干涉截止濾光片

1、干涉截止濾光片干涉截止濾光片 姓名：費(fèi)海明 學(xué)號(hào)：1402100022015.4.15截止濾光片吸收型吸收與干涉組合型薄膜干涉型1.特性2.周期結(jié)構(gòu)3.通帶透射率4.通帶波紋的壓縮5.通帶的展寬和壓縮6.截止波長(zhǎng)和截止帶中心的透射率7.傾斜時(shí)的偏振效應(yīng)對(duì)入射角不敏感，便宜，但截止波長(zhǎng)不易調(diào)節(jié)1.什么是截止濾光片？ 在某一波長(zhǎng)范圍的光束高透射，而偏離這一波長(zhǎng)區(qū)域的光束驟然變化為高反射。 分類：薄膜干涉性截止濾波片吸收與干涉組合型截止濾波片吸收型截止濾波片按作用機(jī)理分按波段分長(zhǎng)波截止濾光片短波截止濾光片長(zhǎng)波通濾光片的典型特性長(zhǎng)波通濾光片的典型特性短波通濾光片的典型特性短波通濾光片的典型特性2.濾光

2、片的特性參數(shù) 1.透射曲線開(kāi)始上升或下降時(shí)的波長(zhǎng)，以及此曲線上升的許可斜率。 2.高透射帶的光譜寬度、平均透射率以及在此透射帶內(nèi)許可的最小透射率。 3.反射帶（或稱抑制帶）的光譜寬度以及在此范圍內(nèi)所許可的最大透射率。3.干涉截止濾光片的基本膜系類型干涉型截至濾光片的基本膜系類型是/4周期性膜堆 ，其透射率曲線主要特征是一連串的高反射帶間隔的高透射帶。結(jié)構(gòu)：S|(HL)9|AS: 1.52H:ZnS 2.3L:MgF2 1.38sLH)( 1.這類膜系的截至濾光片，并非以某一波長(zhǎng)為界，一側(cè)高透一側(cè)高反的理想模式，而只是在在某一有限波段，實(shí)現(xiàn)某一波長(zhǎng)為界，一側(cè)高透另一側(cè)高反的波段截止濾光、分光膜堆

3、；2.即便是同一個(gè)周期性膜堆，也是既可以用作截止長(zhǎng)波的短波通濾光片，也可以用做截止短波的長(zhǎng)波通濾光片。 若截止波長(zhǎng)范圍特別窄的光線，或者對(duì)于波長(zhǎng)超過(guò)濾光片截止限的光線，檢測(cè)器本身已經(jīng)不靈敏，那么此時(shí)濾光片的截止帶寬度是夠用的。然而，很多情況下，希望截止短于某個(gè)特定波長(zhǎng)或者長(zhǎng)于某一波長(zhǎng)的所有光線，因此應(yīng)當(dāng)設(shè)法展寬截止帶。同時(shí)通帶波紋也將影響通帶最小透射率，需要壓縮通帶波紋。 主要任務(wù)： 1.研究通帶的透射特性：通帶透射率，通帶的展寬和壓縮，消除和減小通帶波紋 2.研究反射帶的抑制特性：截止波長(zhǎng)和截止帶中心的透射率 可以看出標(biāo)準(zhǔn)的四分之一波長(zhǎng)的反射膜在反射帶以外，透射率是震蕩的，或者說(shuō)通帶內(nèi)有較大

4、的波紋幅度，我們下面利用等效折射率的方法來(lái)分析，找到波紋壓縮的方法。通帶特性：利用等效折射率概念分析： 在/4多膜層的每一側(cè)加一個(gè)/8膜層 對(duì)于pqp對(duì)稱膜系，我們知道：2.2HHLLHLH2.2LLHHLHL22.222HLHHLHLH22.222LHLLHLHLSHLH)22(SLHL)22(ppppppqqqqqqppppppiiiiiiMMMMMcossinsincoscossinsincoscossinsincos22211211 由于 易知 取 得其極值，即截止帶的邊界 化簡(jiǎn)可得qppqqpqpMsin2sin21cos2cos11qp2qpqqpqM2211sin21cos111

