CN205991777U - 法布里珀罗腔及干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种法布里珀罗腔及干涉仪，属于光学领域。法布里珀罗腔包括：密封腔体；所述密封腔体包括：相互平行的两个基板及设置在所述两个基板之间的液晶层；所述两个基板包括第一基板和第二基板，光线能够从所述第一基板的入射，经由所述液晶层，从所述第二基板出射，所述两个基板上能够施加不同电压，以改变所述液晶层的偏转角。本实用新型不需要调节两个基板之间的距离，保证了两个基板之间的平行精度，提高了测量精度。本实用新型用于测量入射光的波长。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学领域，特别涉及一种法布里珀罗腔及干涉仪。
背景技术
法布里珀罗干涉仪是一种多光束干涉仪，可以用来精确测量入射光波长。在科研方面、生产方面和教学方面有着广泛的应用。由于其结构简单，使用方便，很多科研机构、工厂、学校等组织都选择自己搭建法布里珀罗干涉仪来进行入射光波长的测量。
法布里珀罗干涉仪包括法布里珀罗腔和透镜，请参考图1，其示出的是现有的法布里珀罗腔的工作原理图，法布里珀罗腔包括M和M′，M和M′是两块平行的玻璃板，且这两块玻璃板相对的内表面都涂有高反射率的涂层。在实际应用中，入射光从M入射，在两块平行的玻璃板之间多次反射，经过凸透镜(图1中未画出)聚焦之后得到多光束干涉条纹。为了满足干涉条件，需要相邻两光束光程差为波长的整数倍，因此可以调整光程差使得不同波长的光发生干涉，从而判断入射光的波长。调整光程差的具体方法为调节法布里珀罗干涉仪下方的机械平台，从而调整两块平行玻璃板之间的距离，进而调整光程差，使得不同波长的光发生干涉。
在实现本实用新型的过程中，实用新型人发现现有技术至少存在以下问题：
在调节法布里珀罗干涉仪的法布里珀罗腔中的两平行玻璃板之间的距离时，其调节精度受机械结构限制，两平行玻璃板的平行精度不易测量而且容易发生变动，法布里珀罗干涉仪的整体稳定性差，导致测量精度较差。
实用新型内容
为了解决现有技术的法布里珀罗干涉仪的整体稳定性差，导致测量精度较差的问题，本实用新型实施例提供了一种法布里珀罗腔及干涉仪。所述技术方案如下：
根据本实用新型实施例的第一方面，提供了一种法布里珀罗腔，所述法布里珀罗腔包括：
密封腔体；
所述密封腔体包括：相互平行的两个基板及设置在所述两个基板之间的液晶层；
所述两个基板包括第一基板和第二基板，光线能够从所述第一基板的入射，经由所述液晶层，从所述第二基板出射，所述两个基板上能够施加不同电压，以改变所述液晶层的偏转角。
可选的，每个所述基板包括：透明基板，所述透明基板上形成有金属层；
所述两个基板的金属层相对设置；
所述第一基板的透明基板的至少一端，存在未覆盖金属层的透明入射开口。
可选的，所述金属层的反射率大于百分之九十五小于百分之九十九。
可选的，所述金属层的材质为铝。
可选的，每个所述基板还包括：形成在金属层上的液晶承载层。
可选的，所述液晶承载层为树脂层。
可选的，所述密封腔体还包括：位于所述两个基板之间，且位于所述液晶层周围区域的密封胶。
可选的，所述第二基板的出光侧设置有偏光片。
可选的，所述第二基板的透明基板的出光侧形成有光学透明树脂OCR胶；
形成有所述OCR胶的透明基板上粘贴有所述偏光片。
可选的，所述液晶层为电控双折射ECB模式液晶层。
根据本实用新型实施例的第二方面，提供一种干涉仪，所述干涉仪包括第一方面任一所述的法布里珀罗腔。
可选的，所述干涉仪还包括：
位于所述法布里珀罗腔出光侧的透镜。
可选的，所述透镜为菲涅尔透镜。
可选的，所述菲涅尔透镜为液晶透镜。
本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本实用新型实施例提供的法布里珀罗腔及干涉仪，通过向两个基板施加不同电压，改变两个基板之间液晶层的折射率，进而改变入射光的光程差，使得不同波长的光发生干涉。不需要调节两个基板之间的距离，保证了两个基板之间的平行精度，提高了测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有的法布里珀罗腔的工作原理图；
图2是本实用新型实施例示出的一种法布里珀罗腔的结构示意图；
图3是本实用新型实施例示出的一种干涉仪结构示意图；
