實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾光的方法
發(fā)布日期：2022-11-18瀏覽次數(shù)：163
可調(diào)諧帶通濾光器提供可調(diào)的透射光譜特征，比如中心波長(zhǎng)和帶寬，常用的類(lèi)型包括通過(guò)腔長(zhǎng)調(diào)諧的法布里-珀羅(FP)濾光器、通過(guò)角度調(diào)諧的干涉濾光片和光柵、以及液晶、聲光和布拉格光柵可調(diào)諧濾光器。
FP濾光器：窄帶通
我們以Thorlabs最新發(fā)布的FPQFA系列濾光器為例介紹。它們使用平凹?FP干涉腔?設(shè)計(jì)，通過(guò)壓電陶瓷控制腔長(zhǎng)，提供>80%共振透過(guò)率、30 GHz自由光譜范圍(對(duì)于1 μm中心波長(zhǎng)，帶寬為0.1 nm)以及<100 MHz光譜分辨率，非常適合用于InGaAs量子點(diǎn)、SiV和NV金剛石等弱發(fā)射量子光源的光譜分析。
FPQFA的非共焦腔設(shè)計(jì)(R=250 mm, d=5 mm)
安裝在POLARIS-K1E鏡架中FP濾光器
FPQFA可調(diào)諧濾光器有兩種主要用法：- 作為可調(diào)諧帶通濾光器選擇特定頻率的光。在此閉環(huán)系統(tǒng)中，分束鏡采樣一小部分透射光產(chǎn)生PID反饋信號(hào)，用于連續(xù)維持腔的共振。
- 作為掃描光譜儀分析精細(xì)光譜結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于SA系列干涉儀的用法。分束鏡采樣一小部分透射光用于測(cè)量光譜，并連接示波器查看。
可調(diào)諧濾光器用法 掃描光譜分析儀用法
無(wú)論哪種用法，入射光都需要和腔的基模相匹配。FPQFA濾光器的平凹腔設(shè)計(jì)支持束腰位于平面鏡上的基模，其束腰半徑取決于腔長(zhǎng)d和球面鏡曲率半徑R：
這種受約束的模式完全取決于FP腔的幾何規(guī)格和光波長(zhǎng)。但如果需要在下游光路中使用濾光器的透射光束，需注意凹面鏡對(duì)于束腰大小和位置都略有影響。
平凹腔的基模匹配示意圖
為了使入射光滿(mǎn)足模式匹配條件，可用透鏡對(duì)其整形，使聚焦束腰和基模束腰具有相同的位置和半徑，并且入射光方向和腔模方向相同。下面分別介紹自由空間準(zhǔn)直光束和光纖發(fā)散光束的模式匹配方法。
自由空間光束：入射光通常為高斯光束，使其束腰位于聚焦透鏡處，而束腰尺寸可用刀口法或光束輪廓儀測(cè)量。通過(guò)透鏡聚焦后，聚焦光束的束腰半徑以及到透鏡的距離分別為：
自由空間光束聚焦示意圖
因此，焦距f越小，聚焦束腰越小。如果裝置由于空間限制無(wú)法使用短焦距透鏡，可增加入射束腰半徑，以此提高透鏡焦距。上面兩式中z?為入射光束的瑞利距離，如果z?遠(yuǎn)大于f，則兩式簡(jiǎn)化為：
為了實(shí)現(xiàn)模式匹配，聚焦束腰半徑ω?需等于腔的基模束腰半徑ωcav，由此可計(jì)算透鏡焦距：
舉例而言，對(duì)于TC06三合光纖準(zhǔn)直器的輸出光束，ω?為0.56 mm，腔的基模束腰ωcav在633 nm波長(zhǎng)處為84 μm，因此可算出焦距f為233 mm；因此焦距250 mm的透鏡是比較合理的選擇。對(duì)于相同的初始束腰半徑，為了匹配1300 nm波長(zhǎng)處的120 μm基模束腰半徑，計(jì)算焦距為163 mm；因此使用焦距為150或175 mm的透鏡都是比較合理的選擇。
單模光纖輸出：可考慮使用CFC5A或PAF2-7A可調(diào)光纖準(zhǔn)直器，使光纖輸出產(chǎn)生所需的束腰大小。光纖輸出的初始束腰半徑為： θ是光纖接收角。對(duì)于780HP光纖，θ在845 nm波長(zhǎng)處約為0.13，因此ω?為2.06 μm。如果光纖端面到準(zhǔn)直透鏡距離為 則準(zhǔn)直器輸出束腰半徑為ω?的光束，且束腰到透鏡的距離為
在選擇準(zhǔn)直器時(shí)，需使其相對(duì)于腔處于一個(gè)合適的距離，也就是使d?的大小合適。比如，對(duì)于ω? = 2.06 μm，ω? = ωcav = 97 μm，由此可知：d? = 1.02f, d? = 48f
對(duì)于焦距f = 4.6 mm的準(zhǔn)直器(比如CFC5A)，d? = 4.69 mm，d? = 221 mm。在實(shí)際裝置中，用戶(hù)可調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器，即d?的大小，以此得到所需的束腰尺寸和位置。
在選定透鏡后，可參考下面兩種裝置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。它們分別是用作可調(diào)諧濾光器和掃描光譜分析儀時(shí)的對(duì)準(zhǔn)裝置。用作可調(diào)諧濾光器的對(duì)準(zhǔn)裝置用作掃描光譜分析儀的對(duì)準(zhǔn)裝置 帶通濾光片：角度調(diào)諧
