边调节边观察光谱梳状函数，通过纳米级的精调保证波长间隔与设计要求值Δλ一致，进而使固定反射镜10和调节反射镜13的间隔与理论计算值d一致；

（6）在精调装置的三个微位移调整装置14后侧安装带通滤波片3，该带通滤波片3的中心透过波长与要求的λ一致，半高宽小于Δλ与Δλ_1/2之和，此时可将需要的波段保留透过，将不需要的非工作波段滤除，实现超窄带滤波。

本发明所述的超窄带滤波装置，可以根据调整固定反射镜和调节反射镜的间隔参数可以实现不同中心波长、不同半高宽指标的超窄带滤波；该超窄带滤波装置装置成本低廉，操作简便，性能稳定。

Claims (6)

1.一种超窄带滤波装置，其特征在于，包括产生连续光谱的宽光谱光源产生装置、空气隙F-P干涉仪和位于空气隙F-P干涉仪后方的带通滤波片(3)，所述的宽光谱光源产生装置包括较宽光谱光源(1)和平行光管(2)；所述的空气隙F-P干涉仪由受粗调装置调节位置的固定反射镜(10)和受精调机构调节位置的调节反射镜(13)组成；所述的较宽光谱光源(1)的光线经过平行光管(2)后的出射窗口中心与固定反射镜(10)的入射窗口中心重合；

所述的粗调装置包括安装于底部平台(4)上的固定平台(5)和移动平台(6)；所述的固定平台(5)由安装座和固定于安装座上的竖直安装面(7)构成，竖直安装面(7)装有X轴旋转粗调装置(8)、Y轴旋转粗调装置(9)和固定反射镜(10)；所述的移动平台(6)由可沿Z轴方向移动的Z轴平移装置(11)和用于安装精调机构的竖直安装面(12)组成，竖直安装面(12)上装有精调机构和位于精调机构后侧的带通滤波片(3)；

所述的精调机构由安装于移动平台的竖直安装面(12)上的三个微位移装置(14)和调节反射镜(13)组成；所述的三个微位移装置由计算机控制位移量并由压电陶瓷驱动，并且三个微位移装置互成120°排布。

2.根据权利要求1所述的一种超窄带滤波装置，其特征在于，所述的X轴旋转粗调装置(8)和Y轴旋转粗调装置(9)均包括有蝶形弹簧和可绕轴旋转的滚珠螺杆，所述的Z轴平移装置(11)包括有可绕轴旋转的滚珠螺杆、沿Z轴线性平移的滑块导轨和用于底部平台的弹性联轴器。

3.根据权利要求1所述的一种超窄带滤波装置，其特征在于，所述的固定反射镜(10)安装于X轴旋转粗调装置(8)、y轴旋转粗调装置(9)后侧，并可通过X轴、Y轴旋转粗调装置进行两个自由度的调节。

4.根据权利要求1所述的一种超窄带滤波装置，其特征在于，所述的调节反射镜(13)安装于三个微位移装置(14)的前方，并由三个微位移装置(14)调整进行X、Y轴平面上的三维自由度调节，调节反射镜(13)位置与固定反射镜(10)相对应。

5.根据权利要求4所述的一种超窄带滤波装置，其特征在于，所述三个微位移装置(14)分别具有A/D转换器接口(15)，其通过A/D转换器接口(15)与计算机相连。

6.根据权利要求1所述的一种超窄带滤波装置，其特征在于，所述的超窄带滤波装置还包括有一个与计算机相连的中阶梯光谱仪(16)，位于空气隙F-P干涉仪的出射端口，并且中阶梯光谱仪接收窗口(17)与调节反射镜(13)出射窗口中心重合。