一种多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法与流程

本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法。

背景技术：

在光学信息采集和处理中，光学滤波及频谱分析发挥着极重要的作用。光学滤波器件可选择特定的某一频谱或多个分离频谱组合的光信号通过，是光通信、光谱遥感成像、医学光谱诊断的关键器件。

目前光学滤波器件主要是采用多膜系干涉原理制备的干涉滤光片，或采用二向色性材料制备的吸收式滤光片。干涉滤波片和吸收滤波片的特点是技术成熟、透过率高以及频谱响应特性优良，但波长固定是滤光片的一个缺点，特别是在需要频谱切换时，固定波长的干涉滤光片及吸收滤光片无法满足要求，而靠多个谱段的滤光片组合进行切换时，需要转轮等复杂的光机结构，导致切换时间长、滤波系统复杂、成本高及可靠性降低等问题。

近年来，随着电光晶体、声光晶体、液晶等新型固态或液态晶体技术发展，可变波长的光学滤波技术进展迅速并得到广泛应用。基于声光晶体的可变波长的滤波器(aotf)可通过调节改变超声波的驻波波长来进行光学滤波的谱段切换，以aoft为滤波器件的高光谱成像仪成功应用于遥感卫星、火星探测器，用于获取高分辨的气象、岩石、土壤光谱数据。但由于aotf成本高，工作电压高、通光口径小、视角小，需要光学中继等缺点，阻碍了aotf的应用推广。基于液晶的可变波长滤波器(lctf)通过驱动电压的改变进行光学滤波谱段切换，由于lctf具有驱动电压低、口径大、结构紧凑、光电集成性能优良等优点，在医学荧光光谱成像、农产品光谱分析等领域具有广阔应用前景。lctf的主要缺点是液晶对温度极为敏感，需要精确的温控系统来保障滤波的稳定性，此外，液晶分子对紫外有强烈吸收，液晶分子端链在强紫外辐射时光会发生断裂，因此，lctf不仅对紫外谱段的光透过率极低，而且易被强紫外光损伤。

由于紫外频谱分析在生物物证痕迹发现和鉴定、早期导弹预警、电力线故障巡查等公安、军事及工业检测等领域具有重要价值，紫外段频谱数据采集和分析的需求越来越迫切，可变波长紫外滤波器在紫外频谱数据采集和分析中起着关键作用。紫外滤波器件除了干涉滤光片及吸收滤光片外，杨毅彪、周泽华等在文献《基于光子晶体滤波和量子点光谱转换的日盲紫外成像装置研究》中描述了光子晶体滤波器件，但该类滤波器的频谱响应都不可调，难以满足紫外频谱数据采集和分析的要求。美国国家航空航天局(nasa)的narasimhas.prasad在文献《deep-uvbasedacousto-optictunablefilterforspectralsensingapplications》中提出了用石英晶体和kdp晶体制成的aotf紫外可变滤波器,可在190nm-400nm进行时序滤波，但aotf仅有一个波长通道，且衍射效率低、带宽极小，需要深度制冷ccd成像器件配合，仅应用于天文观测等极少科学研究领域。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的光学滤波器件的通道单一、无法连续调频、波长切换时间长等缺点，提出一种多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法，能够提供多通道、波长连续可调的偏振光。

一种多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法，所述偏振干涉滤波器包括起偏振器、相位延迟晶体组件以及检偏振器，所述相位延迟晶体组件包括n个晶体，所述起偏振器的偏振轴与所述检偏振器的偏振轴垂直或平行，偏振光通过所述起偏振器输入，经所述相位延迟晶体组件传播后通过所述检偏振器输出；

所述偏振干涉滤波器的参数确定方法包括：

确定输出光强，根据所述输出光强寻找满足偏振干涉条件的晶体厚度值以及第一角度组合，所述第一角度组合包括各个晶体的光轴与起偏振器偏振轴的夹角；

根据所述晶体厚度值和所述第一角度组合确定所述偏振干涉滤波器的初始波长；

确定所需输出波长，根据所需输出波长计算所述相位延迟晶体组件的法线方向与偏振光传输路径方向的第二角度；

根据所述相位延迟晶体组件的相位延迟量确定所述偏振干涉滤波器的通道数量。

进一步地，所述n的范围为3-8。

进一步地，偏振光在所述起偏振器、相位延迟晶体组件以及检偏振器中传播，通过以下矩阵描述：

其中，x为晶体的相位延迟量，δn为所述晶体的折射率差，d为所述晶体的厚度，θ1、θ2、……θn为所述第一角度值组合。

进一步地，将所述矩阵表示为如下复数形式：

计算复数的模：

e1＝[x(x,d,θ1,θ2,...,θn)+iy(x,d,θ1,θ2,...,θn)][x(x,d,θ1,θ2,...,θn)-iy(x,d,θ1,θ2,...,θn)]；

e2＝[l(λ,δnd,θ1,θ2,...,θn)+im(λ,δnd,θ1,θ2,...,θn)][l(λ,δnd,θ1,θ2,...,θn)-im(λ,δnd,θ1,θ2,...,θn)]；

