光谱仪器分光器件的调研报告

目录光谱仪器分光器件的调研报告11、 棱镜11、棱镜分光原理12、光谱棱镜的基本特性21、棱镜的色散率22、棱镜的分辨率33、棱镜的自由光谱范围43、棱镜的基本类型41.简单三棱镜42.科钮（Cornu）棱镜43.立特鲁（Littrow）棱镜54.恒偏向角棱镜55. 阿米西（Amici）直视棱镜62、 光栅61、 光栅分光原理62、 光栅的基本特性71、 色散本领72、 自由光谱范围83、 分辨本领83、 光栅的基本类型81、 闪耀光栅82、 凹面光栅103、 新型凹面光栅114、 阶梯光栅（以反射式光栅为主）125、全息光栅143、 F-P干涉仪151、 F-P干涉仪分光原理152、 F-P干涉仪的基本特性161、 角色散率162、 自由光谱范围163、 分辨本领164、 傅里叶变换干涉仪171、 傅里叶变换干涉仪分光原理172、 傅里叶变换干涉仪的指标181、光谱分辨率182、切趾193、光谱范围194、 傅里叶变换干涉仪的类型20傅里叶光谱仪的特点：205、 其它分光器件201、可调谐激光器201、DFB（分布反馈激光器）212、DBR（分布布拉格反射镜激光器）213、VCSEL（垂直腔面发射激光器）214、ECL（外腔激光器）222、可调谐滤光器221、AOTF（声光可调谐滤光器）222、Mach-Zehnder滤光器233、Fabry-Perot滤光器234、光纤光栅滤光器245、光纤Sagnac环滤光器256、介质膜滤光器（TFF）257、波导微环形腔滤光器26结论26光谱仪器分光器件的调研报告齐永红摘 要 由于在光电分析中常常要用到各种光谱仪器，光谱仪器的核心是分光系统，分光系统主要分别从以下几个方面：物质色散入手，可以用棱镜分光；从衍射入手，可以用光栅分光；从干涉入手，可以用F-P干涉仪分光，以及利用傅里叶变换分光。本文从决定要素及公式、典型数据三方面对各典型分光系统的基本特性指标：（光谱范围、分辨率、色散率和光通量）进行了逐一和综合的横向比较，在介绍完传统的光谱色散系统后，又大概介绍了一些新型的光谱色散系统，揭示出各分光系统的特色和互补性，以便在以后的实验中方便合理选择分光方式。关键词 分光 棱镜 光栅 F-P干涉仪 傅里叶变换分光 可调谐1、 棱镜1、棱镜分光原理棱镜光谱仪在工作时总是使棱镜工作在最小偏向角或接近于最小偏向角的条件下。这是因为达到最小偏向角时通过棱镜的光路完全对称，棱镜内部光线几乎平行于棱镜底边。（等腰棱镜有两个相同的折射面，它的出射光线与入射光线的夹角叫做偏向角）最小偏向角条件：棱镜的最小偏向角公式如下：其中，为入射角，和分别为棱镜折射率和顶角。在设计棱镜光谱仪时，通常选择光谱范围中间波长满足最小偏向角条件（注意：仅某特定波长满足）1、光路对称，便于设计；2、光路对称，棱镜产生的像差（球差、像散等）最小；3、光路对称，对满足条件的特定波长，棱镜不产生附加的横向放大率；4、孔径一定时，可以使棱镜的有效部分形状对称，尺寸最小。2、光谱棱镜的基本特性1、棱镜的色散率色散率反映分光系统将不同波长的光在空间散开的能力，通常表示为角色散和线色散棱镜角色散率的一般式如下： 当棱镜位于最小偏向角时，棱镜的角色散率表达式如下： 当有多个依次排列的位于最小偏向角的棱镜时，角色散率如下：可见，增大棱镜色散率有如下方法：1、增大棱镜折射顶角，但不能过大，否则光线在第二折射面将引起全反射；2、选用折射率大、色散率大的材料；3、增加棱镜个数；4、使棱镜偏离最小偏向角位置，即减小光线入射棱镜的角度（但采用这种方法会使部分光线在棱镜底边反射，增加杂散光）。