翻译自 Bruno Esteves发表与2025年的文章-用于高分辨率光谱仪小型化的温度可调法布里-珀罗滤光片
摘要
本研究提出了一种用于高分辨率光谱的大间隙可调法布里珀罗干涉仪的新型实现方法。该工艺采用由常见的未改性玻璃基板制成的固体谐振腔，通过热光效应和热膨胀控制透射波长，而非复杂的机械系统，简化了小型化流程并提升了器件集成度。实验结果表明，采用700 μm固体玻璃腔时，在137.1 pm的自由光谱范围内，透射波长漂移量为5.7 pm/℃，且呈现出优异的线性度，可实现精准、可预测的波长控制。该设计初衷是为了满足布里渊光谱信号采集的小型化需求，这类应用需要具备超高光谱分辨率的滤光片。目前常用的可调法布里珀罗滤光片系统依赖复杂的压电执行器调节镜面间距与对准度，实用性较差。本文提出的方案有望制备出高精度、高分辨率、低维护的滤光片，非常适用于小型化光谱测量应用。
关键词：法布里 珀罗；可调光学滤光片；布里渊光谱；玻璃谐振腔；温度调制
1 引言
布里渊散射是一种非弹性散射，当光子与材料中的声学声子和磁振子相互作用时会发生该现象，并引发波长偏移。由此产生的频移范围在0.1~100 GHz之间，可提供目标材料的粘弹性特性信息。布里渊散射信号紧邻瑞利峰，且强度低数个数量级，这使得该类信号的探测与量化极具挑战性。
当前最先进的布里渊光谱仪具备足够的分辨率，能够高质量探测材料与组织的粘弹性特性，在材料科学、食品、医疗等多个行业得到应用。然而，传统光谱测量系统尽管功能多样、实用性强，却往往需要庞大且复杂的滤光系统才能实现精准测量所需的光谱分辨率。在这些系统中，串联气隙法布里珀罗滤光片凭借精密压电执行器调节镜面间距与对准，实现了最高的分辨率和对比度，但这也导致其对振动高度敏感，再加上复杂执行器的使用难题，使得小型化和集成化难以实现。
在医疗诊断等对仪器尺寸有严苛要求、关乎器件集成与易用性的场景中，传统光谱系统的局限性尤为突出。近年来，基于法布里珀罗干涉仪的小型化器件研发取得重要进展，为光谱仪小型化提供了巨大潜力。基于低阶、小间隙设计的气隙和液隙滤光片已成功研制，这类器件通常采用基于压电的腔长调制系统。尽管该方案有效，但基于压电的解决方案仍存在诸多缺点，包括结构复杂、对振动敏感以及维护需求高等。
作为替代方案，基于热光效应（折射率随温度变化）和热膨胀的可调固体腔法布里珀罗滤光片已得到研究。热调谐具有结构简单、紧凑、维护需求低等优势，这对小型化光谱等应用至关重要。不过该方法也存在挑战，尤其在高真空等散热受限的环境中，需要额外的设计考量，例如集成散热装置。
尽管研究取得显著进展，但实现布里渊光谱所需的高分辨率滤光片小型化仍面临挑战。主要障碍之一是在所需腔长范围内保持镜面平行对准，尤其是在通常需要镜面位置调节的可调谐设计中。
本研究提出了一种实现大间隙法布里珀罗干涉仪可调谐性的新方法。该方法核心是采用由常见玻璃基板制备的固体玻璃谐振腔，通过温度调制（材料膨胀与折射率变化）控制透射波长。这使得器件成为无活动部件的单片式结构，镜面对准在制备过程中即可保证，非常适合实验室外的使用场景。将这类基板作为谐振腔，可获得远大于传统薄膜沉积法制备的固体谐振腔腔长，从而实现更高的分辨率。
所提出的器件结构如图1所示。它由作为谐振腔的固体玻璃板、两侧各制备的一对布拉格反射镜，以及沉积在其中一个反射镜上方的金属层组成，金属层用作控制器件温度的加热电阻，同时作为遮光掩膜阻挡杂散光透射。
**图1 所提出滤光片的示意图**
(a) 滤光片横截面，按制备顺序标注各层结构
(b) 完整器件示意图
2 方法
2.1 法布里 珀罗理论
对于法布里 珀罗滤光片，当入射光束垂直于滤光片表面时，给定波长λ的光透射率T由下式确定：
