可调谐窄带滤波器件、光谱仪及光谱检测系统

本申请涉及光谱检测，尤其涉及一种可调谐窄带滤波器件、光谱仪及光谱检测系统。

背景技术：

1、窄带滤波器件是光学系统中实现波长选择性透过或阻断的核心元件，广泛应用于光谱分析、光通信、激光选频及生物传感等领域。

2、目前常见的窄带滤波器件主要包括薄膜干涉滤光片、衍射光栅及法布里-珀罗（fabry-perot）标准具等。薄膜干涉滤光片基于多层介质膜系的干涉效应实现窄带滤波，但其中心波长在制成后即被固定，不具备动态调谐能力。法布里-珀罗标准具虽然可以通过机械方式改变腔长来实现一定范围内的波长调谐，但其精细度受限于反射镜的平面度和机械稳定性，调谐范围与滤波线宽之间存在固有的制约关系，难以在大波长调谐范围内保持极窄的滤波线宽。基于声光效应或电光效应的可调谐滤波器虽然支持电控调谐，但其滤波线宽通常较宽，光谱分辨能力有限。

3、现有窄带滤波器件难以在紧凑体积内同时实现极窄滤波线宽与大波长调谐范围。这一问题在以芯片级微型化光谱仪为代表的应用场景中尤为突出，此类光谱仪依赖可调谐窄带滤波器件作为核心选频元件，滤波器件的线宽与调谐范围直接决定了光谱仪的分辨率与工作带宽，现有滤波器件性能的不足成为制约微型光谱仪整体性能的瓶颈。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种可调谐窄带滤波器件、光谱仪及光谱检测系统，以至少部分的解决上述技术问题。

2、为了实现上述目的，根据本申请的第一方面，提供一种可调谐窄带滤波器件，包括：

3、谐振超表面，具有超表面结构，用于对入射至其上的光产生窄带谐振响应，所述窄带谐振响应表现为在光谱上具有中心波长的窄带透射峰和/或透射谷；

4、折射率可调介质层，覆盖于所述谐振超表面上，所述折射率可调介质层在外部电场作用下的折射率连续可调，以通过所述折射率的变化改变所述谐振超表面所处周围环境的等效折射率；

5、电极阵列，与所述折射率可调介质层连接，用于对所述折射率可调介质层施加所述外部电场以调节所述折射率。

6、进一步地，所述谐振超表面包括呈阵列排布的多个像素，每个所述像素包含至少一个谐振单元，不同所述像素所包含的谐振单元用于使不同所述像素分别具有不同的谐振波长，其中，各所述像素的滤波窗口共同覆盖一连续或准连续的光谱波段。

7、进一步地，所述谐振单元具有不对称性，以通过引入不对称扰动，使所述谐振单元的谐振能量向自由空间泄漏，进而产生所述窄带谐振响应。

8、进一步地，所述不对称性通过以下至少一种方式形成：

9、所述谐振单元包括至少一异形结构以打破所述谐振单元的镜面对称性或旋转对称性；

10、所述谐振单元包括至少两个子结构，两个所述子结构分别位于一中心轴线的两侧，且两个所述子结构分别旋转预设角度，以打破所述谐振单元的镜面对称性或旋转对称性；

11、所述谐振单元包括至少两个子结构，两个所述子结构分别位于一中心轴线的两侧，且两个所述子结构在长度、宽度或高度中的至少一者上存在尺寸差异，以打破所述谐振单元的镜面对称性和旋转对称性；

12、所述谐振单元包括至少两个子结构，两个所述子结构分别位于一中心轴线的两侧，且两个所述子结构采用介电常数互不相同的介质材料制备，以打破所述谐振单元的介电常数对称性；

