一种使用可调谐法布里-珀罗滤波器的光谱分析设备

摘要

本发明涉及一种使用可调谐法布里-珀罗滤波器的光谱分析设备，包括一个光学隔离器，一个偏振分光器，一个平行线偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器、一个垂直线偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器、两个光电探测装置以及驱动控制和数据分析系统。所述可调谐法布里-珀罗滤波器包括两种设计方案：第一种设计方案的主要技术特点是：包括第一带通滤波器、液晶相位调制器、第二带通滤波器和驱动电路，驱动电路通过控制法布里-珀罗腔内液晶材料的有效折射率实现滤波器的调谐功能。第二种设计方案与第一种设计方案的区别是：所述第一和第二带通滤波器分别由一个长波通和一个短波通且具有不同截止频谱的阶跃式滤波器所替代。

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，尤其是一种采用了可调谐法布里-珀罗滤波器的光谱分析设备。

背景技术

由于传统的光栅能够在大的光谱范围内具有很高光谱分辨率，因此，传统的光谱测量和分析设备一般采用反射型或透射型光栅。其缺点的，一般需要用精密步进马达带动光栅进行扫描。因此，常用的光栅光谱分析设备尺寸比较大，容易受机械震动的影响，且价格昂贵。

传统的光学法布里-珀罗标准具是一种利用多光束干涉原理制作的滤波器件，主要有两种类型：一种是空气间隔的，一种是光学玻璃间隔的。通过两个通光面上多层介质膜的高反射率所形成法布里-珀罗腔的多光束干涉效应，可以实现在宽频谱范围内的多波长窄带滤波输出，而且具有性能稳定、通光孔径大、光功率破坏阈值高、结构简单和成本低等特性，因此，被广泛应用于各类激光器、光学测量仪器和光纤通讯器件中。

利用传统的光学法布里-珀罗标准具可以实现透射光频率的调谐功能。对于空气间隔的法布里-珀罗标准具，可通过改变光的入射角度进行调谐，但是这种方法的调谐范围很小；也可以采用用机械方法（如步进马达）改变法布里-珀罗标准具的腔长进行调谐，这种方法可以实现大的调谐范围，但调谐精度低，而且对机械部件的精度要求高，稳定性不好。另外，采用PZT压电陶瓷（锆钛酸铅）技术通过改变法布里-珀罗标准具的腔长，可以提高调谐精度和速度，但是不易做到小型化，且驱动电路也较复杂；改变标准具的温度也可以实现较大范围的调谐，但是，该方法的缺点是速度慢。同时，单一法布里-珀罗标准具的滤波输出特性是一个光频率间隔为自由光谱范围的多模输出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，将液晶相位调制器放置在法布里-珀罗标准具的腔内实现对透过法布里-珀罗滤波器的线偏振光频率的连续、快速和精密调谐功能， 并将法布里-珀罗腔的两个反射面设置为带通滤波器或阶跃式滤波器和根据所设置的所述带通滤波器的透射带宽或所述阶跃式滤波器的透射带宽来设置法布里-珀罗腔的自由光谱范围实现所述可调谐法布里-珀罗滤波器的单模输出。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

第一种结构：一种使用可调谐法布里-珀罗滤波器的光谱分析设备包括依次安装起来的一个光学隔离器、一个偏振分光器、一个平行偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器、一个垂直偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器、第一光电探测装置、第二光电探测装置、所述平行偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源、所述垂直偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源、所述第一光电探测器的驱动和信号接收电路、所述第二光电探测器的驱动和信号接收电路以及驱动控制和数据分析系统，入射光首先通过所述光学隔离器后，经所述偏振分光器将入射光分成平行偏振光和垂直偏振光，所述平行偏振光通过所述平行偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器后，被所述第一光电探测装置接收，所述垂直偏振光通过所述垂直偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器后，被所述第二光电探测装置接收，由所述驱动控制和数据分析系统进行频谱数据分析。

而且，所述平行偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器包括第一带通滤波器、液晶相位调制器和第二带通滤波器，液晶相位调制器设置在由第一带通滤波器和第二带通滤波器构成的法布里-珀罗滤波器的腔内，通过控制法布里-珀罗腔内液晶相位调制器实现滤波器的调谐功能。

而且，所述的第一带通滤波器和第二带通滤波器是一种在光学透明材料的内表面上设置的多层介质膜的带通滤波器并具有相同的透射带宽，在所述带通滤波器的通带内可根据对透射光的锐度系数的要求设置不同的反射率，反射率越高，透射光的频谱越窄，一般对于光谱分析的应用，该反射率设置在70% 和95%之间，在通带以外设置100%或接近100%的反射率，且在光学透明材料的外表面上设置光学增透膜。