Tλ = t0 / 1 + (4π²/F²)·sin²(2πLn/λ) (1)
式中：t₀为最大透射率（由系统损耗决定）；F为镜面精细度（取决于平面度与反射率）；L为腔长；n为腔折射率。
根据公式，透射峰λₚ出现在满足下式条件的每个波长处，如图2所示。由于L和n与温度相关，通过调制腔体温差，可在光谱范围内扫描λₚ，实现滤光片的可调谐性。
λₚ = 2Ln/p，p∈N ⇒ p = 2Ln/λₚ (2)
**图2 高阶法布里 珀罗干涉仪的频率/透射特性示意图**
2.2 腔体尺寸限制
为实现目标光谱特征的正确离散化，需要评估多项考量因素与限制条件，其中大部分与光学腔特性相关。腔长L越大，分辨率越高，因为δλ与L成反比（当L≫λₚ时）。尽管分辨率随L增大而提升（δλ减小），但由于自由光谱范围FSR与L直接相关，该器件的L存在上限，与目标布里渊光谱的展宽ΔB相关。由于测量强度是所有满足式(2)条件的λₚ对应的T_λ之和，因此研究对象的全波长展宽必须小于Δλ（即FSR），而精细度F满足F=Δλ/δλ。
自由光谱范围FSR为：
FSR = λₚ − λₚ₊₁ = λₚ²/(2Ln+λₚ) (3)
因此L的上限由FSR > ΔB确定，理论上最优的滤光片始终由满足该条件的最大L值获得。对于典型布里渊信号，预期频移最高可达100 GHz，对应532 nm波长下的光谱展宽约为189 pm（含布里渊峰宽度），因此FSR大于189 pm的滤光片可正确分辨该信号。FSR越接近该值，可实现的分辨率越高。针对特定应用，系统通常根据预期最大布里渊频移设计为更窄的光谱展宽，因此最优FSR会相应变化。
2.3 腔体选择
滤光片透射波长取决于镜面间距，对于折射率n恒定的材料，即使是几纳米的厚度微小变化，也会导致δλ增大、分辨率降低。通过抛光玻璃基板，在平方毫米量级的有效区域内实现纳米级平面度的光滑表面是可行的，但对固体玻璃板的两个表面进行精细研磨并保证平行度则难度更大，这一问题鲜有讨论。尽管存在这一难题，理论认为在多种玻璃制造工艺中，较大面积的低平行度区域内会随机出现数平方毫米量级、满足使用要求的高平行度小区域。为此搭建了菲索干涉仪用于验证该可能性。
实验采用200 mW、532 nm连续激光器（Oxxius L1C532S），该激光器设计光谱宽度极窄（≤1 MHz）、波长稳定性高（温度变化3 K条件下8小时内漂移<1 pm），非常适用于本实验及后续表征测试。
**图3 用于评估玻璃样品表面平行度的菲索干涉仪示意图**
(a) 玻璃载片样品的干涉图
(b) 由DFTFringe软件得到的玻璃两表面间距变化
在干涉图中，相同强度的连通区域具有相同厚度。厚度变化与强度变化相关，且相邻条纹间厚度变化一致，由下式给出：
ΔL_F = λₚ/(2n) (4)
该装置非常适用于基板评估流程，可直接观测整个区域的干涉图，快速筛选并剔除出现大量条纹的基板。选择条纹数量最少（相邻条纹间距<10 mm）的基板，利用开源干涉图分析软件（DFTFringe）进一步评估，寻找低厚度变化区域。
硼硅玻璃在工作温度范围内具有正的热光系数和热膨胀系数，便于建立温度与透射光谱漂移的关联关系。本研究测试了多种制备工艺、不同厚度的硼硅玻璃，包括传统浮法、压延、拉制工艺制备的普通显微镜载片和盖玻片，以及双面抛光玻璃晶圆。所有工艺和厚度的样品中，均能找到平行度足够均匀的玻璃板，其中双面抛光玻璃晶圆的合格区域面积最大、出现频率最高。
本研究中，被测玻璃的选择进一步依据厚度和折射率参数，确保能有效覆盖目标布里渊信号展宽范围。另一考量是将实现连续两个透射级次所需的最低温度控制在200 ℃以下，便于安装并与表征测量设备兼容。最终为早期原型器件选定两种玻璃基板。
