摘要 

2025年2月，東北大學工程研究生院機器人系的Pratyasha與Yoshiaki研究團隊，在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》期刊發表了一項題為“Piezo-Actuated Distributed Bragg Reflector–Based Tunable Fabry–Pérot Filter for Visible Light Hyperspectral Imaging"的研究。

該研究針對可見光波段高光譜成像需求，開發了一種以分布式布拉格反射器（DBR）為腔鏡的可調諧空氣間隙法布里-珀羅濾波器（FPF），通過壓電驅動機制實現波長調諧與腔隙平行度的雙重控制，旨在解決傳統濾波器腔隙非平行、吞吐量低等問題，為高分辨率、高通量高光譜成像系統提供核心組件支持。該器件結構顯著改善了腔隙平行性，使腔隙尺寸的最大偏差從初始535 nm降至最終18 nm，提升幅度約30倍。該器件原型可在大腔面積上實現高分辨率、高通量的光譜傳輸及良好的空間均勻性，為高光譜成像系統的發展展現出巨大潛力。

 研究材料/儀器/方法 

材料

二氧化鈦、二氧化硅、碳帶、氰基丙烯酸酯膠、環氧樹脂膠、DBR腔鏡基板

儀器

光柵顯微鏡光譜儀、光學仿真軟件、磁控濺射設備、電壓施加設備、觀測設備、Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計

Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計

方法

1 DBR腔鏡的設計與制造

· 設計方案：DBR腔鏡采用交替堆疊的高折射率TiO?層與低折射率SiO?層構成，其中TiO?層厚度為50 nm，SiO?層厚度為90 nm，具體結構為4層TiO?與3層SiO?的組合。

· 仿真驗證：使用DiffractMod軟件進行反射光譜仿真，設置諧波為0、波長步長0.5 nm，考慮材料折射率色散特性，模擬得到DBR峰值反射率約0.98，半高全寬（FWHM）約254.07 nm（438.75–692.82 nm）。

· 制備工藝：通過磁控濺射技術逐層沉積TiO?和SiO?薄膜，商業化采購成品DBR腔鏡（日本北日本電線株式會社），實測其峰值反射率約0.95，FWHM約214.83 nm（429.25–644.08 nm）。

2 可調諧空氣間隙FPF的組裝

· 底部固定：將底部DBR腔鏡（尺寸5 mm×5 mm×(2 mm+470 nm)）通過碳帶附著在蓋玻片上，采用氰基丙烯酸酯膠將四個壓電執行器固定于蓋玻片，其中兩個沿X方向、兩個沿Y方向對稱分布在底部DBR腔鏡兩側，執行器與底部腔鏡的橫向距離約0.5 mm。

· 頂部組裝：將頂部DBR腔鏡（尺寸10 mm×10 mm×(2 mm+470 nm)）通過環氧樹脂膠連接到四個壓電執行器上，靜置數小時待膠水干燥固化。

· 腔區域定義：頂部與底部DBR腔鏡的重疊區域為濾波器腔區域，尺寸設定為1 mm×1 mm，腔區域角點標記為(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。

3 性能測試與參數校準

· 初始腔隙估算：使用Lambda Vision LVmicro Z顯微分光光度計測量腔區域四個角點的透射光譜，通過與不同腔隙尺寸（t?）的仿真光譜對比，確定初始腔隙尺寸及偏差，仿真與實測均采用0.5 nm波長步長。

· 平行度校準：分別向X方向（PZT2）和Y方向（PZT3）的壓電執行器施加電壓，單獨校準兩個方向的腔隙平行度，再同時施加電壓實現整個腔平面的平行度優化，監測不同電壓下的透射光譜變化。

· 關鍵參數測試：在優化電壓條件下，測量透射光譜的峰值波長、峰值透射率、FWHM、自由光譜范圍（FSR）等參數，驗證濾波器的調諧性能與傳輸特性。

 結論 

本研究提出一種基于壓電 DBR 的可調諧氣隙 FPF ，工作在可見光波段。該器件采用四個平面內相同的壓電驅動器，可同時實現波長可調諧和腔體氣隙可調諧。平行度。兩個壓電致動器沿X方向對準在底部 DBR 腔鏡兩側，另外兩個則沿Y方向對準。在腔體區域的角點（0,0）、（1,0）、（0,1）和（1,1）處進行光傳輸測量，以估算這些空間位置的ta值。可調諧氣隙 FPF 在Va=0V時的初始測量傳輸光譜顯示，腔體區域不同角點間初始最大峰值傳輸波長差約為28nm。實驗結果與模擬對比表明，腔體區域不同角點間初始ta值的最大差異為535nm。通過同時對PZT2施加V2=16V電壓、對PZT3施加V3=28V電壓，實現了可調諧氣隙 FPF 的初始腔體氣隙平行度。PZT2和PZT3分別沿X和Y方向布置，從而獨立實現腔體氣隙在各自方向上的平行度。在可調諧氣隙 FPF 中，當V2=16V且V3=28V時，測量腔體區域拐角點的傳輸光譜顯示，最終最大峰值傳輸波長差約為3nm。與仿真結果對比表明，腔體區域不同拐角點間最終ta值的最大變化量為18nm。所提出的器件結構可將初始腔體氣隙平行度提升約30倍。本研究中的濾光片孔徑為1mm × 1mm，未來可按需放大以滿足特定應用需求。該器件原型可在大面積濾光片區域確保空間均勻性，提供高分辨率與高通量傳輸特性，這對高光譜成像系統的進步至關重要。