而且，所述的第一带通滤波器和第二带通滤波器的通带宽度小于所述法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围，使得透过所述可调谐窄带光学滤波设备的光信号为单模光信号。

第二种结构：一种使用可调谐法布里-珀罗滤波器的光谱分析设备包括一个长波通阶跃滤波器、液晶相位调制器和一个短波通阶跃滤波器，液晶相位调制器设置在由所述长波通阶跃滤波器和所述短波通阶跃滤波器构成的法布里-珀罗滤波器的腔内，通过控制所述法布里-珀罗腔内液晶相位调制器实现滤波器的调谐功能，根据所需的透射光带宽的要求，通过对所述的长波通阶跃滤波器和短波通阶跃滤波器设置不同的截止光频率和所述可调谐法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围，可以控制透过所述可调谐窄带光学滤波设备的光信号的模的数量。

而且，所述的长波通阶跃滤波器和短波通阶跃滤波器是一种在光学透明材料的内表面上设置的多层介质膜的光学滤波器，所述的长波通阶跃滤波器对于小于截止频率的光具有100%或接近100%的反射率，所述的短波通阶跃滤波器对于大于截止频率的光具有100%或接近100%的反射率；在所述的长波通阶跃滤波器和短波通阶跃滤波器的通带内可根据对透射光的锐度系数设置不同的反射率，一般对于光谱分析的应用，该反射率设置在70% 和95%之间，且在光学透明材料的外表面上设置光学增透膜，所述的长波通阶跃滤波器的截止频率小于所述的短波通阶跃滤波器的截止频率，由所述的长波通阶跃滤波器的截止频率和所述短波通阶跃滤波器的截止频率构成所述的法布里-珀罗滤波器的通带范围，该通带范围大于所述的法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围以实现单模输出。

而且，所述的液晶相位调制器采用的是向列相型液晶材料，液晶材料的厚度为几微米至十几微米。

而且，所述垂直偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器与所述平行偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器具有相同的结构，但光轴与所述平行偏振光可调谐法布里-珀罗滤波器垂直。

而且，所述控制电路和数据分析系统包括一个以数字信号处理器以及嵌入式软件为核心的系统用于控制所述平行可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源、所述垂直可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源、驱动第一光电探测器和接收第一光电探测器的光功率信号、驱动第二光电探测器和接收第二光电探测器的光功率信号以及接收外界控制信号和输出信号，以实现所述光谱分析设备对入射光的功率和光谱的检测功能。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，实现对所测光信号的功率和频谱进行连续、快速和精密的测试，具有结构简单、无机械移动部件、性能稳定可靠、成本低、尺寸小、易于安装及生产等特点，可满足对于要求尺寸小和极端工作环境下的可靠运行，可广泛用于在激光器、光学测试、光纤通讯、生物、医疗器械和光纤传感器网络等领域中。

附图说明

图1是一个普通法布里-珀罗标准具的示意图；

图2是一种液晶相位调制器的结构示意图；

图3是光透过液晶相位调制器的相位随外加电场的变化曲线；

图4是液晶相位调制器的驱动电信号的示意图；

图5是一种可调谐法布里-珀罗滤波器的结构示意图；

图6是第一和第二带通滤波器的透射光谱的示意图；

图7是长波通阶跃滤波器的透射光谱示意图；

图8是短波通阶跃滤波器的透射光谱示意图；

图9是普通法布里-珀罗标准具的透射光谱示意图；

图10是可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光谱示意图；

图11是本发明的示意图；

图12是本发明的系统控制和数据分析系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

图1给出了一种普通的法布里-珀罗（ Fabry-Perot）光标准具100的示意图。该法布里-珀罗光标准具100的材料一般在近红外和可见光波段使用象融石英或BK7这样的光学玻璃，假设材料的折射率为n，两个通光面2 和4都镀高反射膜，其反射率为 R, 厚度为h，光以接近零度的入射角入射，则只有满足2nh=mλ, 才能透过标准具，其中m是透射光的级次。光标准具100的自由光谱范围FSR₁可以表示为：Δλ=λ²/(2nh),或用频率表示：Δν=c/(2nh),其中c 是光速。透射光的峰值频率可以表示为：ν=mc/(2nh),其中m是干涉级次，透射光的频率带宽可以表示为：

Δν_1/2（FWHM）=c(1-R)/(2nhR^1/2)，其中c是光速。

从上述两个公式可以看出，光标准具100的自由光谱范围FSR₁与厚度为h成反比。假设材料的折射率为n=1.5，要实现FSR₁=100GHz，厚度h≈1毫米。自由光谱范围FSR₁越大，其厚度就越小。在标准具的材料和厚度确定后，透射光的频率带宽主要和反射率R有关，反射率越高，频率宽带或锐度（finesse）越小。法布里-珀罗（ Fabry-Perot）光标准具的透射光谱的特点是每个透射谱的带宽可以做到非常窄，透射光谱的频率间隔相等并且光频带宽度非常宽，一般可覆盖100纳米以上的光频谱带，如图 9所示。