在光谱仪中，谱线最终被聚焦在光谱面上，以便进行检测，此时采用线色散率表示可见，线色散率除与角色散率有关外，还与汇聚透镜焦距及焦面和光轴间夹角有关。因此可以增加透镜焦距，减小焦面和光轴夹角，以提高线色散率。2、棱镜的分辨率分辨率是指将两条靠得很近的谱线分开的能力。例如某光谱仪在3000附近为50000，即表明在此波长附近，任何两条谱线波长差必须大于或等于0.06，才能分辨清楚。由于在棱镜和光栅光谱仪中一般都以色散原件的口径作为光学系统的孔径光阑，并且多数是矩形，设孔径光阑的宽度是，则光谱仪的理论分辨率为色散元件的角色散率和有效孔径色散作用面上的宽度的乘积，即则当含有波长差为的平行光以满足最小偏向角条件通过棱镜时，用最小偏向角位置的色散率表达式代入，得若个棱镜依次排列，底边为，并均处于最小偏向角位置时，有当光束没有充满棱镜时的分辨率为：，是边缘光线在棱镜中的长度。可见，增大棱镜分辨率的方法如下：1、增大棱镜底边；2、增加棱镜个数；3、用色散率大的材料。3、棱镜的自由光谱范围棱镜分光系统的光谱测最范围主要受棱镜材料的透光率和色散率影响，通常用于可见光，当采用特殊材料后也可用于紫外区和红外区，但受材料一致性、稳定性，加工性能影响很少采用。该系统不产生光谱叠级现象，即自由光谱范围与光谱测垦范围一致。3、棱镜的基本类型1.简单三棱镜最常用的光谱棱镜，顶角一般约为60，使工作光谱范围的中间波长满足最小偏向角条件，以该波长的入射和出射方向作为仪器准直、聚焦光路的光轴。2.科钮（Cornu）棱镜用石英晶体制造的简单三棱镜有两个缺陷：双折射：双折射引起的寻常光与非常光之间的分离角可达；旋光：旋光引起的双折射，分离角可达。为使最小偏向角位置通过的光不受双折射和旋光的影响，设计科钮棱镜，用用两个顶角为30分别为左旋、右旋的直角棱镜胶合而成，晶体光轴与底面平行。右旋棱镜所产生的旋光效应正好被左旋棱镜所抵消。 3.立特鲁（Littrow）棱镜顶角为30的直角棱镜，广泛应用于自准直式摄谱仪，使仪器结构紧凑。4.恒偏向角棱镜作用：使以最小偏向角条件通过棱镜的平行光束，其偏向角恒等于某一角度，不随入射角变化，也与波长无关。在转换波长时，只要系统绕某合适的轴旋转，使所需的波长光束满足最小偏向角条件，则光束从系统出射时偏向角保持恒定，从而使仪器的准直、聚焦光路光轴位置保持不变，使仪器结构简化。（1） 阿贝恒偏向棱镜由两块的分光棱镜和一块直角反射棱镜组成，在最小偏向角条件下，出射光束与入射光束夹角恒等于90，多用于可见光谱范围的单色仪，转换波长时棱镜绕AB中点O转动，所有波长均满足最小偏向条件。（2） 瓦茨沃尔脱恒偏向系统由简单三棱镜与平面反射镜组合的系统。反射镜与三棱镜顶角平分线夹角为，当平行光束以最小偏向角通过棱镜，再经过反射后，反射光束方向与入射光束方向夹角是恒定的，并且多用于红外光谱范围的单色仪。常用的=90，=05. 阿米西（Amici）直视棱镜 能使复色光发生色散，且中间波长通过棱镜系统后的偏向角为零的棱镜系统称为直视棱镜系统；阿米西棱镜较常用，两侧玻璃为低折射率的冕牌玻璃，中间为高折射率大色散的火石玻璃；各块棱镜的色散是互相反向的，互相抵消一部分，整个棱镜系统的色散不大；常用于小型、便携或直接用眼睛观察的仪器中，如手提式看谱仪，中间波长偏向角为零，其它波长偏转，使结构紧凑。2、 光栅光栅可以是入射光的振幅或相位（或两者同时）受到周期性空间调制的光学元件。在现代光谱仪器中，光栅被大量使用，尤其是闪耀光栅，随着现代光栅制造工艺的进步，它们异能运用于很宽的光谱范围，逐渐取代过去常用的分光元件棱镜。1、 光栅分光原理光栅是光谱仪器中最常用的分光元件，且以反射光栅尤其是闪耀光栅为主。