图4是本实用新型实施例示出的一种法布里珀罗腔的制造方法流程图；
图5是本实用新型实施例示出的另一种法布里珀罗腔的制造方法流程图；
图6-1是本实用新型实施例示出一种光波长测量方法流程图；
图6-2是本实用新型实施例示出的一种法布里珀罗腔的两个基板的平面示意图；
图6-3是本实用新型实施例示出的干涉仪测量入射光波长的工作原理图；
图6-4是本实用新型实施例示出的由液晶菲涅尔透镜聚焦后的标准光强变化曲线图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
图2是本实用新型实施例示出的一种法布里珀罗腔的结构示意图。该法布里珀罗腔10可以包括：
密封腔体。
该密封腔体包括：相互平行的两个基板及设置在两个基板之间的液晶层12。
该两个基板包括第一基板11a和第二基板11b，光线能够从第一基板11a的入射，经由液晶层12，从第二基板11b出射，该两个基板上能够施加不同电压，以改变液晶层12的偏转角。
综上所述，本实用新型实施例提供的法布里珀罗腔，通过向两个基板施加不同电压，改变两个基板之间液晶层的折射率，进而改变入射光的光程差，使得不同波长的光发生干涉。不需要调节两个基板之间的距离，保证了两个基板之间的平行精度，提高了测量精度。
可选的，如图2所示，每个基板包括：透明基板111，透明基板111上形成有金属层112；两个基板的金属层112相对设置；第一基板11a的透明基板111的至少一端，存在未覆盖金属层112的透明入射开口1121。光线可以从该明入射开口1121入射。
实际应用中，为了实现法布里珀罗腔中光线的有效反射，液晶层的厚度可以为10um(微米)，从透明入射开口射入的光线入射角小于5度。
本实用新型实施例中，两个基板上形成有高反射率的金属层，例如，该金属层的反射率可以大于百分之九十五小于百分之九十九。反射率大于百分之九十五小于百分之九十九的金属层可以使得入射光从第一基板入射后在两个基板之间多次反射。可选的，金属层112的材质可以为铝。铝具有高的反射率和导电性。其中，具有高的反射性，可以使得入射光在两个基板之间多次反射；具有高的导电性，可以对两个基板施加不同的电压信号，进一步的控制两板之间液晶层的折射率。本实用新型实施例对金属层的材质不做具体限定，金属层的材质还可以为其他具有高的反射和导电性的材质。
可选的，如图2所示，每个基板还包括：形成在金属层112上的液晶承载层113。通过液晶承载层可以使液晶分子有规律地排列，保证液晶分子的有效调节。
进一步的，由于第一基板中存在未覆盖金属层的透明入射开口，因此该液晶承载层需要包裹金属层，从而使液晶分子有规律地排列。例如，该液晶承载层113为树脂层，树脂层比较厚，可以包裹金属层，同时可以实现液晶的承载，保证液晶分子的有效调节。可选的，由于电控双折射(英文：electrically controlled birefringence；简称ECB)模式液晶层中的液晶便于控制，折射的精度较高，因此，本实用新型实施例中的液晶层可以为ECB模式液晶层。
可选的，如图2所示，密封腔体还包括：位于两个基板之间，且位于液晶层12周围区域的密封胶13，该周围区域为一环形区域，密封胶13涂布在该环形区域上，通过密封胶可以避免液晶从法布里珀罗腔流出，实现法布里珀罗腔的有效密封。
可选的，如图2所示，第二基板11b的出光侧设置有偏光片15。该偏光片15可以采用粘贴的方式设置在该第二基板11b上，实际应用中，可以在第二基板10b的透明基板111的出光侧形成光学透明树脂(英文：Optical Clear Resin；简称：OCR)胶14，通过该将该OCR胶14将偏光片15粘贴。其中，OCR胶是设计用于透明光学元件粘接的特殊粘接剂，既可以粘贴偏光片，又可以粘贴聚光时所用的透镜。
采用如图2所示的法布里珀罗腔进行入射光测量时，光线从第二基板11b出射后经过偏光片15，该偏光片15使得按特定方向振动的光线(也即线偏振光)通过。
综上所述，本实用新型实施例提供的法布里珀罗腔，通过向两个基板施加不同电压，改变两个基板之间液晶层的折射率，进而改变入射光的光程差，使得不同波长的光发生干涉。不需要调节两个基板之间的距离，保证了两个基板之间的平行精度，提高了测量精度。
本实用新型实施例示出一种干涉仪，该干涉仪用于测量入射光的波长，该干涉仪可以包括本实用新型实施例提供的法布里珀罗腔和位于该法布里珀罗腔出光侧的透镜，该透镜可以贴合在法布里珀罗腔的出光侧，该法布里珀罗腔可以是图2示出的法布里珀罗腔10。
