專利名稱：三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)可調(diào)諧濾波裝置，尤其涉及一種三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào) 諧濾光片系統(tǒng)，可應(yīng)用于光譜成像領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)包括機(jī)械調(diào)諧、聲光調(diào)諧、電光調(diào)諧濾光片系統(tǒng)等。 機(jī)械可調(diào)諧濾光片主要用于干涉濾光系統(tǒng)和偏振干涉濾光系統(tǒng)之中，通過(guò) 改變系統(tǒng)中器件的物理參數(shù)如厚度、夾角等，達(dá)到調(diào)諧濾光系統(tǒng)光譜特性的目 的。機(jī)械調(diào)諧濾光系統(tǒng)一般有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定性和牢固性差，調(diào)諧響應(yīng)速度慢，
結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
聲光可調(diào)諧濾光片主要是利用各向異性晶體在聲光互作用下的反常布拉格 衍射效應(yīng)制成的可調(diào)諧濾光系統(tǒng)，能夠根據(jù)施加給它的射頻信號(hào)頻率的不同對(duì) 入射復(fù)色光進(jìn)行衍射從而得到特定波長(zhǎng)的單色光。聲光調(diào)諧濾光系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu) 緊湊，調(diào)諧響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是有裝置復(fù)雜，價(jià)格昂貴，通光口徑小，不 同光譜的圖象會(huì)有漂移等缺陷。
電光可調(diào)諧濾光片則主要是利用晶體或聚合物的壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)、 電光效應(yīng)以及液晶的電控雙折射效應(yīng)而達(dá)到調(diào)諧濾光片的目的。電光可調(diào)諧濾
波器基本結(jié)構(gòu)類型有Lyot型、Solc型和法布里-珀羅腔型三種，它們具有一些共 同特點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，調(diào)節(jié)方便，響應(yīng)速度快，通光口徑大等優(yōu)點(diǎn)，是目 前應(yīng)用較為廣泛的方法。
Lyot型和Sole型可調(diào)諧濾光片通常需要多級(jí)疊加才有較好的濾光效果，光 譜分辨率要求越高，疊加級(jí)數(shù)需要越多，這就出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變復(fù)雜、體積變大、 透過(guò)率降低等矛盾；法布里-珀羅腔型目前主要應(yīng)用在光通信波長(zhǎng)，自由光譜區(qū) 及調(diào)諧能力要求不高。在光通信領(lǐng)域，有使用兩個(gè)自由光譜區(qū)稍有差異的法布 里-珀羅腔疊加，構(gòu)成游標(biāo)式級(jí)聯(lián)FP濾波器，但是只能實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率的動(dòng)態(tài)濾 波和選擇，不是連續(xù)濾波。在光譜成像領(lǐng)域，受到光通信領(lǐng)域兩個(gè)法布里-珀羅 腔疊加的啟發(fā)，采用三個(gè)可調(diào)諧法布里-珀羅腔構(gòu)成濾光片系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)寬光譜連續(xù) 可調(diào)諧窄帶濾光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種濾光光譜范圍廣、光譜分辨率高、通光口徑大、 裝配簡(jiǎn)易、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)方便、響應(yīng)速度快的三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)。
