高分辨多色分束系统及其光子滤波方法技术方案

本发明专利技术涉及光子频率滤波技术领域，其公开了高分辨多色分束系统及其光子滤波方法，解决了目前由于种种技术困难还没有多色分束器可以兼顾：高光谱分辨率和高消光比的技术问题，包括若干f分束组件单元，若干f分束组件单元之间并列设置，所述f分束组件单元包括：光隔离器、辅助光路器件和滤波腔，所述f分束组件单元的安装结构为：将所述辅助光路器件置于所述滤波腔和所述光隔离器之间，安装时依次安装光隔离器、辅助光路器件、滤波腔、辅助光路器件、光隔离器、辅助光路器件、滤波腔、辅助光路器件，依照该顺序依次安装。根据以上技术方案，设计一种高分辨率、高消光比的多色分束器，以适应光谱分析技术的发展和市场需求。光谱分析技术的发展和市场需求。光谱分析技术的发展和市场需求。

【技术实现步骤摘要】
高分辨多色分束系统及其光子滤波方法


[0001]本专利技术涉及光子频率滤波
，更具体地说，它涉及高分辨多色分束系统及其光子滤波方法。

技术介绍

[0002]在材料成分精细分析、生物弱光探测、光与物质的非经典干涉等领域，我们常常需要将极弱的信号光从背景噪音光子中提取出来，并按照频率不同进行分离。然而许多噪音光子的频率和有用的信号光子的频率非常相近，而且不同类信号光子之间的频率往往也非常相近，比如其频率差值只有几个GHz，甚至只有几百MHz。目前，商用的光谱分析仪器还不能兼顾高分辨率和高消光比。高分辨率往往也就意味着较低的消光比和较低的信噪比。
[0003]在光通信中使用的密集波分复用器，频率间隔为几十GHz，这对于上述的高分辨率要求而言间隔不够精细。在生物医学方面使用的流式细胞技术，一般采用一系列双色镜和滤波片进行级联以对不同波长的荧光进行分离。双色镜和滤波片的分频间隔大于1纳米，虽然能够满足常规测试需求，但不能满足上面所述的高光谱分辨率的要求。频谱分析仪具有极高的频谱分辨率，分辨率可以到几十KHz。然而频谱分析仪基于的是拍频原理，需要输入的光信号具有一定的强度，不适合对较弱的光信号进行分析。对于常规光栅光谱仪，其分频精度的数量级在0.1纳米，频率分辨率处于几十GHz的水平。
[0004]如今，我们对光子频率分束器的要求越来越高。在某些场合下(比如光与物质非经典干涉实验)不仅需要较高的光谱分辨率，还需要消光比高于几百万比一，但是一直以来由于种种技术困难还没有多色分束器可以兼顾：高光谱分辨率和高消光比。因此有必要设计一种高分辨率、高消光比的多色分束器，以适应光谱分析技术的发展和市场需求。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
中提出的由于种种技术困难还没有多色分束器可以兼顾：高光谱分辨率和高消光比的技术问题，本专利技术设计一种高分辨率、高消光比的多色分束器，以适应光谱分析技术的发展和市场需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]高分辨多色分束系统，包括若干f分束组件单元，若干f分束组件单元之间并列设置，所述f分束组件单元包括：
[0008]光隔离器，所述光隔离器允许光束单向通过，起到干涉消除和级联f分束组件单元的作用；
[0009]辅助光路器件，所述辅助光路器件为透镜结构且起到光束横向模式匹配的作用；
[0010]滤波腔，所述滤波腔为实心圆柱体结构，所述滤波腔前表面为球面，所述滤波腔的后表面为平面，且前后表面均镀有高反射率的增反膜；
[0011]温度控制模块，所述温度控制模块对所述滤波腔的温度进行主动调节和锁定；
[0012]所述f分束组件单元的安装结构为：将所述辅助光路器件置于所述滤波腔和所述
光隔离器之间，安装时依次安装光隔离器、辅助光路器件、滤波腔、辅助光路器件、光隔离器、辅助光路器件、滤波腔、辅助光路器件，依照该顺序依次安装。
[0013]通过上述技术方案，本专利技术设计制作的滤波腔属于法布里玻罗腔的一种，外形像是一块平凸玻璃透镜，前后表面镀有高反射率的增反膜。相对于前后表面平行的法布里玻罗腔，本专利技术制作的这种平凸式的滤波腔不仅具有频率滤波功能，还具有空间模式滤波功能。另外，相对于由两面独立反射镜构成的滤波腔，本专利技术的这种一体式的块状腔不需要额外的光束和锁相器进行相位锁定以锁定两面反射镜的空间距离，因此本专利技术光路调试难度大大降低。本专利技术采用的滤波腔的腔长(不同腔长对应不同透过频率)由温度控制模块即可进行调节和锁定。通过级联多个这样的平凸式滤波腔，不仅可以实现多种频率光子(比如四种：f1、f2、f3、f4)之间的分离以及与噪音光子的分离，还可以实现几十万比一甚至几千万比一的消光比(这与级联的滤波腔数量有关)。