实际应用中，从法布里珀罗腔出光侧射出的光线，该光线均按特定方向振动，再经过透镜聚焦后会产生干涉现象。可选的，该透镜可以为菲涅尔透镜，菲涅尔透比较薄，与法布里珀罗腔贴合难度小。优选的，菲涅尔透镜可以为液晶透镜，即液晶菲涅尔透镜，选用液晶菲涅尔透镜，可以通过设置在该菲涅尔透镜上下两边的电极调整该菲涅尔透镜的焦距，使得聚焦更加方便快速。
具体的，可以参见图3，图3是本实用新型实施例示出的一种干涉仪结构示意图，该干涉仪用于测量入射光的波长，该干涉仪可以包括法布里珀罗腔10、液晶菲涅尔透镜20和探测平面30。其中，液晶菲涅尔透镜20包括：透明基板21、电极22、液晶层23、密封剂24、偏振片25；探测平面30可以为光强探测器(图3中未画出)的探测端口所在平面，该光强探测器可以具有显示功能，例如该光强探测器上设置有液晶显示屏，并且该光强探测器的探测端口可以探测由液晶菲涅尔透镜聚焦后光强，并在该液晶显示器上显示，当连续调节法布里珀罗腔中两基板的电压时，该探测器会探测到一系列变化的光强，并且会在液晶显示器上显示出光强变化曲线。
本实用新型实施例中，透明基板21与法布里珀罗腔10中的透明基板111材质可以相同；密封剂24与法布里珀罗腔10中的密封剂13材质可以相同；偏振片25法布里珀罗腔10中的偏振片15材质可以相同，且偏振方向需要保持一致。
为了便于读者了解，本实用新型实施例对法布里珀罗腔的工作原理进行说明，法布里珀罗腔出射光干涉极大值条件所满足的极大值公式为：
2nhcosθ＝mλ
其中，n为折射率；h为法布里珀罗腔中两个基板之间的距离；θ为入射光线的入射角；λ为入射光线的波长；m为正整数(也即m＝1、2、3……)；法布里珀罗腔出射光干涉极大值是指出射光经过透镜聚焦后，在探测平面探测到的光强最大。
由上述极大值公式可以看出法布里珀罗腔出射光干涉极大值与折射率n、距离h成正比。现有技术是折射率n和入射光线入射角度θ固定不变，通过改变距离h得到不同的光程差。而本实用新型是法布里珀罗腔的厚度固定不变，在固定入射光线入射角度之后，相当于入射角θ与距离h固定不变，可以通过改变液晶层的折射率n得到不同的光程差。
综上所述，本实用新型实施例提供的干涉仪，通过向两个基板施加不同电压，改变两个基板之间液晶层的折射率，进而改变入射光的光程差，使得不同波长的光发生干涉。不需要调节两个基板之间的距离，保证了两个基板之间的平行精度，提高了测量精度。
本实用新型实施例提供示出一种法布里珀罗腔的制造方法，包括：
图4是本实用新型实施例示出的一种法布里珀罗腔的制造方法流程图，该法布里珀罗腔的制造方法用于制造本实用新型实施例提供的法布里珀罗腔。该法布里珀罗腔的制造方法可以包括如下步骤：
步骤401、在相互平行的两个基板之间设置液晶层以形成密封腔体。
其中，两个基板包括第一基板和第二基板，光线能够从第一基板入射，经由液晶层，从第二基板出射，两个基板上能够施加不同电压，以改变液晶层的偏转角。
综上所述，本实用新型实施例提供的法布里珀罗腔的制造方法，通过向两个基板施加不同电压，改变两个基板之间液晶层的折射率，进而改变入射光的光程差，使得不同波长的光发生干涉。不需要调节两个基板之间的距离，保证了两个基板之间的平行精度，提高了测量精度。
图5是本实用新型实施例示出的另一种法布里珀罗腔的制造方法流程图，该法布里珀罗腔的制造方法用于制造本实用新型实施例提供的法布里珀罗腔。该法布里珀罗腔的制造方法可以包括如下几个步骤：
步骤501、在两个透明基板上分别形成金属层，其中，在第一基板的透明基板的至少一端，存在未覆盖金属层的透明入射开口。
示例的，在第一基板和第二基板中的透明基板上形成有高反射率的金属层，例如，该金属层的反射率可以大于百分之九十五小于百分之九十九。且在第一基板的透明基板的至少一端，存在未覆盖金属层的透明入射开口，光线可以从该明入射开口入射。其中，透明基板可以为玻璃基板，金属层的材质可以为铝。
步骤502、在金属层上形成液晶承载层。
示例的，由于第一基板中存在未覆盖金属层的透明入射开口，因此该液晶承载层需要包裹金属层，从而使液晶分子有规律地排列。例如，该液晶承载层可以为树脂层，树脂层比较厚，可以包裹金属层，同时可以实现液晶的承载保证液晶分子的有效调节。
步骤503、将两个基板的金属层相对设置。
