专利名称：一种宽范围波长可调的标准具的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学领域，特别涉及到可在宽范围内进行波长调节的光学标准具。
背景技术：
波长可调器件广泛用于光通信和光学测量领域。目前常用的波长可调器件使用的技术包括有温度调节、电光技术、压电陶瓷技术、机械调节及微电子机械调节等。其中，温度调节利用材料的热膨胀效应或热光效应或二者综合；电光技术利用给材料施加电场改变其介电常数从而调节波长；压电陶瓷技术利用给材料施加电场改变其厚度从而调节波长；机械调节及微电子机械调节利用机械移动或转动机械光学元件改变空间光路从而调节波长。在上述现有技术中，电机或压电陶瓷改变腔长实现波长可调的方案存在短期或长期漂移的问题，并且可靠性差。而热光或电光效应改变腔体的折射率实现波长可调的方案存在波长调节范围小的不足，其难以实现整个C或L波段波长可调。举例来说，目前常用的温度调节技术其能够调节的波长范围为IOnm以内，这样其适用的范围就收到很大的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新的结构类型的宽范围波长可调的标准具。本发明的标准具结构简单、制作方便，并且可以实现中心波长在较宽的范围内进行调节。为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下:
一种宽范围波长可调的标准具，该标准具包括有平行设置的第一基片和第二基片，在第一基片和第二基片之间夹设有起支撑作用的侧过渡层，其特征在于，所述的侧过渡层由一种热膨胀系数为α I的材料制成，在第一基片和第二基片之间还设有中心过渡层，该中心过渡层由一种热膨胀系数为α 2的材料制成，且所述中心过渡层的厚度小于所述侧过渡层的厚度，所述中心过渡层的一个面紧贴地设置于所述第一基片的内侧面，中心过渡层上相对的另一面与第二基片的内侧面之间存在可变化宽度的空隙，该空隙作为对光束反射或透射的谐振腔。该谐振腔的腔长因两种材料的热胀冷缩系数差别而实现可控调节，当准直器发出的光束在谐振腔中多次反射形成多光束干涉，则出射后光束的中心波长随温度可控变化。在本发明宽范围波长可调的标准具中，作为一种实现方式，标准具中包括有两个基片和三片过渡层，所述的基片包括有平行设置的第一基片和第二基片，三片过渡层分别为两片侧过渡层和一片中心过渡层，所述的中心过渡层的厚度小于侧过渡层的厚度，两片侧过渡层形状相同且相互平行地架设于两个基片之间，所述的中心过渡层设置于两个侧过渡层的中间，该中心过渡层的一个面紧贴并固定于第一基片的内侧面，其相对的另一个面作为谐振腔的第一部分反射面Si，所述第二基片的内侧面作为谐振腔的第二部分反射面S2。在本发明宽范围波长可调的标准具中，所述侧过渡层为热膨胀系数为α I的材料，其在温度TO时长度为LI，所述中心过渡层为热膨胀系数为α 2的材料，其在温度TO时长度为L2，所述第一基片和第二基片为同材质的透明材料，谐振腔的腔长为所述第一部分反射面SI和第二部分反射面S2之间的距离L ;发射准直器发出的光束在谐振腔中第一部分反射面SI和第二部分反射面S2之间多次反射形成多光束干涉，该多光束干涉的光程差为2L*n*C0S(^人多光束干涉的中心波长为2L*n*C0S(~/1i，其中η为空气的折射率，β为光束12在第一部分反射面SI和第二部分反射面S2的入射角，k为干涉级数，k为正整数，不同k对应不同的干涉级数，本专利中只针对其中一个干涉级数进行分析讨论；
在温度为 T 时， 腔长 L (T) =Ll [l+α I(T-TO)]- L2 [1+α 2 (T-TO)], 中心波长为 λ (T) =2 {LI [l+α I(T-TO)]- L2 [1+ α 2 (T-TO) ]} *n*cos ( θ)/\,