光栅光谱的产生是多缝干涉和单缝衍射联合作用的结果。多缝干涉决定光谱出现的位置，单缝衍射决定谱线的强度分布。干涉：当频率相同、振动方向相同、相位差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象，从而看到明暗相间的条纹。衍射：光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象。由光栅方程：可知，对于相同的光谱级数， 以同样的入射角投射到光栅上的不同波长、组成的混合光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置； 即不同波长的衍射光以不同的衍射角出射。这就说明，对于给定的光栅，不同波长的同一级主极大或次极大（构成同一级光栅光谱中的不同波长谱线）都不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。2、 光栅的基本特性1、 色散本领（1） 角色散光栅的角色散率与光谱级次成正比，级次愈高，角色散愈大；与光栅刻痕密度成正比，刻痕密度愈大（光栅常数愈小），角色散愈大。（2） 线色散光栅的线色散是指在聚焦物镜的焦平面上，波长相差1的两条谱线间分开的距离。为了使不同波长的光分得开一些，一般都采用长焦距物镜。由于实用光栅的光栅常数通常都很小，所以光栅的色散本领都很大。2、 自由光谱范围光谱仪的自由光谱范围是指它的光谱不重叠区，根据光栅方程可知其意义是，波长为的入射光的第级衍射，只要它的谱线宽度小于，就不会发生与的（-1）或（+1）级衍射重叠的现象。由于光栅都在低级次下使用，故其自由光谱范围很大，在可见光范围内为几百纳米，因而可以在宽阔的光谱区内使用；而法布里珀罗标准具在使用时的干涉级次均较高，只能在很窄的光谱区内使用。由光栅方程，在给定光栅和入射角条件下，同一衍射角方向可以有不同级次不同波长的光谱重叠。级次越大，光谱的重叠现象越严重，没有重叠的光谱波段范围越小。措施：滤光片，常用前置棱镜或光栅色散器，前置色散器的色散方向和主仪器的色散方向互相垂直。3、 分辨本领分辨本领表征光谱仪分辨开两条波长相差很小的谱线的能力。该式说明，光栅分辨本领与光栅常数无关，只与光谱级次和光栅刻痕数有关。3、 光栅的基本类型光栅根据光的通过路径可以分为透射光栅和反射光栅，目前大都使用反射光栅。根据调制方式不同可以分为相位型光栅和振幅型光栅。根据光栅的刻划面形可以分为平面光栅和凹面光栅，凹面光栅兼具分光和会聚的作用。根据制作方法的不同可分为划线光栅、复制光栅、全息光栅。1、 闪耀光栅根据物理光学，光栅光谱面上任一点的光强为其中，为常数，是刻槽宽度 正入射时相隔刻槽宽度的两衍射光束相位差的一半 正入射时相隔光栅周期宽度的两衍射光束相位差的一半普通光栅和定向光栅的光能比较当=0，即入射角与衍射角都为0时光强最大，零级主极大的强度最大，集中了80%以上的光能量, 但零级光谱无色散，对光谱分析无用，反而会增加杂散光，形成干扰。为此提出了闪耀光栅（定向光栅）。在平面玻璃上刻制锯齿形细槽构成透射光栅，或者在金属平板上刻制锯齿槽构成反射光栅，就可以通过折射和反射的方法，将干涉零级与衍射中央主极大位置分开。光栅干涉主极大方向是以光栅面法线方向为其零级方向，而衍射的中央主极大方向则是由刻槽面法线方向等其他因素决定的。闪耀波长和闪耀方向：对于确定的光栅，在一定的入射角，其衍射角方向和截面反射方向相符合的波长称为光栅的闪耀波长，衍射角称为光栅的闪耀方向。闪耀波长如下：若光沿槽面法线方向入射，则，称为主闪耀条件。