由于一般用作光电器件的液晶材料具有高的电阻率，因此，可以被认为是理想的电介质材料。由于构成分子的有序取向和拉伸延长的形态，液晶具有各向异性的电介质特性和单轴对称性，就象一个单轴晶体一样，其光轴的方向与分子的排列取向一致。当液晶分子在外界电场的作用下，会形成电偶极子。在电偶极子所形成的力矩作用下，使得液晶分子的取向转向电场的方向，可以通过改变电场的强弱，改变液晶的光轴的方向。因此，可以利用液晶的这一特性制作光相位调制器，可调谐滤波器或其他光电器件，如光开关和光强调制器等。一般用作光电器件的液晶膜层的厚度为几微米到十几微米。本发明正是利用液晶在电场作用下对线偏振光的折射率产生改变这一特性设计而成。

图2是一个液晶相位调制器200的结构示意图，包括外层光学透明材料12和24，透明电极层16和26，隔离层19和液晶层18.一般在光学透明材料12和24的内外两侧表面5和7镀光学增透膜。液晶相位调谐器的两个透明电极16和26与驱动电路14相连接，由驱动电路产生的驱动信号在两透明电极膜层之间形成驱动电场，利用电场改变Fabry-Perot腔内液晶的有效折射率n，来调节法布里-珀罗滤波器的透射光的光频率ν和自由光谱范围（FSR）。图3给出了一个厚度约为10微米的向列相型液晶在2KHz，最大幅度为+/-5伏的方波电压的驱动下(如图4所示)，对光波长为1550纳米光波相位变化的关系示意图。最大可实现约2π的光相位延迟。

图5所示是可调谐法布里-珀罗滤波器的第一种结构，可调谐法布里-珀罗滤波器300包括第一带通滤波器10、液晶相位调制器200、第二带通滤波器20和驱动电路14，第一带通滤波器10和第二带通滤波器20分别为在光学透明材料9和23的外表面8和22或内表面11和21上镀多层介质膜来实现。第一带通滤波器10和第二带通滤波器20具有相同的滤波特性，如图6所示，在通带范围ν₁ 与ν₂之间（滤波区间32），反射率为R，反射率越高，透射光谱约窄（一般对于光通讯应用，该反射率在70%到95%之间，对于其他应用，则根据要求专门设置），小于ν₁（滤波区间30）或大于ν₂（滤波区间34） 反射率为100%或接近100%，而现代镀膜技术可以把这个通带频谱范围做到大于100纳米。

第一种带通滤波器设计方案：如在光学透明材料9和23的外表面8和22上镀带通滤波器多层介质膜，在两个滤波器10和20之间形成法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔的长度为D₁。第二种带通滤波器设计方案：如在光学透明材料9和23的内表面11和21上镀带通滤波器多层介质膜，则在两个滤波器10和20之间形成法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔的长度为D₂，显然，由于D₁要大于D₂。因此，第一种带通滤波器设计方案能够实现的法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围要小于第二种设计方案。当然，也可以在光学透明材料12和24的内侧和透明电极层16和26之间直接镀多层介质膜滤波器来实现，这样，由于液晶的厚度很小（几微米到十几微米），因此，可以实现本征自由光谱范围（即在无外加电场时的可调谐滤波器的自由光谱范围）更大的可调谐法布里-珀罗滤波器，但滤波器制作难度比较大。

   以上述第一种带通滤波器设计方案为例， 在图5中，入射到滤波器 300的光束6是一束沿z 方向传播，偏振轴为x 方向的线偏振光，与液晶相位调制器200的光轴方向相同，假设光透明材料的折射率为n，则在通带范围ν₁ 与ν₂之间，只有满足2nD₁+Γ=mλ的光才能透过标准具，其中m是透射光的级次。滤波器300的自由光谱范围FSR₂为：Δλ=λ²/(2nD₁+Γ),或用频率表示：  Δν=c/(2nD₁+Γ),其中c 是光速, Γ代表由液晶在外加电场作用下由折射改变对入射光所产生的光程,透射光的峰值频率可以表示为：ν=mc/(2nD₁+Γ),其中m是干涉级次，透射光的频率宽带可以表示为：

Δν（FWHM）=c(1-R)/((2nD₁+Γ)R^1/2)，其中c 是光速。

根据上述公式，可调谐法布里-珀罗滤波器300对于接近零度入射的线偏振光，假设n=1.5,D₁=1毫米，λ=1550纳米，可以得到约150GHz的透射光峰值频率的调谐范围（约为滤波器300的本征自由光谱范围FSR₁的1.5倍）。相比较而言，根据上面的公式，对自由光谱范围Δν和透射光的频带宽带的改变要小的多。可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光谱示意图如图 10所示。