中心波长的温度变化系数为(Ll*al- L2*a2)/(L1_L2)*X0，其中λ0为温度TO时的中心波长。在本发明宽范围波长可调的标准具中，所述第一基片、第二基片、中心过渡层的通光面与所述第一腔镜SI和第二腔镜S2之间形成夹角，该夹角小于2°。在本发明宽范围波长可调的标准具中，作为另一种实现方式，所述的标准具中包括有两个基片和两个过渡层，所述的基片包括有平行设置的第一基片和第二基片，两片过渡层分别为管状的环过渡层和中心过渡层，所述的中心过渡层的厚度小于环过渡层的厚度，所述的环过渡层架设于所述第一基片和第二基片之间，所述的中心过渡层放置于环过渡层的中间位置，该中心过渡层的一个面紧贴并固定于第一基片的内侧面，其相对的另一个面作为谐振腔的第三部分反射面S3，所述第二基片的内侧面作为谐振腔的第四部分反射面S4。所述的发射准直器和其中一个接收准直器位于第一基片的外侧，所述的接收准直器位于第二基片的外侧。在本发明宽范围波长可调的标准具中，上述环过渡层为热膨胀系数为a I的材料，其在温度TO时长度为LI，所述中心过渡层为热膨胀系数为a 2的材料，其在温度TO时长度为L2，所述第一基片和第二基片为同材质的透明材料，谐振腔的腔长为所述第三部分反射面S3和第四部分反射面S4之间的距离L ;发射准直器发出的光束在谐振腔中第三部分反射面S3和第四部分反射面S4之间多次反射形成多光束干涉，该多光束干涉的光程差为2L*n*C0S(^人多光束干涉的中心波长为2L*n*C0S(~/1i，其中η为空气的折射率，β为光束在第三部分反射面S3和第四部分反射面S4的入射角，k为干涉级数，k为正整数，不同k对应不同的干涉级数，本专利中只针对其中一个干涉级数进行分析讨论；
在温度为 T 时，腔长 L (T) =Ll [l+α I(T-TO)]- L2 [1+a 2 (T-TO)],
中心波长为 λ (T) =2 {LI [l+α I(T-TO)]- L2 [1+ a 2 (T-TO) ]} *n*cos ( θ)/\,
中心波长的温度变化系数为(LI* a 1- L2*a2)/(L1_L2)*X0，其中λ0为温度TO时的中心波长。在本发明宽范围波长可调的标准具中，所述第一基片、第二基片、中心过渡层的通光面与所述第三部分反射面(S3)和第四部分反射面(S4)之间形成夹角，该夹角小于2°。作为一种优化的结构设计，所述热膨胀系数为a I的材料中热膨胀系数a I小于热膨胀系数为a 2的材料中热膨胀系数a 2 ;作为最优化设计，热膨胀系数a 2远大于热膨胀系数a I，且热膨胀系数a I优选为O。
基于上述技术方案，本发明宽范围波长可调的标准具与现有技术中的标准具相比具有如下技术优点:
1.本发明的标准具中由于谐振腔开创性地提出用热胀冷缩的材料制成的，据此谐振腔的腔长可以随温度的变化进行可控变化，大大提高了谐振腔的腔长变化的精确度，由于中心波长与腔长有对应关系，可以对出射光束的中心波长进行调整。2.在标准具中谐振腔的腔长尺寸较小，不利于精确调整，但是若采用两种不同膨胀系数的材料一起共同作用来调整变化，可以做到非常精准地控制变化，并且还能将中心波长的光程差的可控范围与现有技术的光程差的范围相比扩大十几倍，真正做到了宽范围内波长可调。3.本发明的标准具结构简单，制作完成非常容易，也易于控制标准具的温度变化，进而实现中心波长的变化。
图1是本发明宽范围波长可调的标准具中实施例1的光路结构示意图。图2是本发明宽范围波长可调的标准具中实施例2的光路结构示意图。
具体实施例方式下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的宽范围波长可调的标准具做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解本发明的标准具工作流程和结构组成，但不能以此来限制本发明的保护范围。本发明涉及到宽范围波长可调的标准具，该标准具包括有平行设置的第一基片和第二基片，在第一基片和第二基片之间夹设有起支撑作用的侧过渡层，该侧过渡层由一种热膨胀系数的材料制成，在第一基片和第二基片之间还设有中心过渡层，该中心过渡层由另一种热膨胀系数的材料制成，且所述中心过渡层的厚度小于所述侧过渡层的厚度，所述中心过渡层的一个面紧贴地设置于所述第一基片的内侧面，中心过渡层上相对的另一面与第二基片的内侧面之间存在可变化宽度的空隙，该空隙作为对光束反射或透射的谐振腔。本发明的标准具中设有不同热膨胀系数的材料制成的谐振腔，过渡层所用材料的特点是其尺寸会随温度变化而产生变化，该谐振腔的腔长会因为温度变化导致其相应地进行可控变化，这样可以通过调节温度来调节谐振腔的腔长。由于谐振腔的腔长与中心波长的变化是成正比的，在入射角确定的前提下，可以通过温度的变化来控制腔长的变化，通过腔长的变化范围来控制中心波长的变化范围，进而实现本发明标准具的宽范围波长可调。实施例1