此时，闪耀波长为：注意，虽然波长的反射光最为强烈，但同时它又和的n级光谱重合，不利于分光。2、 凹面光栅凹面光栅是制造在凹面的球面或非球面的反射式光栅，特点是将衍射光栅的色散作用和凹面反射镜的聚焦成像作用结合。优势：可以省略准直和聚焦成像系统，简化仪器结构，在远紫外和红外光谱区十分有利。采用刻划方式加工的凹面光栅存在较严重的像散像差（由于刻槽间距在凹面的弦位置等分，在球面位置不再等分）；而采用全息方法可以很好的减小这种系统误差。凹面光栅主截面衍射主极大的条件为凹面光栅主截面外的衍射主极大的条件为与平面光栅一样存在谱面弯曲。凹面光栅的聚焦条件：要获得清楚、明锐的谱线，入射狭缝、象以及凹面光栅三者的位置必须满足关系式:罗兰圆装置 ：令公式的两项分别为零上式为圆的方程，圆直径为光栅的曲率半径，称此圆为罗兰圆。如果狭缝点A位于罗兰圆上，则光线经光栅衍射后形成的主极大点也位于罗兰圆上。当自点A发出的光线含有不同波长时，按照聚焦条件，这些点都位于罗兰圆上，因此在罗兰圆上可以得到A点光源的光谱。按照这个条件放置狭缝、光栅及底片或出射狭缝的装置称为罗兰装置。在罗兰圆条件中没有光栅常数d，说明曲率半径相同d不同的光栅具有相同的罗兰圆。凹面光栅的像差主要有像散、球差、彗差。角色散和线色散角色散和平面光栅一样：对于入射光线、衍射光线都位于主截面的情况，为衍射光主光线与焦面法线的夹角，如图色散长度为：将角色散率代入有：对于罗兰圆装置：结论：凹面光栅的线色散率与其曲率半径成正比，一般的凹面光栅的曲率半径为0.5m12m，常用的曲率半径有1, 2, 3, 6m。凹面光栅应用受限于以下几个方面：1、光谱线沿着狭缝高度方向强度是不均匀的；2、实际谱线还存在弯曲，凹面光栅的象散和谱线弯曲一起造成谱线增宽，降低仪器分辨本领；在用于单色仪时，使输出光束的单色性变坏，光能减弱；3、减小光栅本身的象散或在仪器中校正象散是凹面光栅光谱仪器的一项主要研究方向。3、 新型凹面光栅一般的凹面光栅存在较严重的像散。随着理论研究、计算机的发展和全息加工技术的进步，利用全息制造方法可以制造消除象散、球差、彗差的凹面光栅。主要思路：1、 引入附加变量，将普通球面凹面光栅变为非球面凹面光栅，用以消除光程差高次项引入的像差；2、 或者改变光栅间距或刻槽方向，使相邻衍射级次光程差符合消像差条件。非球面凹面光栅1、超环面凹面光栅：普通球面凹面光栅只有一个回转半径，超环面凹面光栅具有两个回转半径2、柱面与超环面光栅：x, y 方向的曲率可以不同，一个方向是非球面，另一方向为球面。不等槽距的凹球面光栅研究表明光栅槽距按线性规律变化，可以改变子午焦点位置，通过槽距变化可以适度消除象散。4、 阶梯光栅（以反射式光栅为主）阶梯光栅是为了获得极高分辨率和大色散而设计的，阶梯数目少（2025），所用光谱级次极高（103104）。结构上由一系列厚度和折射率相同的透明玻璃或石英板光胶得到。1、 光栅方程：当入射光与衍射光接近于阶梯的法线时， i=0，=0，当入射光不变时，波长短的光谱偏向角更大，也即衍射角更大，与棱镜光谱特征相同。2、 色散率设 i不变，对反射式阶梯光栅方程取微分，得角色散率与波长成反比，与阶梯光栅的高宽比成正比3、 自由光谱范围角度表示的自由光谱范围波长表示的自由光谱范围波数表示的自由光谱范围4、 分辨率与分辨极限k级主极大的半角宽度为（N缝数，即阶梯总数，d光栅常数，即阶梯宽度l）当入射角和衍射角接近于法线时，cosk=1，=，由瑞利准则，最小可分辨角等于主极大半角宽度波长表示的分辨极限波数表示的分辨极限近法线处的分辨率5、全息光栅用两束激光做光源，形成干涉条纹，对基底表面的光敏物质进行曝光，显影而成，有以下优点：1、 无鬼线，杂散光小，不受刻划机械精度影响，可以制造高密度大面积光栅及凹面光栅。