專利名稱：帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)濾波器，特別是一種帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器。
技術(shù)背景可調(diào)光學(xué)濾波器是一種能夠從寬帶光源信號中篩選出一定波長范圍信號的光學(xué)器件，是現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中的重要部件之一，在光通訊、光譜學(xué)、遠程遙感、超光譜/精細光譜等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。國際上已經(jīng)制作了多種光學(xué)濾波器，如法布里波羅濾波器、薄膜干涉濾波片、馬赫曾德爾干涉儀濾波器、光柵濾波器、波導(dǎo)濾波器等。但是，目前的這些濾波器只能調(diào)諧帶寬或者波長，而不能實現(xiàn)帶寬和波長的同時調(diào)諧。隨著光通訊技術(shù)和多光譜/精細光譜技術(shù)的發(fā)展，那種僅能調(diào)諧帶寬或波長的濾波器已不能滿足要求，越來越需要一種既可以調(diào)諧帶寬也可以調(diào)諧波長的可調(diào)光學(xué)濾波器以滿足未來的發(fā)展需要，因而近年來得到了廣泛的關(guān)注。Philip E. Buchshaum等人利用兩個鍍有厚度呈線性變化的干涉膜的光學(xué)基板開發(fā)出帶寬和波長同時可調(diào)的光學(xué)濾波器，其中干涉膜的厚度從基板的一邊到另一邊呈楔形變化。當光的入射位置從楔形濾波板的一端移向另一端時，濾波板所濾除光波的中心波長便隨之變化。該濾波器的波長可調(diào)性是通過線性地移動兩片楔形基板來實現(xiàn)的；而帶寬的改變則是通過在線性變化的基板間引入一個位移差來實現(xiàn)。其缺點是制作復(fù)雜、成本高。2011年，丁運鴻小組提出并制作了基于馬赫——曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的帶寬和波長同時可調(diào)的光學(xué)濾波器。但是，該濾波器的波長和帶寬的調(diào)諧范圍非常窄，分別只有4nm和
O.42nm，很難滿足實用的需要。
發(fā)明內(nèi)容針對以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、成本低廉、波長和帶寬的調(diào)諧范圍大且實用的帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器。一種帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器，包括濾波片和調(diào)節(jié)裝置，其特征在于 濾波片為膽固醇液晶片，由兩片平行排列的膽固醇液晶片構(gòu)成；調(diào)節(jié)裝置為平行調(diào)節(jié)裝置，兩片膽固醇液晶片設(shè)裝在各自的平行調(diào)節(jié)裝置上。所述的平行調(diào)節(jié)裝置是指能使兩片膽固醇液晶片平行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)裝置。本發(fā)明的目的是通過兩片平行排列且能平行調(diào)節(jié)的膽固醇液晶片實現(xiàn)的。所以，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、成本低廉、波長和帶寬的調(diào)諧范圍大(帶寬可以從27nm調(diào)節(jié)到80nm,中心波長則可以從480nm調(diào)節(jié)到618nm)、適用范圍廣、實用等優(yōu)點。與一般的可調(diào)光學(xué)濾波器相比，該光學(xué)濾波器既可以調(diào)節(jié)波長也可以改變帶寬，因此它既可以用于只要求改變波長或者帶寬的場合，也可以用于要求波長和帶寬同時改變的場合。與丁運鴻小組提出的基于馬赫——曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的帶寬和波長同時可調(diào)的光學(xué)濾波器相比，無論是帶寬還是波長調(diào)節(jié)范圍都大得多，帶寬可以從27nm調(diào)節(jié)到80nm，中心波長可以從480nm調(diào)節(jié)到618nm。其中中心波長可以根據(jù)需要改變膽固醇液晶分子中的手性分子的配比濃度在任意波長范圍調(diào)節(jié)，帶寬也可以通過采用高雙折射率的液晶材料來增寬，同時通過壓縮光斑大小來獲得更窄的帶寬，從而擴展帶寬的調(diào)節(jié)范圍，理論模擬表明最窄帶寬可以達到5nm，最寬帶寬則可以達·到300nm甚至更寬。與Philip E. Buchshaum等人發(fā)明的可調(diào)濾波器相比,不僅能實現(xiàn)同樣的功能,而且制備要簡單得多。因采用了膽固醇液晶片，只要適當?shù)卣{(diào)整手性分子的比例就能制備出我們需要的工作波長和帶寬范圍的可調(diào)濾波器，而且液晶材料非常便宜，所以采用膽固醇液晶制作這種帶寬和波長可變可調(diào)濾波器非常便宜。Philip E. Buchshaum等人發(fā)明的可調(diào)濾波器是采用鍍膜的方法來制備的，鍍膜這一方法本身就很復(fù)雜，成本很高，而在Phi I ipE. Buchshaum的可調(diào)濾波器中，基板上所鍍的膜的厚度還是線性變化的，其制備復(fù)雜和成本昂貴是不可想象的，可以說他們這一方法雖然原理上可行，實際上可操作性不大，難以工業(yè)化生產(chǎn)。

圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2a空間分布膽固醇液晶結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b空間分布膽固醇液晶實驗圖，圖3膽固醇液晶在不同位置的反射譜，圖4a是帶寬可變可調(diào)光學(xué)濾波器調(diào)節(jié)中心波長的原理圖，圖4b是帶寬可變可調(diào)光學(xué)濾波器調(diào)諧波長的實驗結(jié)果，圖5a是帶寬可變可調(diào)光學(xué)濾波器調(diào)節(jié)帶寬的原理圖，圖5b是帶寬可變可調(diào)光學(xué)濾波器改變帶寬的實驗結(jié)果。圖中圖中膽固醇液晶片I (其中第一空間分布膽固醇液晶片101、第二空間分布膽固醇液晶片102)、調(diào)節(jié)裝置2(其中第一膽固醇液晶片調(diào)節(jié)裝置201、第二膽固醇液晶片調(diào)節(jié)裝置202)、縮進螺桿3、步進馬達4、開關(guān)5、馬達電源6、調(diào)節(jié)裝置滑軌7。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例進行詳述圖I是本發(fā)明的一種帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器。包括濾波片和調(diào)節(jié)裝置2，其要點是濾波片為膽固醇液晶片1，由兩片平行排列的膽固醇液晶片I構(gòu)成；調(diào)節(jié)裝置2為平行調(diào)節(jié)裝置，兩片膽固醇液晶片I設(shè)裝在各自的平行調(diào)節(jié)裝置上。圖中的調(diào)節(jié)裝置2為步進馬達調(diào)節(jié)裝置，包括縮進螺桿3、步進馬達4、開關(guān)5、馬達電源6、調(diào)節(jié)裝置滑軌7等；用來調(diào)節(jié)兩片膽固醇液晶片相對于入射光的空間位置，使兩片膽固醇液晶片始終處于平行狀態(tài)。顯然也可采用壓電陶瓷、MEMS等調(diào)節(jié)裝置。其中每一片膽固醇液晶片I可以是單片左旋或者右旋膽固醇液晶片，也可以是由一片左旋膽固醇液晶片和一片右旋膽固醇液晶片組成，為了敘述簡單，這里我們以單片右旋膽固醇液晶片為例來進行說明，如圖2所示。第一片空間分布膽固醇液晶片101和第二片空間分布膽固醇液晶片102是由同一膽固醇液晶混合物制備而成，它們具有相同的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2a所示。由圖2a可見，本發(fā)明所使用的空間分布膽固醇液晶片具有周期性螺旋結(jié)構(gòu)，且其螺距都是從膽固醇液晶片的一端到另一端成線性增長。由于液晶具有高雙折射率，膽固醇液晶片這種周期性螺旋結(jié)構(gòu)使得液晶的折射率呈周期性變化，相當于一維光子晶體，形成布拉格反射，其反射帶的中心波長由液晶的平均折射率η和膽固醇液晶的螺距Ptl決定λ 0=η · P0(I)其中n = (ne+n0)/2,ne和η。分別是液晶對e光和ο光的折射率,Pci由手性分子在膽固醇液晶混合物中所占的比重及其扭曲力常數(shù)決定
權(quán)利要求1.一種帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器，包括濾波片和調(diào)節(jié)裝置(2)，其特征在于濾波片為膽固醇液晶片(1)，由兩片平行排列的膽固醇液晶片(I)構(gòu)成；調(diào)節(jié)裝置(2)為平行調(diào)節(jié)裝置，兩片膽固醇液晶片(I)設(shè)裝在各自的平行調(diào)節(jié)裝置上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器，其特征在于膽固醇液晶片(I)為螺距隨膽固醇液晶一維或二維空間位置成線性變化的膽固醇液晶片。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器，其特征在于膽固醇液晶片(I)為含有多濃度手性分子的膽固醇液晶片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器，其特征在于膽固醇液晶片(I)為在膽固醇液晶中添加有高分子單體并在UV光照下形成聚合物網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)固的膽固醇液晶片，或為具有液晶相的高分子單體取代液晶分子并采用UV光照射固化形成膽固醇聚合膜片。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器，其特征在于膽固醇液晶片(I)為在膽固醇液晶中添加有高分子單體并在UV光照下形成聚合物網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)固的膽固醇液晶片，或為具有液晶相的高分子單體取代液晶分子并采用UV光照射固化形成膽固醇聚合膜片。
專利摘要本實用新型涉及一種光學(xué)濾波器，特別是一種帶寬和波長可變可調(diào)的光學(xué)濾波器。包括濾波片和調(diào)節(jié)裝置，其特征在于濾波片為膽固醇液晶片，由兩片平行排列的膽固醇液晶片構(gòu)成；調(diào)節(jié)裝置為平行調(diào)節(jié)裝置，兩片膽固醇液晶片設(shè)裝在各自的平行調(diào)節(jié)裝置上。所述的平行調(diào)節(jié)裝置是指能使膽固醇液晶片平行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)裝置。所以，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、成本低廉、波長和帶寬的調(diào)諧范圍大(帶寬可以從27nm調(diào)節(jié)到80nm，中心波長則可以從480nm調(diào)節(jié)到618nm)、適用范圍廣、實用等優(yōu)點。
文檔編號G02B5/20GK202735591SQ201220297288
公開日2013年2月13日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者黃玉華, 張世超 申請人:浙江師范大學(xué)