CN106707499A - 电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，包括两相对设置的支架、分别设置在两支架上且相对的平面腔镜、多个连接两支架且均匀分布在两平面腔镜外周的压电陶瓷，支架上设有与平面腔镜同光轴、用于供光线进出的通光孔；两所述平面腔镜相对的腔面上分别对应的镀有多个金属电极构成多对电容传感器，根据各电容传感器的电容值得到两腔面之间的间隙值，根据各电容传感器的电容值控制两腔面的平行度及两腔面之间的腔长。本发明通过在两个平面腔镜上镀金属膜构成多个平行平板电容器对，利用这些电容器的电容值，可以实时地测量平行平板之间的微小夹角以及各部分的间隙数值，以便对平行度和法布里珀罗腔长(输出波长)进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱测试和传感系统中使用的光器件，尤其涉及一种电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器。
背景技术
扫描法布里珀罗滤波器是一种通带可调谐的光滤波器件，具有结构灵活，插入损耗低，调谐速度快，调谐范围广，精细度高等优点，受到广泛重视。在光通信领域，扫描法布里珀罗滤波器可用于波分复用的解复用；在光纤传感领域，可作为位移、应变传感器件，还可作为光纤光栅传感器的波长解调器件。此外，在光纤激光器、光谱分析等领域，扫描法布里珀罗滤波器也有重要应用。在光谱仪器方面，目前已有用法布里珀罗腔扫描滤波的方法来实现光谱分辨率增强，即在光栅光谱仪的基础上加入一块扫描法布里珀罗滤波器可使原本不可分辨的波长在时域扫描过程中得到分辨，从而提高光谱分辨率。
法布里珀罗滤波器基于多光束干涉原理，当一束相干光入射到法布里珀罗腔中，入射光在法布里珀罗腔中来回多次反射，产生多光束干涉形成光学谐振。在每次反射过程中，相邻两束反射光或透射光的相位差都相等，其相位差满足以下关系：当相位差是2π的倍数时，形成相长干涉，透射光最强，因此通过调节法布里珀罗腔的腔长d或折射率n均可改变法布里一珀罗滤波器对不同频率光的反射光强或透射光强。
根据公式法布里珀罗滤波器的自由光谱范围与腔长成反比。根据公式可知法布里珀罗滤波器的精细度与腔镜的反射率R有关，R越大，精细度越高，光谱分辨力越高。由此可知，FP滤波器的光谱分辨率取决于腔镜的反射率，而自由光谱范围取决于腔镜的间隙。
法布里珀罗腔前后反射腔面的平行度直接影响到滤波器的精细常数和波长灵敏性。大多数商用扫描法布里珀罗滤波器采用共焦腔结构，即两个腔面采用凹球面面形，并让两个凹球面的焦点位置重合，这样做的好处是可以减小对两个腔镜平行度调节的要求，但是这种共焦腔结构的谐振腔长很难做小，因此自由光谱区很小，只有GHz量级，不适合较大范围的波长扫描。
使用平行平面腔能够做到小腔长，以提高自由光谱范围。许多平行平面腔结构采用压电扫描方式，但是压电扫描是一种开环控制，无法准确得知两腔平面之间的间隙(即腔长)，因而很难确定输出波长与扫描电压之间的关系；同时也难以对平行平面之间的平行度进行主动检测和控制。
现有的扫描法布里珀罗滤波器主要有两种结构，一种是球面共焦腔结构，另外一种是平行平面腔结构。在球面共焦腔结构中，法布里珀罗腔长等于球面的曲率半径，由于两个球面加工的曲率半径不可能做得很小，所以法布里珀罗谐振腔长不可能小，因此它的自由光谱范围非常有限；在平行平面谐振腔结构中，现有技术只是使用压电陶瓷驱动控制两个腔面之间的间隙，但是却不能准确获得该间隙的具体数值，即不能得到法布里珀罗腔长的准确数值，因而无法准确计算输出波长，另外这种压电陶瓷直接开环驱动的方法不能对两个腔镜平面之间的平行性进行主动实时监测，很难保证两个腔镜平面在扫描过程中保持始终平行，容易出现失调的现象。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
针对现有方法难以对平行平面腔的平行度和腔长进行实时测量和主动控制的问题，提出一种电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，通过在两个平面腔镜上镀金属膜构成多个平行平板电容器对，利用这些电容器的电容值，可以实时地测量平行平板之间的微小夹角以及各部分的间隙数值，以便对平行度和法布里珀罗腔长(输出波长)进行控制。