三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)中的第一法布里-珀羅腔、第二法布 里-珀羅腔和第三法布里-珀羅腔以任意次序疊加而成，第一法布里-珀羅腔、第 二法布里-珀羅腔和第三法布里-珀羅腔的結(jié)構(gòu)相同，法布里-珀羅腔包括第一玻 璃基板、第一ITO導(dǎo)電薄膜、第一介質(zhì)高反射層和第一腔體，第一腔體上、下 方分別設(shè)有第一介質(zhì)高反射層、第一ITO導(dǎo)電薄膜和第一玻璃基板。 所述的第一法布里-珀羅腔與第二法布里-珀羅腔的腔長(zhǎng)相同。 三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)包括起偏器、第四法布里-珀羅腔、 第五法布里-珀羅腔、第六法布里-珀羅腔和檢偏器，其中第四法布里-珀羅腔、 第五法布里-珀羅腔、第六法布里-珀羅腔的次序是任意疊加，起偏器、檢偏器在 第四法布里-珀羅腔、第五法布里-珀羅腔、第六法布里-珀羅腔的兩側(cè)，第四法 布里-珀羅腔、第五法布里-珀羅腔、第六法布里-珀羅腔的結(jié)構(gòu)相同，法布里-珀
羅腔包括第二玻璃基板、第二ITO導(dǎo)電薄膜、第二介質(zhì)高反射層、液晶定向?qū)?br> 和第二腔體，第二腔體上、下方分別設(shè)有液晶定向?qū)?、第二介質(zhì)高反射層、第
二 ITO導(dǎo)電薄膜和第二玻璃基板。
所述的第四法布里-珀羅腔與第五法布里-珀羅腔的腔長(zhǎng)相同；第四法布里-珀羅腔、第五法布里-珀羅腔、第六法布里-珀羅腔起調(diào)諧作用的線偏振方向與液 晶分子定向方向一致。
本發(fā)明通過(guò)三個(gè)法布里-珀羅腔的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的窄 帶濾光，法布里-珀羅腔制作工藝成熟，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方便。還具有通光口徑大、 裝配簡(jiǎn)易、濾光光譜寬、光譜分辨率高的特點(diǎn)，可應(yīng)用于遙感探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、 天文觀測(cè)等領(lǐng)域。


圖l(a)為三級(jí)法珀型寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)第一種結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖l(b)為一種可調(diào)諧法布里-珀羅腔的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2(a)為三級(jí)法珀型寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)第二種結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖2(b)為一種利用液晶的可調(diào)諧法布里-珀羅腔的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為法布里-珀羅腔自由光譜區(qū)隨波長(zhǎng)增大而變大的示意圖； 圖4(a)為第一個(gè)法布里-珀羅腔的透射曲線示意圖4(b)為第二個(gè)法布里-珀羅腔的透射曲線示意圖4(a')為第一個(gè)法布里-珀羅腔調(diào)諧后透射曲線示意圖4(b')為第二個(gè)法布里-珀羅腔調(diào)諧后透射曲線示意4圖4(C)為第一個(gè)法布里-珀羅腔和第二個(gè)法布里-珀羅腔合透射曲線示意圖； 圖4(d)為第三個(gè)法布里-珀羅腔調(diào)諧后透射曲線示意圖4(e)為三個(gè)法布里-珀羅腔合透射曲線示意圖； 圖5(a)為濾光片系統(tǒng)濾得400nm峰值的透射曲線示意圖； 圖5(b)為濾光片系統(tǒng)濾得700nm峰值的透射曲線示意圖； 圖中第一法布里-珀羅腔l、第二法布里-珀羅腔2、第三法布里-珀羅腔3、 起偏器4、第四法布里-珀羅腔5、第五法布里-珀羅腔6、第六法布里-珀羅腔7、 檢偏器8、第一玻璃基板ll、第一IT0導(dǎo)電薄膜12、第一介質(zhì)高反射層13、第 一腔體14、第二玻璃基板51、第二ITO導(dǎo)電薄膜52、第二介質(zhì)高反射層53、 液晶定向?qū)?4、第二腔體55。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)中的第一法布里-珀羅 腔l、第二法布里-珀羅腔2和第三法布里-珀羅腔3以任意次序疊加而成，第一 法布里-珀羅腔1、第二法布里-珀羅腔2和第三法布里-珀羅腔3的結(jié)構(gòu)相同，法 布里-珀羅腔包括第一玻璃基板11、第一 ITO導(dǎo)電薄膜12、第一介質(zhì)高反射層 13和第一腔體14，第一腔體14上、下方分別設(shè)有第一介質(zhì)高反射層13、第一 ITO導(dǎo)電薄膜12和第一玻璃基板11。 所述的第一法布里-珀羅腔1與第二法 布里-珀羅腔2的腔長(zhǎng)相同。