2、 分辨率高。全息技术使光栅刻线总数大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度提高。缺点是：衍射效率较低。刻槽截面一般为近似正弦，槽形不具备闪耀条件，采用“离子蚀刻”技术的全息光栅，使光栅衍射效率得到较大提高。全息光栅的制成方法：(1)在玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。(2)由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光。(3)用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像，所制得为透射式衍射光栅。3、 F-P干涉仪1、 F-P干涉仪分光原理F-P干涉仪是一种基于薄膜分振幅干涉原理实现不等强度多光束干涉的典型实验装置。干涉仪的主要结构式一对结构相同且平行放置的玻璃板和。两玻璃板相面对的表面镀薄银膜或其他具有高反射率的薄膜，镀银面要求与理想的几何平面的偏差不得超过至波长。另一表面则与镀银面要求一很小的角度，使整个玻璃板呈楔形，目的是为了消除玻璃板两外侧反射光的干涉对所要观察的干涉图样的影响。当两个平行镀银面的间距很小时，就相当于一个空气薄膜。若将两个平行镀银面的间隔采用某种热膨胀系数很小的材料做成的环完全固定，则该仪器称为F-P标准具；若两镀银膜的间距可变，则称该仪器为F-P干涉仪。 自扩展光源上某点S发出的球面光波经透镜准直后，倾斜投射在玻璃板上。由于自射出的每一束透射光相对于前一束而言，仅仅是多经历了在镀银面间的两次相同的反射。当镀银面得反射率较高时，透过的光束便在和的两镀银面之间发生多次反射和折射，分成一系列透射光束。由于每一束透射光相当于前一束而言仅仅是多经历了在镀银面上的两次相同的反射，故相邻光束的振幅透射比相等，相位差恒定，传播方向平行，经透镜会聚后相交在的后焦平面上P点S点的共轭像点而在P点发生干涉。可以看出，这种干涉现象属于扩展光源照明下的薄膜等倾干涉，只不过是参与干涉叠加的不是双光束，而是多光束，且不等强度。 色散特点可由多光束干涉的极值条件式表示其中，为F-P间隔，为中心偏角。2、 F-P干涉仪的基本特性1、 角色散率可见，角度越小，仪器的色散越大，因此，在F-P干涉仪的干涉环中心处光谱最纯。2、 自由光谱范围自由光谱范围也叫做标准具常数，对于=5mm的标准具，入射光波长=0.5461m，=1时，自由光谱范围仅0.03nm，非常小。3、 分辨本领F-P分光系统，它的理论分辨率由多光束干涉形成的Airy分布决定。此时虽然瑞利准则不再适用，但可根据合成强度轮廓中心凹陷为最大光强的80导出理论分辨率为其中为反射率，为条纹级数，是条纹精细度，由于F-P干涉仪的条纹级数一般都很高，因而其分辨本领也比较高。将光栅的分辨本领与F-P干涉仪作比较发现，虽然二者形式上很像，而且分辨本领都很高，但是它们的高分辨本领来自不同的途径：光栅来自于刻痕数很大，而F-P干涉仪来自于高干射级次。提高法布里-帕罗干涉仪的光谱分辨本领（后三条同时会减小自由光谱范围）（1） 提高锐度，即使用高反射镜面（2） 增大镜面间距（3） 在镜面间填充高折射率介质（4） 让光束垂直镜面入射 结论：由于法布里帕罗干涉仪的自由光谱范围非常小，虽然其分辨本领很高，但可供利用的光谱太窄，故不实用。