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窄帶濾波器

窄帶濾光片選擇性地透射特定波長的光，從而使其可用于光譜選擇性檢測。在這些系統(tǒng)中，既可以使用單個濾光片來實現(xiàn)光色散，該濾光片的透射特性可以隨時間變化，也可以通過使光穿過多個分別安裝在其自己的檢測器上的的窄帶濾光片的陣列來實現(xiàn)。盡管它們?nèi)匀皇艿綑z測器和濾波器尺寸的限制，但是基于窄帶濾波器的光譜儀在微型化方面比基于色散系統(tǒng)的光譜儀具有關(guān)鍵優(yōu)勢。除了它們的平面性的好處外，光譜濾波元件和探測器之間不需要分離（也就是路徑長度），這就規(guī)避了色散裝置的一個基本限制并為更緊湊的系統(tǒng)提供了可能。

基于可調(diào)濾波器的微光譜儀

一系列可調(diào)諧窄帶濾波器，如聲光可調(diào)諧濾波器、液晶可調(diào)諧濾波器和Fabry-Pérot濾波器以及微環(huán)諧振器都已在光譜儀中實現(xiàn)。它們的光譜傳輸可以通過電壓或聲音信號的應(yīng)用來快速和動態(tài)地控制，這些信號可以暫時地分離光譜成分。聲光可調(diào)諧濾波器利用聲場在固態(tài)雙折射晶體中產(chǎn)生周期性波動的折射率，類似于可調(diào)諧衍射光柵。然而，迄今為止，雙折射晶體的尺寸限制已成為聲光可調(diào)諧濾光片光譜儀小型化的主要障礙。液晶可調(diào)諧濾光片也受到類似的限制，包括一堆偏振器和液晶單元，這些都是小型化的挑戰(zhàn)。另一方面，可調(diào)諧Fabry-Pérot濾波器可以通過成熟的微電子機械系統(tǒng)兼容工藝制造，這使得它們非常適合于微光譜儀的大規(guī)模生產(chǎn)。

基于可調(diào)諧Fabry-Pérot濾波器的微光譜儀的典型結(jié)構(gòu)具有一個諧振光學腔，該諧振腔由兩個平行鏡組成。當兩個反射鏡之間的光學距離是其半波長的整數(shù)倍時，光可以在腔中共振并增強，從而使通過腔（和反射器）到探測器的理想傳輸達到。圖3A顯示了作為光波長函數(shù)的傳輸，假設(shè)給定器件的吸收率和反射率是固定的，則可以通過改變光路長度來調(diào)節(jié)透射光譜。一般地，調(diào)整反射鏡的間距是見的策略，可通過使用靜電或壓電致動器來實現(xiàn)（圖3B和C），其中，當前的微電子機械系統(tǒng)技術(shù)直接提供了廣泛的可調(diào)范圍?？梢酝ㄟ^選擇電光可調(diào)諧的鈮酸鋰或液晶作為腔介質(zhì)來實現(xiàn)折射率的可調(diào)諧性。入射角已通過旋轉(zhuǎn)濾鏡進行了更改。

圖3 窄帶濾波器光譜儀。A、典型的Fabry-Pérot濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖（頂部）和相應(yīng)的透射率函數(shù)（底部）。B/C、基于可調(diào)諧Fabry-Pérot濾波器的微光譜儀，分別顯示了大塊晶圓鍵合結(jié)構(gòu)和晶圓上膜結(jié)構(gòu)。D、基于Fabry-Pérot標準具、蝕刻薄膜、光子晶體和超表面的濾波器陣列微光譜儀方案的示意圖。E、基于波導(dǎo)環(huán)形諧振器的濾波器策略。F/G、基于線性可變?yōu)V波器的光譜儀設(shè)計原理圖及其實現(xiàn)，分別用于橫向入射和波導(dǎo)運轉(zhuǎn)。

在設(shè)計這些Fabry-Pérot光譜儀以實現(xiàn)高性能時，需考慮幾個關(guān)鍵因素。透射峰的半峰寬決定了基于濾波器的光譜儀的光譜分辨率而光譜分辨率又等于腔體的固有精度。因此，高分辨率需要高反射率，但是對于金屬鏡腔，這將導(dǎo)致較低的透射率，從而導(dǎo)致較弱的信噪比。這里的解決方案是使用分布式布拉格反射器作為反射鏡，該反射鏡由交替的高折射率和低折射率介電質(zhì)四分之一波層組成，在特定光譜范圍內(nèi)具有高反射率和低吸收率。但是，它們昂貴且制造復(fù)雜得多。