如圖2所示，三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)包括起偏器4、第四 法布里-珀羅腔5、第五法布里-珀羅腔6、第六法布里-珀羅腔7和檢偏器8，其 中第四法布里-珀羅腔5、第五法布里-珀羅腔6、第六法布里-珀羅腔7的次序是 任意疊加，起偏器4、檢偏器8在第四法布里-珀羅腔5、第五法布里-珀羅腔6、 第六法布里-珀羅腔7的兩側(cè)，第四法布里-珀羅腔5、第五法布里-珀羅腔6、第 六法布里-珀羅腔7的結(jié)構(gòu)相同，法布里-珀羅腔包括第二玻璃基板51、第二ITO 導(dǎo)電薄膜52、第二介質(zhì)高反射層53、液晶定向?qū)?4和第二腔體55，第二腔體 55上、下方分別設(shè)有液晶定向?qū)?4、第二介質(zhì)髙反射層53、第二ITO導(dǎo)電薄膜 52和第二玻璃基板51。所述的第四法布里-珀羅腔5與第五法布里-珀羅腔6的 腔長(zhǎng)相同；第四法布里-珀羅腔5、第五法布里-珀羅腔6、第六法布里-珀羅腔7 起調(diào)諧作用的線偏振方向與液晶分子定向方向一致。
上述三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)第一種結(jié)構(gòu)中的第一法布里-珀羅腔1、第二法布里-珀羅腔2和第三法布里-珀羅腔3的第一 ITO導(dǎo)電薄膜12 鍍?cè)诘谝徊ＡЩ?1內(nèi)側(cè)；第一介質(zhì)高反射層13鍍制在第一 ITO導(dǎo)電薄膜12上，構(gòu)成法布里-珀羅腔的反射鏡；第一腔體14內(nèi)填充電可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度、折射率的 物質(zhì)，如壓電晶體、電致伸縮聚合物、電光效應(yīng)聚合物等，實(shí)51法布里-珀羅腔 電可調(diào)諧濾光。
上述三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)第二種結(jié)構(gòu)中的第四法布里-珀羅腔5、第五法布里-珀羅腔6和第六法布里-珀羅腔7的第二 ITO導(dǎo)電薄膜52 鍍?cè)诘诙ＡЩ?1內(nèi)側(cè)；第二介質(zhì)高反射層53鍍制在第二 ITO導(dǎo)電薄膜52 上，構(gòu)成法布里-珀羅腔的反射鏡；液晶定向?qū)?4制作在第二介質(zhì)高反射層53 上，對(duì)液晶分子起到定向作用；第二腔體55內(nèi)灌有液晶，實(shí)現(xiàn)法布里-珀羅腔對(duì) 液晶分子定向方向的線偏振光起電可調(diào)諧濾光作用。第四法布里-珀羅腔5、第 五法布里-珀羅腔6和第六法布里-珀羅腔7起調(diào)諧作用的線偏振方向即液晶分子 定向方向是一致的。其中所述的起偏器4與檢偏器8的透光軸方向一致，且與 第四法布里-珀羅腔5、第五法布里-珀羅腔6和第六法布里-珀羅腔7的液晶分子 定向方向一致。
上述結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)高反射層為采用高低折射率薄膜材料交替鍍制的膜層所 構(gòu)成的反射鏡。起偏器和檢偏器可以是薄膜偏振片或偏振棱鏡。液晶定向?qū)涌?以采用有機(jī)涂敷的薄膜進(jìn)行一定方向摩擦，也可以采用斜蒸鍍無(wú)機(jī)材料或光刻 一定方向的微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧時(shí)，在可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)的每一個(gè)法 布里-珀羅腔的ITO導(dǎo)電膜上加電壓，并分別調(diào)節(jié)電壓值。
上述可調(diào)諧濾光片的調(diào)諧原理如下三個(gè)法布里-珀羅腔在外加電壓的作用 下，其腔長(zhǎng)或腔體內(nèi)所填充的材料折射率發(fā)生變化，使得每個(gè)法布里-珀羅腔的 透射峰的波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)。設(shè)置參數(shù)時(shí)，使得三個(gè)法布里-珀羅腔的透射率曲線中， 有一個(gè)透射峰的波長(zhǎng)位置是相同的，即透射峰重合，而其他的透射峰波長(zhǎng)均不 相同。由于光連續(xù)通過(guò)三個(gè)法布里-珀羅腔，因此只有和此峰值波長(zhǎng)相同的光波 可以通過(guò)，其它波長(zhǎng)無(wú)法通過(guò)。調(diào)節(jié)電壓時(shí)，可以依次調(diào)節(jié)各個(gè)法布里-珀羅腔 的透射峰位置，但始終保持只有一個(gè)峰值是重合的，就可以使得系統(tǒng)的透射波 長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)，這就是可調(diào)諧濾光片的工作原理。