具体的，将两个基板的金属层相对设置，并且使得两个基板相互平行。入射光从第一基板的透明入射开口射入后，可以在两个基板之间多次反射，之后从第二基板射出。
步骤504、在相互平行的两个基板之间设置液晶层。
示例的，可以分别对第一基板和第二基板中的金属层施加不同的电压信号，进一步的可以调节该液晶层的折射率，使得光线从入射开口射入后光程差发生变化。可选的，由于ECB模式液晶层中的液晶便于控制，折射的精度较高，因此，本实用新型实施例中的液晶层可以为ECB模式液晶层。
步骤505、在位于两个基板之间，液晶层周围区域形成密封胶。
示例的，在位于两个基板之间，且位于液晶层周围区域形成密封胶，该周围区域为一环形区域，密封胶涂布在该环形区域上，从而形成密封腔体，并且可以将液晶密封，避免液晶从法布里珀罗腔流出。
步骤506、在第二基板的透明基板的出光侧形成OCR胶。
其中，OCR胶是设计用于透明光学元件粘接的特殊粘接剂，既可以粘贴偏光片，又可以粘贴本实用新型实施例示出的液晶菲涅尔透镜。
步骤507、在形成有OCR胶的透明基板上粘贴偏光片。
本实用新型实施例中，光线从第二基板出射后经过偏光片，该偏光片使得按特定方向振动的光线(也即线偏振光)通过。
综上所述，本实用新型实施例提供的法布里珀罗腔的制造方法，通过向两个基板施加不同电压，改变两个基板之间液晶层的折射率，进而改变入射光的光程差，使得不同波长的光发生干涉。不需要调节两个基板之间的距离，保证了两个基板之间的平行精度，提高了测量精度。
图6-1是本实用新型实施例示出一种光波长测量方法流程图，通过本实用新型实施例示出的干涉仪测量入射光的波长。该光波长的测量方法可以包括如下几个步骤：
步骤601、在法布里珀罗腔中的两个基板中的一基板上加载第一电压，在另一基板上加载第二电压。
其中，第一电压和第二电压使得标准波长的标准光入射法布里珀罗腔时，由透镜聚焦后的光强最大，第一电压为固定电压，例如0V(伏)电压，第二电压为交流电压。
可选的，将一基板加载第一电压；采用标准波长的标准光入射法布里珀罗腔，并为另一基板加载电压值不同的交流电压，直至探测到由透镜聚焦后的光强最大；将标准光对应最大光强时，该另一基板上的交流电压确定为第二电压。例如，该标准光为波长为500nm(纳米)的光。
示例的，请参考图6-2，图6-2是本实用新型实施例示出的一种法布里珀罗腔的两个基板的平面示意图。其中，法布里珀罗腔中的第一基板可以为图6-2示出的两个基板61和62中的任一基板，则相应的图6-2示出另外一个基板为法布里珀罗腔中的第二基板。如图6-2所示，可以在基板61上加载第一电压V1，在另一基板62上加载第二电压V2，第一电压V1为固定电压，第二电压V2为交流电压，从而使两个基板61和62之间产生电压差，进一步的调整液晶层的折射率。
实际应用中，请参考图6-3，图6-3是本实用新型实施例示出的干涉仪测量入射光波长的工作原理图。其中，液晶层12的厚度可以为10um(微米)，从透明入射开口1021射入的标准光入射角小于5度。示例的，当入射光为待测量光时，其入射角也应该小于5度。将一基板加载第一电压，另一基板加载电压值不同的交流电压，直至探测平面30探测到由液晶菲涅尔透镜20聚焦后的光强最大，此时确定该交流电压为第二电压。
步骤602、采用待测量光线入射法布里珀罗腔，探测由透镜聚焦后的聚焦光强的变化曲线与标准光强变化曲线是否一致。当由透镜聚焦后的聚焦光强的变化曲线与标准光强变化曲线一致时，执行步骤603；否则，执行步骤604。
其中，标准光强变化曲线为在法布里珀罗腔中的两个基板中的一基板上加载第一电压，在另一基板上加载第二电压时，标准光入射法布里珀罗腔时，由透镜聚焦后的光强变化曲线。
请参考上述的极大值公式：
2nhcosθ＝mλ
本实用新型实施例是法布里珀罗腔的厚度固定不变，在固定入射光线入射角度之后，相当于入射角θ与距离h固定不变，分别对法布里珀罗腔中两个基板施加第一电压和第二电压，进而改变液晶层的折射率n，使得出射光经过透镜聚焦后，在探测平面探测到的光强最大。
请参考图6-4，图6-4是本实用新型实施例示出的由液晶菲涅尔透镜聚焦后的标准光强变化曲线图。其中，横坐标表示光程差，单位为纳米；纵坐标表示发光强度。如图6-4所示，a点和b点是相邻两个光强最大点，则该标准光的波长为a点和b点之间的光程差d，即为500nm(纳米)。
步骤603、确定待测量光线的波长为标准波长。