本发明的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，包括两相对设置的支架、分别设置在两支架上且相对的平面腔镜、多个连接两支架且均匀分布在两平面腔镜外周的压电陶瓷，支架上设有与平面腔镜同光轴、用于供光线进出的通光孔；两所述平面腔镜相对的腔面上分别对应的镀有多个金属电极构成多对电容传感器，根据各电容传感器的电容值得到两腔面之间的间隙值，根据各电容传感器的电容值控制两腔面的平行度及两腔面之间的腔长。
进一步的，通过电容公式C＝εS/d得到两腔面之间的间隙值，其中ε为两相对的所述金属电极间介质的介电常数，S为所述金属电极的极板面积，d为两腔面之间的间隙值；将多个间隙值取平均作为两腔面之间的腔长。
进一步的，通过将各电容传感器与信号处理电路电性连接，信号处理电路与反馈控制电路电性连接，反馈控制电路与压电陶瓷驱动器电性连接控制两腔面的平行度；其中，所述信号处理电路用于将各所述电容传感器的电容输出信号转换为电压/电流信号，并进行求和、求差运算，输出间隙值和两腔面不平行度的信号，所述反馈控制电路根据所述信号处理电路的信号控制压电陶瓷驱动器以驱动所述压电陶瓷运动，调节两平面腔镜之间的间隙和角度。
进一步的，所述平面腔镜为锥形玻璃板，面积较小的一面为所述法布里珀罗滤波器的腔面，其上镀有高反介质膜。
进一步的，所述腔面的周缘均匀镀有四个所述金属电极，各所述金属电极均延伸部分至锥形玻璃板的锥面上作为引线区。
进一步的，两支架之间连接有三个沿所述锥形玻璃板外周均匀分布的压电陶瓷。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明通过在两个平面腔镜上镀金属膜构成多个平行平板电容器对，利用这些电容器的电容值，可以获得法布里珀罗滤波器的准确腔长数值，因而可以准确得到法布里珀罗滤波器扫描过程中任意时刻的输出波长；
2、本发明还可以实时监测平行平板型法布里珀罗滤波器两个腔镜的平行度，通过反馈控制可以保持两个腔镜始终平行，使扫描法布里珀罗滤波器的稳定性和可靠性更好；
3、在本发明技术方案中，由于电容传感器在平板间隙越小时越灵敏，因此本发明技术方案更适合小谐振腔长的法布里珀罗滤波器，可以得到大自由光谱范围的扫描法布里珀罗滤波器；
4、本发明结构简单，没有机械磨损，且稳定性好，控制精度高，能够提高法布里珀罗滤波器的工作效率，改善波长选择的精确性，满足光谱分析，光通信，光传感等领域的要求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器结构示意图；
图2为镀有四个金属电极的锥形玻璃板结构示意图；
图3为安装了三块压电陶瓷的支架结构示意图；
图4为本发明的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器系统工作框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图4，本发明一较佳实施例所述的一种电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，包括两相对设置的支架10、分别设置在两支架10上且相对的平面腔镜20、三个连接两支架10且均匀分布在两平面腔镜20外周的压电陶瓷30，支架10上设有与平面腔镜20同光轴、用于供光线进出的通光孔11，两平面腔镜20相对的腔面上分别对应的镀有多个金属电极40构成多对电容传感器。
具体的，平面腔镜20为由石英玻璃做成锥形玻璃板，面积较小的一面作为法布里珀罗滤波器的腔面，在腔面上镀上高反介质膜，膜的反射率和透过率根据需要选择。锥形玻璃板面积较大的面与支架10粘结，可以使用紫外固化胶等粘接剂。
通过真空热蒸镀或者电子束蒸镀的方式在锥形玻璃板的腔面上的周缘均匀地镀上四个金属膜作为电容传感器的金属电极40，电极材料为金或铝或其他金属材料，电极形状通过掩模版控制。除了在腔面上镀金属膜，还需要外延一部分金属膜到锥面上，作为接线的引线区41，以探测电容值。
支架10开有圆形通光孔11，使用时将支架10通过螺钉与基座固定。作为平面腔镜20的两个锥形玻璃板分别与两个支架10相连，支架10之间粘结三个压电陶瓷30，压电陶瓷30沿锥形玻璃板均匀分布，这样三个压电陶瓷就能控制两平面腔镜20在x、y两个方向上的间隙值。两锥形玻璃板与两个支架10上的通光孔11都位于同一光轴上，通过加不同的电压，三个压电陶瓷30能独立地做沿光轴方向的运动，以带动与之相连接的支架10运动。
