引言

Pratyasha Sahani 與 Yoshiaki Kanamori 團(tuán)隊在《IEEE Photonics Journal》（2025 年，工程技術(shù)領(lǐng)域 TOP 期刊）發(fā)表研究，針對傳統(tǒng)可見光可調(diào)諧法布里 - 珀羅濾波器（FPF）存在的腔隙不平行、透射率低、吞吐量不足等瓶頸，開發(fā)出基于分布式布拉格反射器（DBR）的壓電驅(qū)動創(chuàng)新架構(gòu)，通過四組致動器實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧與腔隙平行性的協(xié)同控制，為高光譜成像系統(tǒng)的微型化、高分辨率升級提供解決方案。

摘要 Abstract

傳統(tǒng)可見光波段可調(diào)諧法布里 - 珀羅濾波器（FPF）面臨腔隙非平行導(dǎo)致的光譜分離大、表面微機(jī)械加工工藝存在的透射率低（10%-13%）、吞吐量與光譜分辨率難以兼顧等局限，制約其在微型高光譜成像中的應(yīng)用。本研究開發(fā)壓電驅(qū)動 DBR 基空氣隙 FP 濾波器，采用 TiO?/SiO?交替堆疊的 DBR 作為腔鏡，集成四組面內(nèi)壓電致動器，通過 X/Y 方向正交布置實(shí)現(xiàn)腔隙尺寸的獨(dú)立調(diào)控。該技術(shù)在 400-700nm 可見光范圍實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)諧，將初始腔隙非平行導(dǎo)致的最大光譜分離從～28nm 降至～3nm，腔隙尺寸最大變異量從 535nm 縮減至 18nm，平行性提升約 30 倍。所制備濾波器孔徑達(dá) 1mm×1mm，具備高透射率與窄半高寬（FWHM~8nm），為高分辨率、高通量高光譜成像提供關(guān)鍵器件支撐，在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。

實(shí)驗方法

可調(diào)諧 FPF 組裝

將底部 DBR 腔鏡通過碳帶（厚度～0.01mm）固定于蓋玻片，選用 4 個相同的面內(nèi)壓電致動器（PA1CEW，Thorlabs，尺寸 2mm×2mm×2mm），采用氰基丙烯酸酯膠固定于蓋玻片，其中 2 個沿 X 方向、2 個沿 Y 方向?qū)ΨQ布置于底部 DBR 兩側(cè)。通過環(huán)氧膠將頂部 DBR 腔鏡與四組致動器連接，靜置固化后形成有效腔隙區(qū)域（1mm×1mm），腔角點(diǎn)標(biāo)記為 (0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。

光學(xué)傳輸性能測試

采用 Lambda Vision LVmicro-Z顯微分光光度計（波長分辨率 0.5nm）進(jìn)行透射光譜測試，入射光束直徑為 16μm。分別在無外加電壓（Va=0V）和施加調(diào)控電壓（V2=16V、V3=28V，V1=V4=0V）條件下，測試腔隙四角及不同區(qū)域的透射光譜，分析峰值波長、透射率（TFPF）、半高寬（FWHM）、自由光譜范圍（FSR）等參數(shù)，驗證腔隙平行性與波長調(diào)諧性能。

（Lambda Vision LVmicro-Z顯微分光光度計）

結(jié)論

本研究提出一種工作于可見光波段的壓電驅(qū)動分布式布拉格反射器（DBR）基可調(diào)諧空氣隙法布里 - 珀羅濾波器（FPF）。該器件采用四組相同的面內(nèi)壓電致動器，可同時實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧性與腔隙平行性調(diào)控。其中兩組壓電致動器沿 X 方向?qū)ΨQ布置于底部 DBR 腔鏡兩側(cè)，另外兩組則沿 Y 方向布置。

為測定上述空間位置的腔隙厚度（ta）值，研究人員在腔隙區(qū)域的角點(diǎn)（0,0）、（1,0）、（0,1）及（1,1）處開展光學(xué)透射測試。在無外加電壓（Va=0 V）條件下，對可調(diào)諧空氣隙 FPF 的初始透射光譜測試顯示，腔隙區(qū)域不同角點(diǎn)間的初始最大峰值透射波長差約為 28 nm。將實(shí)驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，腔隙區(qū)域不同角點(diǎn)間的初始腔隙厚度（ta）值最大變異量為 535 nm。

通過向 X 方向的壓電陶瓷致動器（PZT2）施加 16 V 電壓（V2=16 V），同時向 Y 方向的壓電陶瓷致動器（PZT3）施加 28 V 電壓（V3=28 V），可實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧空氣隙 FPF 的初始腔隙平行性調(diào)控 —— 兩組致動器分別沿對應(yīng)方向獨(dú)立調(diào)節(jié)腔隙平行性。在 V2=16 V、V3=28 V 的條件下，對腔隙區(qū)域角點(diǎn)的透射光譜測試顯示，最終最大峰值透射波長差降至約 3 nm；結(jié)合模擬結(jié)果可知，腔隙區(qū)域不同角點(diǎn)間的最終腔隙厚度（ta）值最大變異量僅為 18 nm。

所提出的器件結(jié)構(gòu)可將初始腔隙平行性提升約 30 倍。本研究中的濾波器孔徑為 1 mm×1 mm，未來可通過設(shè)計優(yōu)化擴(kuò)大孔徑以滿足特定應(yīng)用需求。該器件原型能夠確保大濾波面積下的空間均勻性，實(shí)現(xiàn)高分辨率、高通量透射，這對高光譜成像系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展具有重要意義。