所述输出光强通过以下公式表示：

t＝e1+e2＝f(λ，δnd，θ1，θ2，...，θn)。

进一步地，所述输出波长、相位延迟量以及第二角度的关系如下所示：

其中，α为第二角度，λ为输出波长。

进一步地，所述相位延迟量与通道数量成正比。

进一步地，所述偏振光为红外光或紫外光。

进一步地，所述起偏振器为石英偏振棱镜。

进一步地，所述晶体为石英单晶。

进一步地，所述检偏振器为石英棱镜。

本发明提供的多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法，至少包括如下有益效果：

(1)克服了目前的偏振干涉滤波器波长固定、通光口径小、只有一个通道、无法连续调频、波长切换时间长等缺点；

(2)克服了声光晶体工作电压高、通光口径小、视角小、需要光学中继等缺点；

(3)克服液晶温度敏感、透过率低、紫外辐射损伤等缺点；

(4)初始波长可任意设计、波长连续可调、通道数目可调；

(5)晶体采用光学单晶，双折射率随温度变化极小、环境适应能力强、并且耐光强、光学口径大、透过率高。

附图说明

图1为本发明提供的通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法中偏振干涉滤波器一种实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法一种实施例的流程图。

图3为本发明提供的通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法中晶体的光轴与起偏振器偏振轴的夹角示意图。

图4为本发明提供的通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法中多个波长通过、波长外截止的滤波器输出波形示意图。

图5为本发明提供的通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法中相位延迟晶体组件的法线方向与偏振光传输路径方向的第二角度的示意图。

图6为本发明提供的通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法中连续可调的波长示意图。

图7-图10为本发明提供的通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法中滤波器级联输出波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参考图1和图2，本实施例提供一种多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法，偏振干涉滤波器包括起偏振器101、相位延迟晶体组件102以及检偏振器103，相位延迟晶体组件102包括n个晶体102a，起偏振器101的偏振轴与检偏振器103的偏振轴垂直或平行，偏振光通过起偏振器101输入，经所述相位延迟晶体组件102传播后通过检偏振器103输出；

所述偏振干涉滤波器的参数确定方法包括：

步骤s101，确定输出光强，根据所述输出光强寻找满足偏振干涉条件的晶体厚度值以及第一角度组合，所述第一角度组合包括各个晶体的光轴与起偏振器偏振轴的夹角；

步骤s102，根据所述晶体厚度值和所述第一角度组合确定所述偏振干涉滤波器的初始波长；

步骤s103，确定所需输出波长，根据所需输出波长计算所述相位延迟晶体组件的法线方向与偏振光传输路径方向的第二角度；

步骤s104，根据所述相位延迟晶体组件的相位延迟量确定所述偏振干涉滤波器的通道数量。

作为一种优选的实施方式，所述n的范围为3-8。

作为一种优选的实施方式，晶体为石英单晶。

进一步地，偏振光在所述起偏振器、相位延迟晶体组件以及检偏振器中传播，通过以下矩阵描述：

其中，x为晶体的相位延迟量，δn为所述晶体的折射率差，d为所述晶体的厚度，θ1、θ2、……θn为所述第一角度组合。

晶体的光轴与起偏振器偏振轴的夹角θn如图3所示。

进一步地，将所述矩阵表示为如下复数形式：

计算复数的模：

e1＝[x(x,d,θ1,θ2,...,θn)+iy(x,d,θ1,θ2,...,θn)][x(x,d,θ1,θ2,...,θn)-iy(x,d,θ1,θ2,...,θn)]；

e2＝[l(λ,δnd,θ1,θ2,...,θn)+im(λ,δnd,θ1,θ2,...,θn)][l(λ,δnd,θ1,θ2,...,θn)-im(λ,δnd,θ1,θ2,...,θn)]；(3)

所述输出光强通过以下公式表示：

t＝e1+e2＝f(λ，δnd，θ1，θ2，...，θn)；(4)。

利用计算机仿真，根据输出光强寻找满足偏振干涉条件的晶体厚度d和第一角度组合θ1、θ2、……θn，确定其数值，对于给定的晶体厚度，则可得到同时允许设定的多个波长通过、波长外截止的滤波器，如图4所示。