选用110 μm盖玻片（D 263 M硼硅玻璃），532 nm下折射率为1.5265，制备FSR为841.4 pm的滤光片。同时选用700 μm双面抛光玻璃晶圆（Borofloat33硼硅玻璃），532 nm下折射率为1.4739，制备FSR为137.1 pm的滤光片。
表面粗糙度与表面平行度均会影响滤光片性能，因此基板质量评估至关重要。采用机械轮廓仪测量所选基板的均方根粗糙度（Rq）。在100 μm线性扫描范围内，盖玻片的Rq为1 nm，晶圆的Rq为0.62 nm。
2.4 布拉格反射镜
除法布里珀罗谐振腔质量外，器件性能高度依赖反射镜质量，具体为反射率和吸收率。本研究研发并采用布拉格反射镜，其反射率高于传统金属反射镜。这类反射镜由N组交替的高折射率（TiO₂）和低折射率（SiO₂）层组成，各层厚度均为四分之一波长d，末端额外增加一层高折射率层（总层数为2N+1）。
d = λₚ/(4n) (5)
采用反应溅射法沉积TiO₂薄膜（d=52.99 n=2.51），电子束蒸发法沉积SiO₂(d=90.66 n=1.47)薄膜，迭代沉积工艺直至稳定获得薄膜理想特性。利用椭偏仪测量并优化厚度与折射率，采用机械轮廓仪确认厚度精度。同时将椭偏仪用于透射模式，测量所制备布拉格反射镜的透射率。
2.5 制备工艺
制备两种滤光片变体，分别采用110 μm盖玻片和700 μm双面抛光玻璃晶圆作为谐振腔材料。两种基板均经菲索干涉仪验证，包含大面积均匀厚度区域。选择不同厚度以评估该参数对滤光片性能和调制特性的影响。
布拉格反射镜选择N=1。由于表征是初始原型器件的重点，低N值可实现更宽的透射峰和更高的最小透射率，降低对表征系统分辨率和灵敏度的要求，同时不影响温度调制效应研究。尽管N=1时反射镜相比金属反射镜的反射率提升有限，但原型器件仍优先选用布拉格反射镜，因其可最小化吸收，且只需增加每层层数即可提升反射率和滤光片分辨率。
沉积两侧反射镜后，利用菲索干涉仪确定最大透射区域。基于该信息，为每个样品选取1 mm直径区域作为透射区，并用相同尺寸的聚酰亚胺胶带掩膜，为沉积用作电阻和遮光掩膜的金属薄膜做准备。
对于700 μm厚光学腔滤光片，采用直流溅射沉积200 nm钛层作为电阻。较薄的110 μm光学腔滤光片改用电子束蒸发沉积50 nm铝薄膜。
制备完成后，将器件固定在3D打印平面支架上。一个角用聚酰亚胺胶带直接固定，对角角可水平滑动，由玻璃垫片支撑，允许滤光片向各个方向膨胀而不发生形变。用银导电胶将铜导线连接至两侧，完成器件组装。
**图4 滤光片固定在光学支架上的示意图**
一个角直接固定，对角角通过玻璃垫片实现滑动，允许滤光片向各方向膨胀而非形变
2.6 器件表征
所制备滤光片在532 nm处的透射峰阶数很高，因此连续阶次透射峰之间的间距近似恒定。由此，n·L的变化可近似等效为透射光谱的漂移。
通过向电阻层施加恒定电流加热器件，用校准光电二极管量化透射率，用热像仪测量温度。以电阻针孔内玻璃表面的平均温度表征器件温度，表征系统如图5所示。
**图5 用于关联滤光片温度与透射率的表征系统**
3 结果与讨论
3.1 布拉格反射镜
首批滤光片原型采用N=1的布拉格反射镜制备，同时模拟、制备并表征了N=1至5的反射镜。基于椭偏仪测量得到的沉积SiO₂和TiO₂薄膜光学模型开展模拟，探究本工艺可实现的潜在分辨率。
**图6 布拉格反射镜的模拟与实测反射率**
(a) 不同高/低折射率对数量N下的模拟反射率
(b) 所制备N=1~5布拉格反射镜的实测反射率
由图可见，模拟与制备反射镜的最大反射率波长存在明显偏移，该差异与不同沉积批次的层厚和折射率偏差相符。尽管存在这些变化，所制备反射镜仍与理论结果高度接近，且在N足够高时相比金属反射镜有显著性能提升。
3.2 法布里 珀罗滤光片
