在不改变整体结构的情况下，灵活切换Lyot型液晶可调谐滤波器

提出一种无需改变Lyot型液晶可调滤光片光学架构的动态调控方法，通过精确控制末级液晶层的相位延迟实现带宽灵活切换，并采用调谐电压激活前级结构实现单/双波长模式转换。实验验证了方法的有效性，带宽相对误差低于3%，波长切换误差小于2%，显著扩展了LCTF的应用场景。

　　

李新航|董键安|安燕|曹兆亮|张雷|王彦波|郑欣

长春科技大学光电工程学院，中国长春 130022

摘要

传统的Lyot型液晶可调滤波器（LCTFs）的滤波性能由它们的级联结构决定，因此是固定的。这一固有限制使得它们难以同时实现窄带宽和高能量效率，从而影响了其应用适应性。为了解决这个问题，我们提出了一种方法，通过电调制液晶（LC）层来灵活切换滤波带宽和单/双波长传输模式，而无需改变原有的结构。我们通过精确控制最后一个LC层的相位延迟，逐步禁用后级级联结构来实现带宽切换；随后，通过可调电压调制选择性地激活前级级联结构来实现波长模式切换。实验结果与理论模拟非常吻合，测量带宽与模拟带宽之间的相对误差低于3%，而在双波长模式下，基本峰和次级峰的位置误差分别低于1%和2%，从而证实了所提出方法的有效性。这项工作显著扩展了Lyot型滤波器的功能能力，使其适用于更多实际场景。

引言

基于液晶的可调窄带滤波器，如Fabry-Perot滤波器[1]、[2]、[3]、导模共振可调滤波器[4]、[5]以及Lyot型液晶可调滤波器（LCTFs）[6]、[7]，由于具有可调滤波能力、宽光谱调节范围、快速响应和优异的光谱隔离性能[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，在光谱检测和成像应用中展现出巨大潜力。其中，Lyot型LCTF因其结构简单、性能稳定和兼容性好而受到广泛研究。近年来，关于Lyot型LCTF的研究主要集中在滤波性能优化和应用研究上。为了提高调节速度，O. Melnyk等人研究了双频向列液晶（NLC）层厚度与器件响应速度之间的关联机制，最终实现了毫秒级的切换[15]、[16]。在超窄带滤波方面，Wang等人设计了一种中心波长为532.419纳米的滤波器，用于太阳光球层磁场测量，实现了窄至0.01纳米的光谱带宽[17]。在抑制旁瓣方面，Yang等人提出了一种六级Lyot-Solc混合结构，有效提升了旁瓣抑制效果[18]。Chen等人利用人工免疫算法优化了LCTF设计，使旁瓣抑制提高了73.42%，整体滤波性能提高了13.90%[19]。为了提高能量效率，通过光路优化实现了偏振无关滤波[20]、[21]。同时，我们的研究小组提出了一种双波长滤波方法来增加传输能量[22]。此外，Zhang等人研究了入射角对峰值波长的影响，并提出了一种补偿方法[23]。

随着研究的进步，LCTFs在多个领域中的应用得到了扩展。在纺织领域，通过样本图像的光谱响应分析实现了织物颜色检测[10]、[11]；在生物医学应用中，可用于观察人体组织（例如皮肤）[12]、[13]和生物荧光检测[14]。目前，LCTFs支持全Stokes参数的偏振高光谱成像[24]、[25]、[26]。此外，压缩感知技术被用来提升LCTF的高光谱滤波性能，进一步扩展了其在生物医学和工业检测等领域的应用[27]、[28]。为满足多样化的检测需求，D. Pasha等人设计了一种模块化架构，实现多参数的同时检测和监控[29]。

总结来说，当前的研究主要集中在优化单波长传输的滤波性能和扩展应用范围上。我们提出了双波长传输方法，以提高特定应用场景下的能量效率。然而，无论是单波长还是双波长架构，一旦级联结构确定，滤波能力就固定不变。单个LCTF无法同时实现窄滤波带宽和高能量效率。例如，在高光谱分辨率应用中需要窄带滤波以实现精确的光谱区分，但这种架构在弱目标检测[30]、[31]和多特征波长识别[32]方面存在挑战。然而，在实际应用中，不同的场景有不同的需求：有些需要窄带滤波，有时则需要高能量效率。因此，通常需要根据不同的应用场景设计不同的滤波结构。为了解决这个问题，我们提出了一种灵活的切换方法，通过活性LC层调制在固定架构内动态切换滤波带宽和单/双波长模式，从而适应多样化的应用需求。

节选内容

带宽计算

光谱带宽是表征滤波器光谱分辨率的关键参数，定义为滤波器波长处传输光谱的半高宽（FWHM）。在Lyot滤波器中，最后一个级联阶段在滤波器波长处的FWHM通常可以有效地代表整个LCTF的光谱带宽[33]、[34]，其表达式为：

$\mathrm{FWHM}=\frac{{\lambda }_c}{2^N}=\frac{{\lambda }_c^2}{}$ 其中δ_N表示第N级的相位延迟。

尽管这种近似方法能够……

波长切换

对于传统的Lyot型LCTFs，中心波长由全波片条件（公式（6）决定，因此使用现有结构只能过滤单一波长。因此，这样的单波长LCTFs无法用于双波长滤波。然而，不同的应用需要单波长或双波长滤波。在这项工作中，我们提出了一种方法，可以在同一LCTF内灵活切换单波长和双波长模式。

实验配置

为了实验验证，根据表1中的模拟结果，实现了一个五级LCTF，其滤波范围为450–750纳米。使用了向列液晶材料（Ningcui Optics，NC-M-LC028200-200），其双折射率为Δn = 0.305（@589纳米，20℃）。每个级联LC单元的所需厚度根据相位延迟要求计算，如表2所示。实际制造过程采用了分级优化方案，第1至4级分别使用了12微米、12微米的……

讨论

尽管所有结果表明所提出的方法是有效的，但LCTF的应用仍存在一些限制和挑战，我们将在下文中讨论这些问题。此外，还与声光可调滤波器（AOTF）进行了比较。

限制：基于Lyot型的滤波原理，调节范围从根本上受到最小波长λ_min的限制，最大波长不超过2λ_min。因此，调节……

结论

本研究专注于开发LCTFs的灵活切换方法。在不修改光学架构的情况下，我们通过动态控制LC分子取向实现了带宽调节和单/双波长传输模式的切换。对于带宽调节，我们依次对最后一个级联阶段施加驱动电压，直到达到最大电压，从而逐步将其相位延迟从最大值降低到零。这有效地减少了……

CRediT作者贡献声明

李新航：撰写——原始草案、可视化、方法论、概念化。董键安：资源获取、项目管理、资金筹措。安燕：监督。曹兆亮：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。张雷：实验研究。王彦波：软件开发。郑欣：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2021YFA0718804）、国家自然科学基金（U2141231、62305032）、中国工程院的战略研究与咨询项目（023-DFZD-13）以及上海光学涂层与光谱调制重点实验室开放基金（OSCM202506）的资助。