上面敘述了三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理，接著 通過(guò)一個(gè)具體實(shí)施例來(lái)闡述本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路和一些參數(shù)的確定。為了便于實(shí) 施方式的闡述，將上述各種可調(diào)諧法布里-珀羅腔簡(jiǎn)化為電可控光學(xué)腔長(zhǎng)nd的法 布里-珀羅腔，這樣的簡(jiǎn)化不影響本發(fā)明的基本思想。實(shí)現(xiàn)三級(jí)法布里-珀羅腔型 可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)在400-700nm光譜區(qū)內(nèi)光譜分辨率為4.0nm窄帶可調(diào)諧濾光
的實(shí)施步驟如下1) 法布里-珀羅腔的總相位由腔體相位和高反射層相位兩部分構(gòu)成，即^;i) = 2m/C2;r/;i-^^)-其中腔體相位2"^[2; //1與波長(zhǎng)成反比，介質(zhì)高反層的反射相位仍當(dāng)只考慮腔體相位時(shí)，自由光譜區(qū)在短波向長(zhǎng)波方向是逐漸變大的，如圖3。在考慮高反射層相位的情況下，自由光譜區(qū)在總體仍有上述趨勢(shì)，局部可能不滿足上述趨勢(shì)。
2) 濾光片的峰值半高全寬度A義;i/m;r[2(1-p)/V^，可見(jiàn)峰值半高寬隨波長(zhǎng)增大而增大，隨著干涉級(jí)次和反射率的增大而減小。假設(shè)法布里-珀羅腔光學(xué)腔長(zhǎng)4um且不考慮反射相位的情況下，選取最大波長(zhǎng)/U700"附，級(jí)次附=「8000/700=12 ， 反射率p = 0.90 ， 則單個(gè)法布里-珀羅腔△I = (700/ 12;r)02(1 - 0.90)/ = 4.0"附，必然滿足濾光片系統(tǒng)光譜分辨率4.0腦系統(tǒng)要求。
3) 根據(jù)上述l)和2)的分析，采用兩個(gè)完全相同結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧法布里-珀羅腔，這兩個(gè)法布里-珀羅腔光學(xué)腔長(zhǎng)需要根據(jù)其調(diào)諧能力確定，調(diào)諧能力要大于最大的兩個(gè)自由光譜區(qū)之和，即2A(W)D2;rA^〉2x2;r。由于實(shí)際使用液晶E44材料，其八"=0.26，因此取光學(xué)腔長(zhǎng)為4um，其中一個(gè)法布里-珀羅腔過(guò)級(jí)對(duì)準(zhǔn)，這樣可以使離濾光波長(zhǎng)較遠(yuǎn)的透射峰被抑制，這是利用自由光譜區(qū)從短波向長(zhǎng)波逐漸變大這一現(xiàn)象。其中所述的過(guò)級(jí)對(duì)準(zhǔn)，其含義是兩個(gè)相同的法布里-珀羅腔在相同的條件下可以得到相同透射曲線，圖4 (a)代表第一個(gè)法布里-珀羅腔的透射曲線和圖4 (b)代表第二個(gè)法布里-珀羅腔的透射曲線。為了更好地闡述，不妨假設(shè)所濾波長(zhǎng)為540nm，那么首先將第一個(gè)法布里-珀羅腔的波長(zhǎng)小于等于540nm又最靠近540nm的這一級(jí)次K=15的透射峰調(diào)諧至540nm，即調(diào)節(jié)光學(xué)腔長(zhǎng)至4.125um,如圖4 (a')。再將第二個(gè)法布里-珀羅腔的第K+l=16級(jí)次的透射峰調(diào)諧至540nm，即調(diào)節(jié)光學(xué)腔長(zhǎng)至4.4um，如圖4(b，)，這種情況下兩個(gè)FP的合透射曲線如圖4 (c)。
4) 再加入第三個(gè)法布里-珀羅腔，腔長(zhǎng)的確定需要保證法布里-珀羅腔調(diào)諧能力要大于最大的自由光譜區(qū)，且自由光譜區(qū)與上述兩個(gè)相同法布里-珀羅腔的自由光譜區(qū)要有合適的差別，使濾光波長(zhǎng)附近的透射峰抑制。取其光學(xué)腔長(zhǎng)為3um。第三個(gè)法布里-珀羅腔調(diào)諧至540nm，即調(diào)節(jié)光學(xué)腔長(zhǎng)至3.025um，透射曲線如圖4 (d)，三個(gè)法布里-珀羅腔濾光片系統(tǒng)濾得540nm峰值的透射曲線如圖
4 (e)。濾光片系統(tǒng)濾得400nm和700nm峰值的透射曲線分別見(jiàn)圖5 (a)和圖
5 (b)。