针对700 μm和110 μm腔原型器件，模拟完整法布里珀罗滤光片，反射镜层数最高至N=5，评估反射镜质量对精细度和光谱分辨率的影响。
**图7 法布里珀罗滤光片的模拟透射光谱**
(a) 腔长700 μm
(b) 腔长110 μm
计算采用所述SiO₂和TiO₂层的N=1模拟滤光片精细度，700 μm腔滤光片为9.24，110 μm腔滤光片为9.15。
**图8 700 μm滤光片在450 mA恒定电流下的表征结果**
(a) 光电二极管信号与平均温度随时间变化
(b) 光强与温度的关联
(c) 透射波长随温度漂移
700 μm滤光片实现了温度与透射波长的高度线性关联，透射波长漂移为5.7 pm/℃，自由光谱范围FSR为137.1 pm。选取接近室温的冷却周期透射峰计算精细度估算值，结果为7.665。
**图9 700 μm腔滤光片线宽随透射峰波长的变化**
**图10 间隔364天的原始热循环与末次热循环对比**
(a) 加热阶段
(b) 冷却阶段
长期稳定性测试表明，器件在正常工作范围内加热不会出现显著衰减。
**图11 110 μm滤光片在4.5 A恒定电流下的表征结果**
(a) 光电二极管信号与平均温度随时间变化
(b) 光强与温度的关联
(c) 透射波长随温度漂移
110 μm滤光片因所需工作温度过高，玻璃出现开裂，无法完成长期稳定性测试。
**图12 110 μm腔滤光片线宽随透射峰波长的变化**
该滤光片选取接近室温的冷却周期透射峰计算精细度，结果为6.786。
3.3 光学谐振腔考量
工作过程中，加热过程直接影响法布里珀罗滤光片性能。热膨胀和热光效应若在腔体中分布不均，会导致峰展宽、精细度下降。热梯度对滤光片性能有负面影响，因此通过优化电阻布局和几何结构减小此类梯度成为重点。
**图13 不同腔体直径下光学腔表面与玻璃基板背面的热图像**
(a)(c)(e)(g) 分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm腔体电阻侧热分布
(b)(d)(f)(h) 对应相同尺寸腔体的玻璃背面热图像
**图14 目标电阻温度70 ℃时滤光片几何结构的有限元热模拟**
(a) 完整滤光片几何结构横截面
(b) 1 mm×0.7 mm光学腔横截面
**图15 不同电阻配置对光学腔内热梯度影响的热模拟**
(a) 单电阻结构
(b) 双面环形电阻
(c) 侧壁环形电阻
**图16 透明电阻替代布拉格反射镜顶层后的热模拟**
采用透明导体双面加热可将腔内最大热梯度降至0.075 ℃，显著提升温度均匀性。
4 结论
本研究开发了一种采用常见未改性玻璃基板作为谐振腔，制备大间隙、单片式、温度可调法布里珀罗滤光片的方法。该方法可制备大有效面积、大腔长滤光片，适用于高分辨率光谱应用。
测试了多种常见玻璃基板类型，开发了基于干涉图分析的合格部件筛选方法。本文提出的制备工艺实现了无活动部件、无执行器的可调滤光片，具备制备和操作简单、紧凑、坚固、适配多应用等特点。
在所制备的变体中，700 μm厚固体玻璃谐振腔滤光片实现了温度与透射波长的高度线性关联（5.7 pm/℃，FSR=137.1 pm），在全工作温度范围内保持良好性能，证实两侧反射镜可自然保持平行度。
综上，该技术适用于光谱仪小型化，尤其针对布里渊光谱等高分辨率技术，相比现有方案具备显著优势：研发和制备成本低、维护需求小、性能优异。
注：本文由天津见合八方光电科技有限公司挑选并翻译，旨在推广和分享相关半导体光放大器SOA基础知识，助力SOA技术的发展和应用。特此告知，虽本公司尽最大努力保证翻译准确性，但不排除存在误差、遗漏或语义解读导致的不完全准确性，建议读者阅读原文或对照阅读，也欢迎指出错误，共同进步。