4、 傅里叶变换干涉仪1、 傅里叶变换干涉仪分光原理用迈克尔逊双光束干涉仪记录下干涉图；再借助于傅里叶余弦变换获得光源的辐射功率谱分布的方法，称为傅里叶变换光谱学。相应的仪器称为傅里叶变换光谱仪。光源S发射的光由分光器分为相等两部分：光束1和光束2，光束1反射可移动反射镜M2，经过分光器和补偿器到探测器D。另一束光由固定反射镜M1反射回来，最后在D处与光束1会合。当两束光达到D时，其光程差将随可移动反射镜M2运动而周期变化。基于光的相干原理，在探测器D处得到的是一个强度变化为余弦形式的信号。在连续改变光程的同时，记录下中央干涉条纹的光强变化，就得到干涉图。当光源为单色光时探测器接收到的光强为：相位差：光程差：当光源为复色光时，设其亮度为B（）探测器接收到的光强为：可以看出探测器接收到的光强是光源的傅里叶积分。记录下干涉图I（），并作傅里叶余弦变换就可得到任何波数处的光强。傅里叶光学系统图2、 傅里叶变换干涉仪的指标1、 光谱分辨率系统刚好能够分辨的两条谱线的波数差,就是仪器的光谱分辨率上式表明，在傅里叶光谱仪中，其分辨率系统能够产生的最大光程差的倒数。用波长表示的话，如下：L为干涉仪可实现的最大光程差，显然傅里叶分光系统的理论分辨率可以随光程差增大至无穷，但受仪器机制影响，目前只是用在1000左右。2、切趾被测光的光谱图是探测的光强的傅里叶变换理论上，傅里叶变换的积分限为无穷大。但实际仪器中光程差总是有限的。这就造成输出光谱有较大的旁瓣起伏。单色光干涉图单色光变换光谱切趾就是将主峰两侧的脚趾切除掉。要实现这个目的，就要用一个切趾函数截取干涉图。3、 光谱范围傅里叶变换分光系统的光谱测量范围主要受分光元器件的限制，例如通常用的分束棱镜限制了短波长的应用，因此常用于可见光及红外光谱。它的自由光谱范围取决于光程差的变化间隔，可以表示为例如，当变化间隔为1 时，波长应不小于2，这决定了傅里叶变换分光系统通常用于红外区域。4、 傅里叶变换干涉仪的类型时间调制型空间调制型傅里叶光谱仪的特点：优点：1、高分辨率；2、高信噪比；3、多通道；4、宽的光谱范围。缺点：1、体积庞大；2、价格昂贵；3、机械精度高；4、需要扫描时间，实时性不好。5、 其它分光器件1、可调谐激光器在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器，每一时刻仅输出半宽度很窄的单色激光，依次记录每个波长的光强，光谱分辨率取决于激光调谐精度。实现激光波长调谐的原理大致有三种。大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗。因此，第一种是通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数（如磁场、温度等）使激光跃迁的能级移动。第三种是利用非线性效应实现波长的变换和调谐（见非线性光学、受激喇曼散射、光二倍频，光参量振荡）。属于第一种调谐方式的典型激光器有染料激光器、金绿宝石激光器、色心激光器、可调谐高压气体激光器和可调谐准分子激光器。 可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。 其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个纳米。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。1、 DFB（分布反馈激光器）内置了布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器。