5) 至于是否需要加偏振片，就看可調(diào)諧法布里-珀羅腔是否只對(duì)一個(gè)方向的線偏振光起作用，并且偏振片透光軸方向應(yīng)是可調(diào)諧法布里-珀羅腔起調(diào)諧作用的偏振方向。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可顯見(jiàn)，本發(fā)明上述概述并不意味著闡述了本發(fā)明的每一個(gè)示例性的實(shí)施例或每一種實(shí)施方式，容易對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和形式替換而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，旨在使本發(fā)明覆蓋落在所附權(quán)利要求書(shū)及其等效技術(shù)方案范圍內(nèi)的對(duì)本發(fā)明的修改、替換及其等同形式。
權(quán)利要求
1、一種三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)，其特征在于第一法布里-珀羅腔(1)、第二法布里-珀羅腔(2)和第三法布里-珀羅腔(3)以任意次序疊加而成，第一法布里-珀羅腔(1)、第二法布里-珀羅腔(2)和第三法布里-珀羅腔(3)的結(jié)構(gòu)相同，法布里-珀羅腔包括第一玻璃基板(11)、第一ITO導(dǎo)電薄膜(12)、第一介質(zhì)高反射層(13)和第一腔體(14)，第一腔體(14)上、下方分別設(shè)有第一介質(zhì)高反射層(13)、第一ITO導(dǎo)電薄膜(12)和第一玻璃基板(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)，其 特征在于所述的第一法布里-珀羅腔(1)與第二法布里-珀羅腔(2)的腔長(zhǎng)相同。
3、 一種三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)，其特征在于包括起偏器 (4)、第四法布里-珀羅腔(5)、第五法布里-珀羅腔(6)、第六法布里-珀羅腔 (7)和檢偏器(8)，其中第四法布里-珀羅腔(5)、第五法布里-珀羅腔(6)、第六法布里-珀羅腔(7)的次序是任意疊加，起偏器(4)、檢偏器(8)在第四 法布里-珀羅腔(5)、第五法布里-珀羅腔(6)、第六法布里-珀羅腔(7)的兩側(cè)， 第四法布里-珀羅腔(5)、第五法布里-珀羅腔(6)、第六法布里-珀羅腔(7)的 結(jié)構(gòu)相同，法布里-珀羅腔包括第二玻璃基板(51)、第二ITO導(dǎo)電薄膜(52)、 第二介質(zhì)高反射層(53)、液晶定向?qū)?54)和第二腔體(55)，第二腔體(55) 上、下方分別設(shè)有液晶定向?qū)?54)、第二介質(zhì)高反射層(53)、第二ITO導(dǎo)電 薄膜(52)和第二玻璃基板(51)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)，其 特征在于所述的第四法布里-珀羅腔(5)與第五法布里-珀羅腔(6)的腔長(zhǎng)相同； 第四法布里-珀羅腔(5)、第五法布里-珀羅腔(6)、第六法布里-珀羅腔(7)起 調(diào)諧作用的線偏振方向與液晶分子定向方向一致。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三級(jí)法布里-珀羅腔型可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)。有兩種結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)有三個(gè)法布里-珀羅腔構(gòu)成，其中法布里-珀羅腔是電可調(diào)諧的；第二種結(jié)構(gòu)有起偏器、三個(gè)法布里-珀羅腔和檢偏器構(gòu)成，其中法布里-珀羅腔只對(duì)通過(guò)起偏器的線偏振光起電可調(diào)諧作用。本發(fā)明通過(guò)三個(gè)法布里-珀羅腔的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的窄帶濾光，法布里-珀羅腔制作工藝成熟，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方便。還具有通光口徑大、裝配簡(jiǎn)易、濾光光譜范圍寬、光譜分辨率高的特點(diǎn)，可應(yīng)用于遙感探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02F1/01GK101533159SQ200910097338
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者旭 劉, 李海峰, 楊國(guó)偉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)