可选的，待测量光线可能是标准波长的标准光，如果是标准波长的标准光则不需测量其波长，可以直接确定该待测光线的波长为标准波长。实际应用中，采用待测量光线入射法布里珀罗腔，探测由透镜聚焦后的聚焦光强的变化曲线与标准光强变化曲线一致时，则可以确定待测量光线为标准波长的标准光，进一步的可以测得待测光线的波长。
步骤604、连续调整第二电压，直至采集到光强最大，根据待测量光线对应的最大光强确定待测量光线的波长。
可选的，采用待测量光线入射法布里珀罗腔，探测由透镜聚焦后的聚焦光强的变化曲线与标准光强变化曲线不一致时，则该待测光线不是标准波长的的标准光，需要进一步的调整第二电压，直至在采集到的光强最大，此时得到新的光强变化曲线，计算相邻的两个光强最大值点之间的距离，即为待测量光线的波长。
实际应用中，本实用新型实施例提供的光波长测量方法还可以包括：在法布里珀罗腔中的一基板上施加固定电压，在另一基板上电压值不同的交流电压，直至探测平面探测到由透镜聚焦后的光强最大，得到光强变化曲线，此时测量相邻两个光强最大值点之间的距离，即为待测量光线的波长。
综上所述，本实用新型实施例提供的光波长的测量方法，通过向两个基板施加不同电压，改变两个基板之间液晶层的折射率，进而改变入射光的光程差，使得不同波长的光发生干涉。不需要调节两个基板之间的距离，保证了两个基板之间的平行精度，提高了测量精度。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种法布里珀罗腔，其特征在于，包括：
密封腔体；
所述密封腔体包括：相互平行的两个基板及设置在所述两个基板之间的液晶层；
所述两个基板包括第一基板和第二基板，光线能够从所述第一基板的入射，经由所述液晶层，从所述第二基板出射，所述两个基板上能够施加不同电压，以改变所述液晶层的偏转角。
2.根据权利要求1所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
每个所述基板包括：透明基板，所述透明基板上形成有金属层；
所述两个基板的金属层相对设置；
所述第一基板的透明基板的至少一端，存在未覆盖金属层的透明入射开口。
3.根据权利要求2所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
所述金属层的反射率大于百分之九十五小于百分之九十九。
4.根据权利要求3所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
所述金属层的材质为铝。
5.根据权利要求2所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
每个所述基板还包括：
形成在金属层上的液晶承载层。
6.根据权利要求5所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
所述液晶承载层为树脂层。
7.根据权利要求1至6任一所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
所述密封腔体还包括：位于所述两个基板之间，且位于所述液晶层周围区域的密封胶。
8.根据权利要求1至6任一所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
所述第二基板的出光侧设置有偏光片。
9.根据权利要求8所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
所述第二基板的透明基板的出光侧形成有光学透明树脂OCR胶；
形成有所述OCR胶的透明基板上粘贴有所述偏光片。
10.根据权利要求1所述的法布里珀罗腔，其特征在于，
所述液晶层为电控双折射ECB模式液晶层。
11.一种干涉仪，其特征在于，包括权利要求1至10任一所述的法布里珀罗腔；
所述干涉仪还包括：
位于所述法布里珀罗腔出光侧的透镜。
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| CN106197260B (zh) * | 2016-09-06 | 2019-02-05 | 京东方科技集团股份有限公司 | 法布里珀罗腔及其制造方法、干涉仪及光波长测量方法 |
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