由此可见，可调谐法布里-珀罗滤波器300 在外加电场的作用下，可以实现较大范围的透射光峰值频率的调谐而基本不改变透射光的频率宽带和自由光谱范围。这个特性对于可调谐法布里-珀罗滤波器300的许多应用，如应用于激光器和频谱仪器等具有重要意义。同样地，对第二种带通滤波器设计方案也可以作相同的分析。在通带范围ν₁ 与ν₂以外的频谱区间30和34，由于带通滤波器10和20的反射率为100%或接近100%，因此，这部分入射光被滤波器300阻止了。

由以上分析可以看出，当滤波器300的本征自由光谱范围FSR₁大于通带范围ν₂-ν₁ 时，只有一个模透过滤波器300；当FSR₂小于通带范围ν₂-ν₁ ，而大于0.5倍的（ν₂-ν₁ ）时，只有2个模透过滤波器300. 因此，当第一带通滤波器10和第二带通滤波器20的通带范围确定后，可以通过设置本征自由光谱范围FSR，实现在该通带范围内，滤波器300的单模或2和2个以上模的可调谐输出。由于图6显示的是一个理想的滤波器的滤波器特性曲线，实际上，上述带通滤波器在频谱区间30和32，32和34的过渡时，不会是一个跳变，而是存在一个过渡区间，因此，在设置第一带通滤波器10和第二带通滤波器20的通带范围时，还要考虑上述因素。

对于通带范围ν₂-ν₁ 较大的情况，如大于50纳米，带通滤波器10和带通滤波器20的制作难度比较大，特别是，如要求在频谱区间30和32，32和34的过渡区间小的情况，则难度更大。为此，设计了可调谐法布里-珀罗滤波器的第二种结构： 该结构采用一种阶跃式滤波器。这个设计结构使用了两个具有不同滤波范围的阶跃式滤波器分别代替第一带通滤波器10和第二带通滤波器20。如图7所示，是一个长波通阶跃式滤波器，光频率大于ν₁的光具有反射率为R,而光频率小于ν₁的光具有反射率为100%或接近100%，用该长波通滤波器代替带通滤波器10。图8所示的是一个短波通阶跃式滤波器，光频率小于ν₂的光具有反射率为R,而光频率大于ν₂的光具有反射率为100%或接近100%，用该短波通滤波器代替带通滤波器20，显然，这个使用长波通和短波通阶跃式滤波器的结构对滤波器300的功能与上述使用带通滤波器的设计方案是相同的。

这个使用长波通和短波通阶跃式滤波器的第二种结构的优点是:(1)相对容易实现大的通带范围（ν₂-ν₁），（2）相对容易实现比较小的从截止到通带或从通带到截止带的频谱过渡，由于滤波器300具有对称性和光路的可逆性，因此，把上述两个阶跃式滤波器互换，不影响滤波器300的性能。

图11是本发明的示意图。一种光谱分析设备500包括一个光学隔离器42、偏振分光器46、可调谐法布里-珀罗滤波器300、第一光电探测器52、可调谐法布里-珀罗滤波器400、第二光电探测器56以及一个控制和数据分析系统，如图12所示，该系统包括可调谐法布里-珀罗滤波器300和400的驱动源60和62、第一光电探测器52的驱动和信号接收电路64、第二光电探测器56的驱动和信号接收电路66、和控制电路和数据分析系统68，需要说明的是可调谐法布里-珀罗滤波器400与可调谐法布里-珀罗滤波器300具有相同的结构，具有单模输出特性，但光轴与其成90度，光学隔离器42是为防止光谱分析设备500的反射光对被测系统的影响，用于隔离从偏振分光器46等反射的光束，同时对入射光产生一定的插损。

一束宽带准直光束40经过光学隔离器42入射进入偏振分光器46，被分成两束偏振态相互垂直的P光48和S光54，P光48透过可调谐法布里-珀罗滤波器300后进入第一光电探测器52，S光54透过可调谐法布里-珀罗滤波器400后进入第二光电探测器56，当驱动源60和62同时对可调谐法布里-珀罗滤波器300和400进行调谐时，即对入射光40的两光偏振分量（P光48和S光54）的频谱进行扫描，其输出光强分别由第一光电探测器52和第二光电探测器56检测得到，再由控制电路和数据分析系统68进行数据分析给出光束40的频谱数据。本发明对入射光的偏振态不敏感。

需要强调的是，上述说明仅起演示和描述的作用，并不是一个详细无遗漏的说明，也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。经过上面的描述，对本发明的许多改动和变化都可能出现。所选择的具体实施仅仅是为了更好的解释本发明的原理和实际中的应用。这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好的利用本发明，根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。