[0014]辅助光路器件主要实现光束横向模式匹配。横向模式匹配采用的方法是选取合适的透镜对输入的光束进行变换，以实现信号光的横模与滤波腔的共振模式匹配。与滤波腔共振模式匹配的信号光可以透过，与滤波腔共振模式不匹配的噪音光子将被反射。
[0015]隔离器主要实现干涉消除和级联多个f分束组件单元。干涉消除指的是消除光束在两个滤波腔之间来回反射形成的干涉，否则这种干涉会严重影响整个滤波系统的透过率和消光比。本专利技术利用自制的光隔离器可以消除光束在腔与腔之间的干涉。级联多个f分束组件单元指的是：不能透过f1分束单元的信号光束会被f1分束单元反射，然后反向传播遇到f1单元的第一个隔离器100后，将会从该隔离器100的侧面出口出射，进入f2分束单元。以此类推，依次进入f3分束单元和f4分束单元。
[0016]温度控制模块：本专利技术通过对滤波腔的温度进行主动调节和锁定，以调节和锁定滤波腔的腔长，从而调节和锁定滤波腔与信号光的纵模匹配(即频率相等)，实现信号光可以透过滤波腔而噪音光子被滤波腔反射的目的。温度控制模块基于的是PID自动反馈原理，温度控制的稳定性为
±
3mK，典型值为
±
1mK。
[0017]机箱包括：光学面板、防护外壳、减震底座。本滤波系统的光路搭建在光学面板上。防护外壳用于保护光路不受碰撞，同时可以提高整个系统的温度稳定性。减震底座可以有效隔离50Hz以上的震动，保证了光路稳定性。
[0018]本专利技术进一步设置为：所述f分束组件单元设有四组，分别为f1分束组件、f2分束组件、f3分束组件、f4分束组件。
[0019]本专利技术进一步设置为：所述f4分束组件内部的第一个所述光隔离器提供噪音出口。
[0020]通过上述技术方案，通过级联多个这样的平凸式滤波腔，不仅可以实现多种频率光子(为四种：f1、f2、f3、f4)之间的分离以及与噪音光子的分离，还可以实现几十万比一甚至几千万比一的消光比(这与级联的滤波腔数量有关)。
[0021]本专利技术进一步设置为：单个所述f分束组件单元中的所述光隔离器设有两组以上。
[0022]本专利技术进一步设置为：单个所述f分束组件单元中的所述辅助光路器件设有四组以上。
[0023]本专利技术进一步设置为：单个所述f分束组件单元中的所述滤波腔设有二组以上。
[0024]基于上述的高分辨多色分束系统，提出一种光子滤波方法，包括以下步骤：
[0025]步骤一：机箱的设计、制作和安装；
[0026]步骤二：滤波腔的设计、加工和安装；
[0027]步骤三：对各个滤波腔温控模块的PID参数优化；
[0028]步骤四：将滤波腔和辅助光路在机箱内部搭建，并利用光隔离器将各频率通道进行级联；
[0029]步骤五：优化每个频率通道的透过率和消光比；
[0030]步骤六：精细校正每个滤波腔的温度；
[0031]步骤七：将信号光收集到多色分束系统的输入光纤，从输出光纤得到纯净的信号光。
[0032]通过上述技术方案，技术效果为：上述系统及其方法的光谱适用范围为350nm至1700nm，即波长可定制；光谱分辨率可以在50MHz至100GHz范围本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高分辨多色分束系统，其特征在于，包括若干f分束组件单元，若干f分束组件单元之间并列设置，所述f分束组件单元包括：光隔离器(100)，所述光隔离器(100)允许光束单向通过，起到干涉消除和级联f分束组件单元的作用；辅助光路器件(200)，所述辅助光路器件(200)为透镜结构且起到光束横向模式匹配；滤波腔(300)，所述滤波腔(300)的为实心圆柱体结构，所述滤波腔(300)前表面为球面，所述滤波腔(300)的后表面为平面，且前后表面均镀有高反射率的增反膜；温度控制模块，所述温度控制模块对所述滤波腔(300)的温度进行主动调节和锁定；所述f分束组件单元的安装结构为：将所述辅助光路器件(200)置于所述滤波腔(300)和所述光隔离器(100)之间，安装时依次安装光隔离器(100)、辅助光路器件(200)、滤波腔(300)、辅助光路器件(200)、光隔离器(100)、辅助光路器件(200)、滤波腔(300)、辅助光路器件(200)，依照该顺序依次安装。2.根据权利要求1所述的高分辨多色分束系统，其特征在于：所述f分束组件单元设有四组，分别为f1分束组件、f2分束组件、f3分束组件、f4分束组件。3.根据权利要求2所述的高分辨多色分束系统，其特征在于：所述f4分束组件内部的第一个所述光隔离器(100)提供噪音出口。4.根据权利要求1所述的高分辨多色分束系统，其特征在于：单个所述f分...

【专利技术属性】
技术研发人员：金贤敏，窦建鹏，
申请(专利权)人：上海思量量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：