在本实施例中，为了实现上述谐振腔腔长可随温度变化而变化，本实施例中标准具含有温度敏感材料，具体包括有两个基片和三片过渡层。这两个基片的结构相同，具体是平行设置的第一基片103和第二基片107，三片过渡层分别为两片侧过渡层和一片中心过渡层106，两片侧过渡层的标号分别为104和105。中心过渡层106的厚度小于两个侧过渡层的厚度，两片侧过渡层形状相同且相互平行地架设于两个基片之间，中心过渡层106设置于两个侧过渡层的中间，该中心过渡层106的一个面紧贴并固定于第一基片103的内侧面，其相对的另一个面作为谐振腔的第一部分反射面SI，所述第二基片107的内侧面作为谐振腔的第二部分反射面S2。标准具中第一基片103用于连接和组装两片侧过渡层104和105。第二基片107用于连接和组装中间过渡层106以及两片侧过渡层104和105，第一基片103和第二基片107为透明材料；谐振腔中第一部分反射面SI和第二部分反射面S2之间的距离为L，这个距离称为谐振腔的腔长。在制作成为光学元件以后，如图1所示，发射准直器和接收准直器分别位于标准具的两侧。其中，发射准直器102和第一接收准直器101位于第一基片103的外侧，第二接收准直器108位于第二基片107的外侧。在本发明宽范围波长可调的标准具中，结合上述的结构设计，我们将侧过渡层选用热膨胀系数为α I的材料，这种材料在温度TO时长度为LI ;位于中部的中心过渡层106为热膨胀系数为α 2的材料，其在温度TO时长度为L2。对于本发明的标准具来说，光束在第一部分反射面SI和第二部分反射面S2之间多次反射形成多光束干涉的光程差为2L*n*cos( Θ )，其中心波长为2L*n*cos( Θ )/k,其中η为空气的折射率，Θ为光束12在SI和S2面的入射角，k为干涉级数，k为正整数，不同k对应不同的干涉级数，本专利中只针对其中一个干涉级数进行分析讨论；
在温度为T时，谐振腔的腔长L (T) =Ll [l+α I(T-TO)]- L2 [1+α 2 (T-TO)]，其中心波长为 λ (T) =2 {LI [l+α I (T-TO) ] - L2 [1+ α 2 (T-TO) ]} *n*cos ( θ ) /k。则对于本发明的标准具来说，中心波长的温度变化系数为(Ll*a 1- L2* a 2) /(L1-L2)*X 0，其中λ O为温度TO时的中心波长。在知道两种温度敏感材料的热膨胀系数的前提下，并且测算除了 TO时的中心波长，可以控制温度的变化来实现中心波长的变化，进而实现本发明宽范围波长可调的发明目的。表I为常用光学材料的各项相关参数，如侧过渡层104和105选用SF5玻璃材料，中心过渡层106选用熔融石英两种材料，侧过渡层104的长度为2mm。经过测试，利用上述材料制作出的标准具产品中心波长的调节范围可达50nm，而利用上述公式计算出来的中心波长温度变化系数为0.8nm/K。表1:常用光学材料相关参数
权利要求
1.一种宽范围波长可调的标准具，该标准具包括有平行设置的第一基片和第二基片，在第一基片和第二基片之间具有谐振腔，其特征在于，在所述第一基片和第二基片之间夹设有起支撑作用的侧过渡层，该侧过渡层由一种热膨胀系数为α I的材料制成，在第一基片和第二基片之间还设有中心过渡层，该中心过渡层由一种热膨胀系数为α 2的材料制成，且所述中心过渡层的厚度小于所述侧过渡层的厚度，所述中心过渡层的一个面紧贴地设置于所述第一基片的内侧面，中心过渡层上相对的另一面与第二基片的内侧面之间存在的空隙，该空隙为对光束反射或透射的所述谐振腔，该谐振腔的腔长随加于热膨胀系数为αI的材料和热膨胀系数为α 2的材料的温度变化而可控变化。
2.根据权利要求1所述的一种宽范围波长可调的标准具，其特征在于，所述的侧过渡层设有两片，两片侧过渡层形状相同且相互平行地架设于两个基片之间，所述的中心过渡层设置于两个侧过渡层的中间，该中心过渡层的一个面作为谐振腔的第一部分反射面(SI)，所述第二基片的内侧面作为谐振腔的第二部分反射面(S2)。