本发明通过在两个平面腔镜上镀金属膜构成多个平行平板电容器对，利用这些电容器的电容值，可以获得法布里珀罗滤波器的准确腔长数值，因而可以准确得到法布里珀罗滤波器扫描过程中任意时刻的输出波长。即根据各电容传感器的电容值得到两腔面之间的间隙值，具体的，通过电容公式C＝εS/d得到两腔面之间的间隙值，其中ε为两相对的所述金属电极间介质的介电常数，S为所述金属电极的极板面积，d为两腔面之间的间隙值，将多个间隙值取平均作为两腔面之间的腔长。
本发明还可以实时监测平行平板型法布里珀罗滤波器两个腔镜的平行度，通过反馈控制可以保持两个腔镜始终平行，使扫描法布里珀罗滤波器的稳定性和可靠性更好。具体的，通过将各电容传感器与信号处理电路电性连接，信号处理电路与反馈控制电路电性连接，反馈控制电路与压电陶瓷驱动器电性连接控制两腔面的平行度；其中，信号处理电路用于将各电容传感器的电容输出信号转换为电压/电流信号，并进行求和、求差运算，输出间隙值和两腔面不平行度的信号，反馈控制电路根据信号处理电路的信号控制压电陶瓷驱动器以驱动压电陶瓷运动，调节两平面腔镜之间的间隙和角度。
本发明的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器的工作步骤为：测量法布里珀罗腔上的四对电容传感器的电容值，通过电容值计算分别得到四对电容传感器位置的间隙值，根据这四个间隙值进一步计算得出两个锥形玻璃板x方向和y方向的夹角，且以四个间隙值的平均值作为当前法布里珀罗腔的腔长。通过得到的数据对三个压电陶瓷块分别施加电压，使压电陶瓷块做沿光轴方向的运动，从而带动支架改变锥形玻璃板之间的平行度以及腔长，改变后的腔长又通过电容传感器精确测量，确定透射的峰值波长，实现了电容反馈式的法珀腔调谐滤波。
对于越小的平板间隙(谐振腔长)，电容传感器灵敏度越高，因而本发明的结构适合微小间隙的法布里珀罗腔，从而可以得到较大的自由光谱区。该方法简单易操作，没有机械磨损，且稳定性好，控制精度高，能够提高法布里珀罗滤波器的工作效率，改善波长选择的精确性，满足光谱分析，光通信，光传感等领域的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，其特征在于：包括两相对设置的支架、分别设置在两支架上且相对的平面腔镜、多个连接两支架且均匀分布在两平面腔镜外周的压电陶瓷，支架上设有与平面腔镜同光轴、用于供光线进出的通光孔；两所述平面腔镜相对的腔面上分别对应的镀有多个金属电极构成多对电容传感器，根据各电容传感器的电容值得到两腔面之间的间隙值，根据各电容传感器的电容值控制两腔面的平行度及两腔面之间的腔长。
2.根据权利要求1所述的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，其特征在于：通过电容公式C＝εS/d得到两腔面之间的间隙值，其中ε为两相对的所述金属电极间介质的介电常数，S为所述金属电极的极板面积，d为两腔面之间的间隙值；将多个间隙值取平均作为两腔面之间的腔长。
3.根据权利要求1所述的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，其特征在于：通过将各电容传感器与信号处理电路电性连接，信号处理电路与反馈控制电路电性连接，反馈控制电路与压电陶瓷驱动器电性连接控制两腔面的平行度；其中，所述信号处理电路用于将各所述电容传感器的电容输出信号转换为电压/电流信号，并进行求和、求差运算，输出间隙值和两腔面不平行度的信号，所述反馈控制电路根据所述信号处理电路的信号控制压电陶瓷驱动器以驱动所述压电陶瓷运动，调节两平面腔镜之间的间隙和角度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，其特征在于：所述平面腔镜为锥形玻璃板，面积较小的一面为所述法布里珀罗滤波器的腔面，其上镀有高反介质膜。
5.根据权利要求4所述的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，其特征在于：所述腔面的周缘均匀镀有四个所述金属电极，各所述金属电极均延伸部分至锥形玻璃板的锥面上作为引线区。
6.根据权利要求4所述的电容反馈型可调谐法布里珀罗滤波器，其特征在于：两支架之间连接有三个沿所述锥形玻璃板外周均匀分布的压电陶瓷。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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