摘要 

2025年2月，東北大學(xué)工程研究生院機(jī)器人系的Pratyasha與Yoshiaki研究團(tuán)隊(duì)，在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》期刊發(fā)表了一項(xiàng)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(duì)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(diào)諧空氣間隙法布里-珀羅濾波器（FPF），通過壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)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(jié)構(gòu)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(shí)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。

 研究材料/儀器/方法 

材料

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

儀器

光柵顯微鏡光譜儀、光學(xué)仿真軟件、磁控濺射設(shè)備、電壓施加設(shè)備、觀測(cè)設(shè)備、Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計(jì)

Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計(jì)

方法

1 DBR腔鏡的設(shè)計(jì)與制造

· 設(shè)計(jì)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(gòu)成，其中TiO?層厚度為50 nm，SiO?層厚度為90 nm，具體結(jié)構(gòu)為4層TiO?與3層SiO?的組合。

· 仿真驗(yàn)證：使用DiffractMod軟件進(jìn)行反射光譜仿真，設(shè)置諧波為0、波長(zhǎng)步長(zhǎng)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(shù)逐層沉積TiO?和SiO?薄膜，商業(yè)化采購(gòu)成品DBR腔鏡（日本北日本電線株式會(huì)社），實(shí)測(cè)其峰值反射率約0.95，F(xiàn)WHM約214.83 nm（429.25–644.08 nm）。

2 可調(diào)諧空氣間隙FPF的組裝

· 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(gè)壓電執(zhí)行器固定于蓋玻片，其中兩個(gè)沿X方向、兩個(gè)沿Y方向?qū)ΨQ分布在底部DBR腔鏡兩側(cè)，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(gè)壓電執(zhí)行器上，靜置數(shù)小時(shí)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?yàn)闉V波器腔區(qū)域，尺寸設(shè)定為1 mm×1 mm，腔區(qū)域角點(diǎn)標(biāo)記為(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。

3 性能測(cè)試與參數(shù)校準(zhǔn)

· 初始腔隙估算：使用Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計(jì)測(cè)量腔區(qū)域四個(gè)角點(diǎn)的透射光譜，通過與不同腔隙尺寸（t?）的仿真光譜對(duì)比，確定初始腔隙尺寸及偏差，仿真與實(shí)測(cè)均采用0.5 nm波長(zhǎng)步長(zhǎng)。

· 平行度校準(zhǔn)：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(dú)校準(zhǔn)兩個(gè)方向的腔隙平行度，再同時(shí)施加電壓實(shí)現(xiàn)整個(gè)腔平面的平行度優(yōu)化，監(jiān)測(cè)不同電壓下的透射光譜變化。

· 關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試：在優(yōu)化電壓條件下，測(cè)量透射光譜的峰值波長(zhǎng)、峰值透射率、FWHM、自由光譜范圍（FSR）等參數(shù)，驗(yàn)證濾波器的調(diào)諧性能與傳輸特性。

 結(jié)論 

本研究提出一種基于壓電 DBR 的可調(diào)諧氣隙 FPF ，工作在可見光波段。該器件采用四個(gè)平面內(nèi)相同的壓電驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧和腔體氣隙可調(diào)諧。平行度。兩個(gè)壓電致動(dòng)器沿X方向?qū)?zhǔn)在底部 DBR 腔鏡兩側(cè)，另外兩個(gè)則沿Y方向?qū)?zhǔn)。在腔體區(qū)域的角點(diǎn)（0,0）、（1,0）、（0,1）和（1,1）處進(jìn)行光傳輸測(cè)量，以估算這些空間位置的ta值。可調(diào)諧氣隙 FPF 在Va=0V時(shí)的初始測(cè)量傳輸光譜顯示，腔體區(qū)域不同角點(diǎn)間初始最大峰值傳輸波長(zhǎng)差約為28nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬對(duì)比表明，腔體區(qū)域不同角點(diǎn)間初始ta值的最大差異為535nm。通過同時(shí)對(duì)PZT2施加V2=16V電壓、對(duì)PZT3施加V3=28V電壓，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)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(dú)立實(shí)現(xiàn)腔體氣隙在各自方向上的平行度。在可調(diào)諧氣隙 FPF 中，當(dāng)V2=16V且V3=28V時(shí)，測(cè)量腔體區(qū)域拐角點(diǎn)的傳輸光譜顯示，最終最大峰值傳輸波長(zhǎng)差約為3nm。與仿真結(jié)果對(duì)比表明，腔體區(qū)域不同拐角點(diǎn)間最終ta值的最大變化量為18nm。所提出的器件結(jié)構(gòu)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(yīng)用需求。該器件原型可在大面積濾光片區(qū)域確?？臻g均勻性，提供高分辨率與高通量傳輸特性，這對(duì)高光譜成像系統(tǒng)的進(jìn)步至關(guān)重要。