13、所述谐振单元包括至少两个子结构，两个所述子结构分别位于一中心轴线的两侧，且两个所述子结构所处介质环境的折射率存在差异，以打破所述谐振单元的介电常数对称性。

14、进一步地，两个所述子结构为两个矩形柱，两个所述矩形柱的长度不同，以使得所述谐振单元构成所述不对称性；或

15、两个所述子结构为两个椭圆柱，两个所述椭圆柱共同相对于所述轴线旋转预设角度，以使得所述谐振单元构成所述不对称性。

16、进一步地，所述矩形柱的长宽比大于预设比值，以使得在对所述折射率可调介质层进行单侧取向下，所述折射率可调介质层中靠近所述谐振超表面表层的分子沿所述矩形柱侧壁方向实现有序排列。

17、根据本申请的第三方面，提出了一种光谱仪，包括如上述的可调谐窄带滤波器件。

18、进一步地，光谱仪还包括：

19、偏振控制单元，设置于所述可调谐窄带滤波器件之前，用于对入射光进行偏振态控制，并将偏振后的光引导至所述可调谐窄带滤波器件；

20、探测器，设置于所述可调谐窄带滤波器件的出射光路中，用于接收经所述可调谐窄带滤波器件滤波后输出的光信号，并将所述光信号的光强转换为光强探测值；

21、计算单元，与所述探测器连接，用于根据预先标定得到的传输矩阵以及所述探测器输出的所述光强探测值，得到所述入射光的光谱信息。

22、进一步地，所述传输矩阵通过对所述可调谐窄带滤波器件进行光谱响应标定得到，所述光谱响应标定包括：

23、以标定光源依次输出不同波长的单色光，经所述偏振控制单元后入射至所述可调谐窄带滤波器件；

24、对所述可调谐窄带滤波器件依次施加不同的驱动电压以改变所述折射率可调介质层的折射率，采集每个像素在不同驱动电压和不同波长下的光强响应；

25、基于所述光强响应构建所述传输矩阵。

26、根据本申请的第三方面，提出了一种光谱检测系统，包括如上述的可调谐窄带滤波器件，或包括如上述的光谱仪。

27、本申请实施例中的可调谐窄带滤波器件，通过谐振超表面产生窄带谐振响应，利用折射率可调介质层在外部电场驱动下折射率连续可调的特性改变谐振超表面周围环境的等效折射率，从而使窄带谐振响应的中心波长发生连续移动，在维持芯片级小体积的前提下实现了可电控调谐的窄带滤波功能，以此能够在满足小型化的同时，实现高分辨率以及大工作带宽，例如为高分辨率、大工作带宽的光谱分析器件提供了微型化的硬件基础。

28、本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

1.一种可调谐窄带滤波器件，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的可调谐窄带滤波器件，其特征在于，所述谐振超表面包括呈阵列排布的多个像素，每个所述像素包含至少一个谐振单元，不同所述像素所包含的谐振单元用于使不同所述像素分别具有不同的谐振波长，其中，各所述像素的滤波窗口共同覆盖一连续或准连续的光谱波段。

3.根据权利要求2所述的可调谐窄带滤波器件，其特征在于，所述谐振单元具有不对称性，以通过引入不对称扰动，使所述谐振单元的谐振能量向自由空间泄漏，进而产生所述窄带谐振响应。

4.根据权利要求3所述的可调谐窄带滤波器件，其特征在于，所述不对称性通过以下至少一种方式形成：

5.根据权利要求4所述的可调谐窄带滤波器件，其特征在于，两个所述子结构为两个矩形柱，两个所述矩形柱的长度不同，以使得所述谐振单元构成所述不对称性；或

6.根据权利要求5所述的可调谐窄带滤波器件，其特征在于，所述矩形柱的长宽比大于预设比值，以使得在对所述折射率可调介质层进行单侧取向下，所述折射率可调介质层中靠近所述谐振超表面表层的分子沿所述矩形柱侧壁方向实现有序排列。

7.一种光谱仪，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的可调谐窄带滤波器件。

8.根据权利要求7所述的光谱仪，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，所述传输矩阵通过对所述可调谐窄带滤波器件进行光谱响应标定得到，所述光谱响应标定包括：

10.一种光谱检测系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的可调谐窄带滤波器件，或包括如权利要求7-9任一项所述的光谱仪。