使用内部光栅改变波长并使用温度进行调谐。激光器芯片的温度是变化的，这样可以改变有源材料的折射率，从而改变波长，实现对波长的调制。 DFB激光器将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中（也就是增益介质中），在谐振腔内即形成选模结构，可以实现完全单模工作。DFB激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是F-P激光器无法比拟的。尽管DFB激光器在高速调制时存在啁啾，谱线有一定展宽，但比F-P激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。分布反馈式激光器的发展要求：（1）谱线宽度更窄（2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性（3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐（4） 阈值电流更低（5）输出光功率更大2、 DBR（分布布拉格反射镜激光器）DBR使用与DFB不同的技术。在DFB中，有源区与无源区是连在一起的；而DBR中，两者是分开的。变化的电流加到无源区以改变折射率激光器的调谐频率。DBR有较宽的调谐范围和较快的调谐速率。3、 VCSEL（垂直腔面发射激光器）VCSEL发射的光与基质表面垂直，它采用三明治式结构，中间为有源区，两边为反射晶体。电流加到有源区，发射光在两个晶体之间往返多次的过程中得到放大，最后相干性极高的激光从顶部激射出。VCSEL的优点主要有: l.出射光束为圆形，发散角小，很容易与光纤及其他光学元件耦合且效率高。 2.可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。 3.有源区体积小，容易实现单纵模、低阈值的工作。 4.电光转换效率可大于50%，可期待得到较长的器件寿命。 5.容易实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统，实现高速、大容量数据处理，并可应用于高功率器件。 6.器件在封装前就可以对芯片进行检测，进行产品筛选，极大降低了产品的成本。 7.可以应用到层叠式光集成电路上，可采用微机械等技术4、ECL（外腔激光器）ECL不采用温度变化或电子学的办法改变波长，它通过调节激光腔腔长改变波长，从而对波长进行调谐，为各种增益介质的应用打开了大门。但ECL封装略微复杂一些，ECL增加的复杂性是，从二极管波导到波长选择滤波器，再回到二极管波导。2、 可调谐滤光器1、AOTF（声光可调谐滤光器）AOTF利用各向异性双折射晶体的声光衍射原理，当加载在晶体上的超声频率改变时，透过晶体的输出波长也会随之改变，具有很高的光谱扫描速度，光谱分辨率不高。AOTF是根据各向异性双折射晶体声光衍射原理制成。它由双折射晶体、可调射频源、压电晶体换能器和吸声体组成。双折射晶体作为分光器件，是AOTF的核心，一般采用具有较高的圣光品质因素和较低的声衰减的双折射晶体。常用的双折射晶体有TeO2、石英和锗。可调射频源对压电晶体换能器提供频率可调的高频电压激励，压电晶体换能器将高频的驱动电信号转换为在晶体内的超声波振动，它一般是键合在晶体上的。吸声体则是吸收通过晶体后的声波，防止声波在晶体内发生多次重复反射。当对换能器施加一定频率的射频电信号时，压电晶体换能器将其相应频率的超声波信号并耦合到双折射晶体中，晶体的折射率随之发生周期性变化，因而相当于晶体中形成了一个位相光栅，光栅常数即为超声波的波长。