3.根据权利要求2所述的一种宽范围波长可调的标准具，其特征在于，所述侧过渡层为热膨胀系数为α I的材料，其在温度TO时长度为LI，所述中心过渡层为热膨胀系数为α 2的材料，其在温度TO时长度为L2，所述第一基片和第二基片为同材质的透明材料，所述谐振腔的腔长为所述第一部分反射面(SI)和第二部分反射面(S2)之间的距离L ;入射的光束在谐振腔中第一部分反射面(SI)和第二部分反射面(S2)之间多次反射形成多光束干涉，该多光束干涉的光程差为2L*n*cos( Θ)，多光束干涉的中心波长为2L*n*cos( θ)/\,其中η为空气的折射率，β为光束在第一部分反射面(SI)和第二部分反射面(S2)的入射角，k为干涉级数；在温度为 T 时，腔长 L (T) =Ll [l+α I(T-TO)]- L2 [1+α 2 (T-TO)],中心波长为 λ (T) =2 {LI [l+α I(T-TO)]- L2 [1+ α 2 (T-TO) ]} *n*cos ( θ)/\, 中心波长的温度变化系数为(Ll*al- L2*a2)/(L1_L2)*X0，其中λ0为温度TO时的中心波长。
4.根据权利要求3所述的一种宽范围波长可调的标准具，其特征在于，所述第一基片、第二基片、中心过渡层的通光面与所述第一部分反射面(SI)和第二部分反射面(S2)形成夹角，该夹角小于2°。
5.根据权利要求1所述的一种宽范围波长可调的标准具，其特征在于，所述的侧过渡层为一个管状的环过渡层，所述的中心过渡层的厚度小于环过渡层的厚度，所述的环过渡层架设于所述第一基片和第二基片之间，所述的中心过渡层放置于环过渡层的中间位置，该中心过渡层的一个面紧贴并固定于第一基片的内侧面，其相对的另一个面作为谐振腔的第三部分反射面(S3)，所述第二基片的内侧面作为谐振腔的第四部分反射面(S4)。
6.根据权利要求5所述的一种宽范围波长可调的标准具，其特征在于，所述环过渡层为热膨胀系数为a I的材料，其在温度TO时长度为LI，所述中心过渡层为热膨胀系数为a 2的材料，其在温度TO时长度为L2，所述第一基片和第二基片为同材质的透明材料，谐振腔的腔长为所述第三部分反射面(S3)和第四部分反射面(S4)之间的距离L ;发射准直器发出的光束在谐振腔中第三部分反射面(S3)和第四部分反射面(S4)之间多次反射形成多光束干涉，该多光束干涉的光程差为2L*n*cos(〃人多光束干涉的中心波长为.2L*n*C0S(~/1i，其中η为空气的折射率，β为光束在第三部分反射面(S3)和第四部分反射面(S4)的入射角，k为干涉级数；在温度为 T 时，腔长 L (T) =Ll [l+α I(T-TO)]- L2 [1+α 2 (T-TO)],中心波长为 λ (T) =2 {LI [l+α I(T-TO)]- L2 [1+ α 2 (T-TO) ]} *n*cos ( θ)/\, 中心波长的温度变化系数为(Ll*al- L2*a2)/(L1_L2)*X0，其中λ0为温度TO时的中心波长。
7.根据权利要求6所述的一种宽范围波长可调的标准具，其特征在于，所述第一基片、第二基片、中心过渡层的通光面与所述第三部分反射面(S3)和第四部分反射面(S4)之间形成夹角，该夹角小于2°。
8.根据权利要求3或6所述的一种宽范围波长可调的标准具，其特征在于，所述热膨胀系数为a I的材料中热膨胀系数a I小于热膨胀系数为a 2的材料中热膨胀系数a 2，热膨胀系数为a I的材料中热膨胀系数a I优选为O。
9.根据权利要求8所述 的一种宽范围波长可调的标准具，其特征在于，所述热膨胀系数为a I的材料为热膨胀系数极低的微晶玻璃ZeiOdur、或为零膨胀系数玻璃材料ULE。
全文摘要
本发明涉及一种宽范围波长可调的标准具，该标准具包括有平行设置的第一基片和第二基片，在第一基片和第二基片之间夹设有起支撑作用的侧过渡层，该侧过渡层由一种热膨胀系数为α1的材料制成，在第一基片和第二基片之间还设有中心过渡层，该中心过渡层由热膨胀系数为α2的材料制成，中心过渡层的厚度小于侧过渡层的厚度，中心过渡层的一个面紧贴地设置于第一基片的内侧面，中心过渡层上相对的另一面与第二基片的内侧面之间存在可变化宽度的空隙，该空隙作为对光束反射或透射的谐振腔。本发明的标准具能实现中心波长在较宽的范围内调节，以此为思路来选择不同的材料制作，适用于不同的使用环境，并且结构简单、制作方便。
文档编号G02B26/00GK103116217SQ20131008599
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者赵强, 郭磊 申请人:上海浦芮斯光电科技有限公司