更新時間:2026-01-16
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2025年2月,東北大學工程研究生院機器人系的Pratyasha與Yoshiaki研究團隊,在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》期刊發(fā)表了一項題為“Piezo-Actuated Distributed Bragg Reflector–Based Tunable Fabry–Pérot Filter for Visible Light Hyperspectral Imaging"的研究。
該研究針對可見光波段高光譜成像需求,開發(fā)了一種以分布式布拉格反射器(DBR)為腔鏡的可調諧空氣間隙法布里-珀羅濾波器(FPF),通過壓電驅動機制實現(xiàn)波長調諧與腔隙平行度的雙重控制,旨在解決傳統(tǒng)濾波器腔隙非平行、吞吐量低等問題,為高分辨率、高通量高光譜成像系統(tǒng)提供核心組件支持。該器件結構顯著改善了腔隙平行性,使腔隙尺寸的最大偏差從初始535 nm降至最終18 nm,提升幅度約30倍。該器件原型可在大腔面積上實現(xiàn)高分辨率、高通量的光譜傳輸及良好的空間均勻性,為高光譜成像系統(tǒng)的發(fā)展展現(xiàn)出巨大潛力。

二氧化鈦、二氧化硅、碳帶、氰基丙烯酸酯膠、環(huán)氧樹脂膠、DBR腔鏡基板
光柵顯微鏡光譜儀、光學仿真軟件、磁控濺射設備、電壓施加設備、觀測設備、Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計

Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計
· 設計方案:DBR腔鏡采用交替堆疊的高折射率TiO?層與低折射率SiO?層構成,其中TiO?層厚度為50 nm,SiO?層厚度為90 nm,具體結構為4層TiO?與3層SiO?的組合。
· 仿真驗證:使用DiffractMod軟件進行反射光譜仿真,設置諧波為0、波長步長0.5 nm,考慮材料折射率色散特性,模擬得到DBR峰值反射率約0.98,半高全寬(FWHM)約254.07 nm(438.75–692.82 nm)。
· 制備工藝:通過磁控濺射技術逐層沉積TiO?和SiO?薄膜,商業(yè)化采購成品DBR腔鏡(日本北日本電線株式會社),實測其峰值反射率約0.95,F(xiàn)WHM約214.83 nm(429.25–644.08 nm)。
· 底部固定:將底部DBR腔鏡(尺寸5 mm×5 mm×(2 mm+470 nm))通過碳帶附著在蓋玻片上,采用氰基丙烯酸酯膠將四個壓電執(zhí)行器固定于蓋玻片,其中兩個沿X方向、兩個沿Y方向對稱分布在底部DBR腔鏡兩側,執(zhí)行器與底部腔鏡的橫向距離約0.5 mm。
· 頂部組裝:將頂部DBR腔鏡(尺寸10 mm×10 mm×(2 mm+470 nm))通過環(huán)氧樹脂膠連接到四個壓電執(zhí)行器上,靜置數(shù)小時待膠水干燥固化。
· 腔區(qū)域定義:頂部與底部DBR腔鏡的重疊區(qū)域為濾波器腔區(qū)域,尺寸設定為1 mm×1 mm,腔區(qū)域角點標記為(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。
· 初始腔隙估算:使用Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計測量腔區(qū)域四個角點的透射光譜,通過與不同腔隙尺寸(t?)的仿真光譜對比,確定初始腔隙尺寸及偏差,仿真與實測均采用0.5 nm波長步長。



· 平行度校準:分別向X方向(PZT2)和Y方向(PZT3)的壓電執(zhí)行器施加電壓,單獨校準兩個方向的腔隙平行度,再同時施加電壓實現(xiàn)整個腔平面的平行度優(yōu)化,監(jiān)測不同電壓下的透射光譜變化。
· 關鍵參數(shù)測試:在優(yōu)化電壓條件下,測量透射光譜的峰值波長、峰值透射率、FWHM、自由光譜范圍(FSR)等參數(shù),驗證濾波器的調諧性能與傳輸特性。
本研究提出一種基于壓電 DBR 的可調諧氣隙 FPF ,工作在可見光波段。該器件采用四個平面內相同的壓電驅動器,可同時實現(xiàn)波長可調諧和腔體氣隙可調諧。平行度。兩個壓電致動器沿X方向對準在底部 DBR 腔鏡兩側,另外兩個則沿Y方向對準。在腔體區(qū)域的角點(0,0)、(1,0)、(0,1)和(1,1)處進行光傳輸測量,以估算這些空間位置的ta值。可調諧氣隙 FPF 在Va=0V時的初始測量傳輸光譜顯示,腔體區(qū)域不同角點間初始最大峰值傳輸波長差約為28nm。實驗結果與模擬對比表明,腔體區(qū)域不同角點間初始ta值的最大差異為535nm。通過同時對PZT2施加V2=16V電壓、對PZT3施加V3=28V電壓,實現(xiàn)了可調諧氣隙 FPF 的初始腔體氣隙平行度。PZT2和PZT3分別沿X和Y方向布置,從而獨立實現(xiàn)腔體氣隙在各自方向上的平行度。在可調諧氣隙 FPF 中,當V2=16V且V3=28V時,測量腔體區(qū)域拐角點的傳輸光譜顯示,最終最大峰值傳輸波長差約為3nm。與仿真結果對比表明,腔體區(qū)域不同拐角點間最終ta值的最大變化量為18nm。所提出的器件結構可將初始腔體氣隙平行度提升約30倍。本研究中的濾光片孔徑為1mm × 1mm,未來可按需放大以滿足特定應用需求。該器件原型可在大面積濾光片區(qū)域確保空間均勻性,提供高分辨率與高通量傳輸特性,這對高光譜成像系統(tǒng)的進步至關重要。

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