硬膜帶通干涉濾光片包含兩個(gè)多層膜堆棧，兩者之間形成一個(gè)FP腔。中心波長(zhǎng)及兩側(cè)很小范圍內(nèi)的光由于干涉相長(zhǎng)具有高透過(guò)率，而通帶之外的光由于相消干涉無(wú)法通過(guò)。但是，中心波長(zhǎng)兩側(cè)被阻擋的波長(zhǎng)范圍都很小，所以需要加入寬帶截止材料，以此擴(kuò)大濾光片的截止帶寬，同時(shí)也會(huì)降低通帶內(nèi)的透過(guò)率。 硬膜濾光片實(shí)物 濾光片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 濾光片應(yīng)以準(zhǔn)直光正入射。對(duì)于非準(zhǔn)直或非正入射的情況，中心波長(zhǎng)將向短波長(zhǎng)方向偏移，而且通帶形狀也會(huì)變化。因此，改變?nèi)肷浣悄転楦缮鎺V光片提供一定的調(diào)諧范圍。但在角度偏差較大時(shí)，中心波長(zhǎng)偏移更大，而且通帶形狀可能明顯變形，透過(guò)率顯著降低。通帶越窄，入射角偏差的影響越大。 FLH532-1的通帶變化 FLH1030-10的通帶變化 下圖展示了一種基于雙濾光片(F1和F2)選頻的外腔二極管激光器，其中使用HC鎖頻技術(shù)提高穩(wěn)定性。 除了角度調(diào)諧，使用非平行腔可得到一種線(xiàn)性變化的可調(diào)諧濾光片，通過(guò)線(xiàn)性位移臺(tái)改變透射厚度而改變透射光波長(zhǎng)，但調(diào)諧速度比其它可調(diào)諧濾光器慢很多，而且波長(zhǎng)分辨率和準(zhǔn)確度受位移臺(tái)性能影響。 一種線(xiàn)性可調(diào)諧濾光片 轉(zhuǎn)輪也算調(diào)諧方法嗎？
液晶可調(diào)諧濾光器(LCTF)可使用?olc和法布里-珀羅設(shè)計(jì)，但最簡(jiǎn)單和常用的設(shè)計(jì)是Lyot雙折射濾光器。這種濾光器由線(xiàn)偏振片和可調(diào)諧液晶波片交替堆疊而成，而且每一級(jí)(j)的光譜透過(guò)率都滿(mǎn)足正弦函數(shù)。 其中Γ = 2πdΔn/λ是源自液晶雙折射的相位延遲。濾光器的總透過(guò)率是所有級(jí)次透過(guò)率的乘積。當(dāng)每級(jí)的厚度為第一級(jí)的倍數(shù)時(shí)，每增加一級(jí)，透射帶寬就變窄一點(diǎn)，由此可得到通帶適合的濾光器。通過(guò)施加電壓改變液晶的雙折射(Δn)，由此改變每一級(jí)的正弦頻率和最終的通帶位置，這就是Lyot可調(diào)諧濾光器的基本原理。Lyot濾光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 液晶可調(diào)諧帶通濾光器具有緊湊的外形，提供高調(diào)諧速度、非常寬的連續(xù)調(diào)諧范圍、大通光孔徑和大視場(chǎng)角。Thorlabs Kurios?液晶可調(diào)諧濾光器提供?20 mm或?35 mm通光孔徑、10到35 nm固定或可調(diào)通帶、以及便利的安裝選項(xiàng)，非常適合多光譜或高光譜成像應(yīng)用。下面展示了Kurios?濾光器和控制器以及高光譜成像和寬帶可調(diào)諧光源應(yīng)用。Kurios?控制器和濾光器 高光譜成像系統(tǒng) 搭建寬帶可調(diào)諧光源
我們以Czerny-Turner掃描光譜儀教學(xué)套件為例介紹這種基于旋轉(zhuǎn)光柵的可調(diào)諧濾光方法，其裝置和光路原理圖如下所示。
EDU-SPEBCT1(/M)套件 掃描光譜實(shí)驗(yàn)裝置 光路原理 這個(gè)裝置中包含一個(gè)單色儀。由于光柵散射，入射光中只有較窄的波長(zhǎng)范圍能通過(guò)輸出狹縫，其中心波長(zhǎng)通過(guò)光柵的旋轉(zhuǎn)角確定。通過(guò)記錄不同旋轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的光電二極管電壓，這樣可逐點(diǎn)采集光譜。對(duì)于入射角α和偏轉(zhuǎn)角β，光柵方程為： 其中k是衍射級(jí)數(shù)，λ是波長(zhǎng)，g是光柵的凹槽密度。下圖展示了光柵在兩個(gè)不同角度下的白光一階衍射，因此通過(guò)光柵旋轉(zhuǎn)可改變通過(guò)狹縫的波長(zhǎng)。輸出波長(zhǎng)隨光柵旋轉(zhuǎn)角而變
在α和β改變時(shí)，由于裝置其余部分是固定的，因此入射光和輸出狹縫的夾角θ也是固定的，使得不同波長(zhǎng)的光通過(guò)狹縫。θ可通過(guò)校準(zhǔn)確定，然后使旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)指針歸零，這樣旋轉(zhuǎn)角就等于光柵入射角α，由此可確定單色儀掃描波長(zhǎng)和光柵旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系：
類(lèi)似地，對(duì)于聲光可調(diào)諧帶通濾光器，在壓電陶瓷產(chǎn)生的射頻聲波作用下，聲光晶體將出現(xiàn)周期性的折射率變化，相對(duì)于形成一種光柵，使特定波長(zhǎng)的光實(shí)現(xiàn)最高的一階衍射效率。改變聲波頻率將改變光柵周期，從而改變最高效率的衍射波長(zhǎng)，就像下面兩個(gè)截圖展示的一樣。
350 MHz驅(qū)動(dòng)頻率 150 MHz驅(qū)動(dòng)頻率