当有光通过时，会发生反常布拉格衍射，入射光波Ki、衍射光波矢Kd和声波矢Ka之间严格匹配动量三角形闭合条件Kd=Ki+Ka各波矢的模值：，为晶体对入射光的折射率，为晶体对衍射光的折射率，它们分别是入射光和超声波波面间的夹角，衍射光和超声波波面间的夹角的函数。为超声波的频率，为衍射光的波长，为超声波的波速。AOTF器件调谐关系可表达为：其中，=，为双折射引起的折射率差，由此式可见，经AOTF衍射产生的单色光的波长和激励用的射频信号频率存在一一对应关系，只要通过电信号的调谐，即可实现快速、随机改变输出光的波长，在光谱仪器中得到了广泛应用。2、Mach-Zehnder滤光器M-Z滤光器的结构包括三部分：对输入部分进行耦合的3dB耦合器C1、两路波导（其中一路设有相位延迟控制器）、将输出端信号复合的耦合器C2。M-Z滤光器输出的光功率主要由分光比和相位差决定，而实际系统中，两耦合器的分光比均为。以P4为例，当（为正整数），为两臂之间的长度差，输出对应的峰值频率为，取定值，则通过改变和这两个参量就可以达到调谐的目的。全光纤M-Z滤光器的插入损耗小，与光线的兼容性好，制造成本低，对偏振不灵敏，峰值平坦，均匀性好。但是和这两个参量较难独立改变，通常同时都有各自的变化，并且在实际制作中，温度、外界振动等也会导致性能改变，所以它的调谐控制复杂，调谐速度较慢，且其通带较宽，选择性较差。3、 Fabry-Perot滤光器F-P可调谐滤光器是一种基于F-P干涉仪的滤光器，它由谐振腔及光纤组成，谐振腔是F-P滤光器的核心。F-P腔由镀有部分高反射膜的两块平行板构成。光线由光纤输入进入腔中并在两镜面间多次反射，达到界面同相则高效输出。当相邻透射光束的相位差（为正整数）时有极大透过峰。值取定后，影响满足相位条件的具有风值透过率波长的因素为：、。因此调节这三个参量就可以达到调谐的目的。目前对F-P干涉滤光器的研究主要包括MEMS（微型电动机械系统）F-P滤光器、光纤F-P滤光器、液晶F-P滤光器。MEMS F-P滤光器是利用步进电机的微步功能去调节转角而实现调谐。该系统的波长精度达到0.1，温度稳定性高，但由于使用机械的调节方式，其调谐速度只打到毫秒级。光纤F-P滤光器通过改变外加电压来改变压电陶瓷长度，从而改变腔的厚度来实现调谐。其调谐范围可达到500，分辨率和精细度高，器件稳定性好，调谐简单，但调谐速度较慢。电液晶F-P滤光器是通过改变折射率来调谐的。4、 光纤光栅滤光器将光纤放在不同样式的掩膜板下，就可以在光纤中形成所需要的折射率微扰，这样就可以产生光纤光栅。以布拉格光纤光栅（FBC）滤光器为例进行说明。FBC滤光器的中心原理是光栅的反射特性，每一光栅条纹均通过Fresnel反射对入射光提供一定的反射作用，当入射光波长使得来自各光栅条纹的反射满足谐振加强条件时，光栅对入射光的反射率达到最大值。光栅反射的峰值波长称为光栅的布拉格波长。所谓FBC的波长调谐是指通过不同物理效应改变FBC的光栅周期及光栅的折射率分布，使反射波长产生一定量的漂移，以达到调谐FBC反射（或投射）波长的目的。光纤光栅具有优异的选频特性，工作波长稳定，插入损耗小，成本低廉，但是采用温度控制的方法对光纤光栅进行调谐的速度较慢，而机械调谐方法又需要有良好的机械稳定性和可重复性，所以要实现商业化，必须考虑减小它的色散效应、温度漂移和机械驱动装置等问题。5、光纤Sagnac环滤光器光纤Sagnac环滤光器就是在Sagnac环内引入相位差，使环内沿顺时针和逆时针方向传播的两束相干光，经环路传播后返回耦合