确定晶体厚度d以及第一角度组合θ1、θ2、……θn之后，根据相位延迟量公式初始波长即可确定。

进一步地，确定晶体厚度d、第一角度组合θ1、θ2、……θn以及初始波长之后，通过改变偏振光传输路径上的相位延迟量来改变波长。

相位延迟晶体组件的法线方向与偏振光传输路径方向的第二角度α如图5所示，通过改变第二角度α来改变相位延迟量，从而改变输出波长。

输出波长、相位延迟量以及第二角度的关系如下所示：

其中，α为第二角度，λ为输出波长。

由于第二角度α可连续改变，因此输出波长可连续调节，如图6所示。

进一步地，相位延迟量与通道数量成正比，偏振干涉滤波器的通道数目通过相位延迟量δnd确定，通过较大的相位延迟量δnd可以获得通道数目较多的偏振干涉滤波器，因此采用大的双折射率晶体、或者采用厚度较大的晶体获得较大的相位延迟量，减小相位延迟量可以减少通道数目，但会增大滤波器的半高宽(fwhm)，如图7至图10所示，对于需要较少通道数目且需要窄带滤波的应用场景，可用相位延迟量δnd较大的滤波器级联。

进一步地，所述偏振光为红外光或紫外光，也可以是其他波段的光。

现有的lctf对紫外光有强烈吸收、光透过率低，而aotf仅有一个波长通道，本实施例提供的偏振干涉滤波器应用于紫外光，可以克服只有一个通道、透过率低等问题，

本实施例提供的偏振干涉滤波器应用于紫外光，可以应用于指纹、痕迹等物证紫外频谱数据采集及分析以及电力巡查等。

人体体液、汗液、血迹等生物在紫外段(200nm-400nm)其频谱特征与背景如墙体、木质、油漆等有显著差异，利用可变波长紫外偏振干涉滤波器件，对案件现场连续扫描，寻找可滤除背景干扰的波段，增强体液、汗液、血迹等生物物证痕迹的发现，并对其紫外频谱进行分析鉴定。

输电线发生故障产生的电火花辐射的紫外频谱和太阳的紫外频谱有差异，固定式滤波器仅能采集一个波长数据，难以区分识别输电线产生的电火花，利用多通道可变波长紫外偏振干涉滤波器件，结合紫外图像传感器，可同时采集电火花辐射的紫外频谱和太阳的紫外频谱图像，分析二者差异，快速识别输电线产生的电火花。

本实施例提供的多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法，至少包括如下有益效果：

(1)克服了目前的偏振干涉滤波器波长固定、通光口径小、只有一个通道、无法连续调频、波长切换时间长等缺点；

(2)克服了声光晶体工作电压高、通光口径小、视角小、需要光学中继等缺点；

(3)克服液晶温度敏感、透过率低、紫外辐射损伤等缺点；

(4)初始波长可任意设计、波长连续可调、通道数目可调；

(5)晶体采用光学单晶，双折射率随温度变化极小、环境适应能力强、并且耐光强、光学口径大、透过率高。

实施例二

本实施例通过具体的应用场景对多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法做进一步说明。

以紫外光为例，参考图1，起偏振器101采用石英偏振棱镜、相位延迟晶体组件102包括n个紫外石英单晶，检偏振器103采用石英棱镜，其中，石英偏振棱镜的偏振轴与石英棱镜的偏振轴垂直，相位延迟晶体组件102中的石英单晶具有相同的相位延迟量，且石英单晶的光轴与石英偏振棱镜的偏振轴的夹角依次为θ1、θ2、……θn。

紫外光经起偏振器101，偏振光在相位延迟晶体组件中传输，再经过检偏振器103，采用矩阵描述偏振光传输，即：

其中，x为晶体的相位延迟量，δn＝0.009为所述晶体的折射率差，d＝1.2mm为所述晶体的厚度，则可以得到两个复数：

输出光强：

t＝e1+e2＝f(λ，δnd，θ1，θ2，...，θn)；

利用计算机仿真，当石英单晶的光轴与石英偏振棱镜的偏振轴的夹角依次为11.25°、22.5°、33.75°、45°……90°时，满足偏振干涉条件，滤波曲线如图4所示。

满足偏振干涉条件后，可计算相位延迟量的初始值：

x＝δnd＝0.009×1200(μm)；

可得到初始波长为190nm、265nm、360nm。

确定石英单晶厚度、石英单晶的光轴与石英偏振棱镜的偏振轴的夹角以及初始波长之后，通过改变偏振光传输路径上的相位延迟量来改变波长。

当相位延迟晶体组件的法线方向与偏振光传输路径方向的第二角度α为10°时，根据公式(5)，对应的波长变为180nm、250nm、330nm。由于第二角度α可连续改变，因此波长可连续调节。

通过较大的相位延迟量δnd可以获得通道数目较多的偏振干涉滤波器，因此采用大的双折射率晶体、或者采用厚度较大的晶体获得较大的相位延迟量，减小相位延迟量可以减少通道数目。

本实施例提供的多通道可变波长的偏振干涉滤波器的参数确定方法的应用场景，可以应用于指纹、痕迹等物证紫外频谱数据采集及分析以及电力巡查等。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。