基于薄膜滤光片的可调谐滤波器及其应用的研究

摘要

可调谐滤波器是光通信系统和光纤传感应用领域的重要光器件。基于介质薄膜滤光片的可调谐滤波器因具有通带窄、插入损耗低、结构小、温度稳定性好和波长调谐范围大等优点而被广泛应用。
　　本论文主要基于薄膜光干涉滤波原理，分别对采用步进电机细分驱动技术和直流电机PWM(Pulse Width Modulation)控制技术控制的设计两款可调谐滤波器的原理和结构作了详细的阐述。在测试和对比两种可调谐滤波器输出特性的基础上，对它们的各自应用方向进行分析和研究。本工作中通过步进电机细分驱动技术控制的可调谐滤波器能够在近50nm(1525nm～1583nm)范围内实现波长可调，当以最小步进角运行时，滤波器的波长移动间隔小于0.03nm。本文还基于步进电机控制的可调谐滤波器的光路结构基础上，对它的光路结构进行改进，并通过采用直流电机PWM控制技术设计出了另一款可周期性地输出系列连续窄带峰的可调谐滤波器，它能够有效解决普通步进电机控制的可调谐滤波器存在的多次转到相同角度时会出现角度不重合、改变波长时要重新归零、调节效率不高等问题。文章还提出了采用线偏振光来消除可调谐滤波器中的P、S偏振光分离对滤波器输出特性影响的方法，并通过在实验中采用偏振控器控制入射光的偏振态来改善滤波器的输出波形的方法来验证这种方法的可行性。
　　在分析和研究所设计的两款滤波器具体应用的基础上，研究了基于直流电机控制的可调谐滤波器的中心波长测量方法。文中详细分析了基于可调谐滤器的中心波长测量原理，并推导出了待测中心波长与测量时间的关系式。最后，本文还对直流电机控制的可调谐滤波器在光栅中心波长和可调谐激光器中心波长的具体应用做了详细的分析和实验测量，进一步验证了此种测量方法的可行性。

目录

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摘要

Contents

第1章 绪论

1．1 介质薄膜滤光片的概述

1．1．1 介质薄膜滤光片的基本结构

1．1．2 介质薄膜滤光片是基于干涉原理实现滤波功能

1．1．3 单腔滤光片和多腔滤光片结构

1．1．4 单腔与多腔滤光片的输出特性对比

1．2 基于介质薄膜滤光片可调谐滤波器的研究现状

1．2．1 可调谐滤波器的分类

1．2．2 基于介质薄膜滤光片可调谐滤波器的在光学中的应用

1．2．3 基于介质薄膜滤光片设计成角度调谐滤波器

1．2．4 基于介质薄膜的可调谐滤波器的研究现状

1．3 论文的主要工作与创新点

1．3．1 本文的主要工作

1．3．2 本文的主要创新点

第2章 基于薄膜滤光片的可调谐滤波器的基本原理

2．1 介质薄膜光学滤波原理

2．1．1 单层薄膜的干涉原理

2．1．2 多层薄膜的干涉原理

2．1．3 多层介质薄膜的单层等效原理

2．2 基于介质薄膜滤光片的角度可调谐原理

2．2．1 薄膜的双光束干涉

2．2．2 介质薄膜滤光片的输出波长与入射角的关系

2．3 斜入射时介质薄膜滤光片中的P、S偏振态分离原理

2．4 本章小结

第3章 采用电机控制的可调谐滤波器的设计

3．1 采用电机控制入射角实现波长可调谐功能

3．2 采用步进电机细分驱动技术控制的可调谐滤波器的设计

3．2．1 采用步进电机控制光的入射角

3．2．2 步进电机细分驱动技术

3．2．3 基于薄膜滤光片的可调谐滤波器的光路结构

3．2．4 步进电机细分驱动控制的滤波器输出特性

3．3 采用直流电机PWM技术控制的可调谐滤波器的设计

3．3．1 直流电机PWM控制技术

3．3．2 直流电机控制的滤波器的光路设计

3．3．3 直流电机控制的可调谐滤波器的输出特性

3．4 P、S偏振光分离对滤波器输出特性的影响及解决方法

3．4．1 P、S偏振光分离对滤波器输出特性的影响

3．4．2 消除两偏振光分离对滤波器输出特性影响的措施

3．5 本章小结

第4章 可调谐滤波器的应用实例

4．1 直流电机控制的可调滤波器在光栅中心波长测量中的应用

4．1．1 光纤光栅传感器

4．1．2 多种光栅中心波长解调方法比较

4．1．3 基于可调滤波器的光栅中心波长测量原理

4．1．4 光栅中心波长测量结果及讨论

4．2 直流电机控制的滤波器在激光器中心波长测量中的应用

4．2．1 基于可调谐滤波器的激光器的中心波长测量原理

4．2．2 可调谐激光器的中心波长测量结果及分析

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本论文的主要工作总结

5．2 对进一步研究工作的展望

参考文献

致谢