5、M111M22cosLHLHennnn 因?yàn)?截止帶邊界為： 于是截止帶寬度為： 時(shí) 時(shí)g2242000g)1 (2ge)(220gpqpqpqpqgarcsin2pqqpgarcsin2 因此，不論基本周期是 還是 ，截止帶寬度完全相同。 自然，可能有其他形式的三層組合，其中心層厚度并不等于外層厚度的兩倍。但是僅就截止帶寬度而言，已經(jīng)證明，當(dāng)三層對(duì)稱周期的中心厚度是/4,每個(gè)外層是/8，將得到最大的截止帶寬度。 等效位相厚度： 通常取最接近 的值，即取各層膜實(shí)際位相厚度之和的值是容易說(shuō)明的。只有在高反射帶的邊緣，等效位相厚度才顯著的偏離真實(shí)厚度。 而在通帶的其他位置，等效位相厚度幾乎嚴(yán)格等于

6、基本周期的實(shí)際位相厚度22HLH22LHLsin)(21arccoscossin2sin)(21cos2arccoscosarccos2211qpqqpqqppqqpqpM)2(qp 因此在通帶內(nèi)多層膜好像一個(gè)光學(xué)厚度和折射率都略微變化的單層膜。 在無(wú)吸收的基片上鍍以實(shí)際的單層介質(zhì)膜時(shí)，其反射率在兩個(gè)極值之間振蕩。這兩個(gè)極值取決于膜厚等于/4的整數(shù)倍，當(dāng)膜厚等于/4的偶數(shù)倍時(shí)，膜是一個(gè)虛設(shè)層，因此反射率就是光潔基片的反射率，當(dāng)膜厚等于/4的奇數(shù)倍時(shí)，取決于薄膜折射率高于或低于基底折射率，反射率將出現(xiàn)極大值或者極小值。 相應(yīng)膜厚為/4偶數(shù)倍時(shí)的反射率： 相應(yīng)膜厚為/4奇數(shù)倍時(shí)的反射率：2020)

7、/()(gg220220)/()/(gfgf以此繪出兩條曲線，它們就是極大值和極小值的軌跡，也就是單層膜反射率曲線的包絡(luò)。而膜的有效光學(xué)厚度為ndcos，即滿足偶數(shù)倍極值波長(zhǎng)的位置由下式?jīng)Q定： 滿足奇數(shù)倍的極值波長(zhǎng)位置由下式?jīng)Q定：將 由對(duì)稱周期的等效折射率E來(lái)代換，由于E是波長(zhǎng)的函數(shù)，如下圖所示，為了找到極大值和極小值的位置，找出使多層膜的總厚度等于/4的整數(shù)倍的g值。此時(shí)多層膜的等效總位相厚度應(yīng)當(dāng)是/2的整數(shù)倍，如果多層膜有s個(gè)周期，那么總等效位相厚度將是sT。 對(duì)應(yīng)與反射率包絡(luò)線的次峰。.3 , 2 , 1, 2/cosmmnd.3 , 2 , 1, 4/) 12(cosmmndf.6 ,

8、 4 , 2.5 , 3 , 1,2mmsm或 壓縮通帶波紋的方法： A.選取一個(gè)對(duì)稱組合，使其通帶內(nèi)的等效折射率與基片折射率相接近。 AHLHnG|)22( |1035. 2,45. 1,52. 1HLGnnn通過(guò)對(duì)L/2HL/2和H/2LH/2兩種基本型等效折射率分析可以得到L/2HL/2適合短波通，H/2LH/2適合長(zhǎng)波通。ALHLnG|)22( |1035. 2,45. 1,52. 1HLGnnnB.改變周期內(nèi)的膜層厚度，使其等效折射率變更到更接近預(yù)期值。要使這種方法有成效，則要求光潔基片保持低的反射率即基片應(yīng)有低的折射率，在可見(jiàn)光區(qū)，玻璃是十分滿意的基片材料，但是這種方法不能不加修改

9、就用于紅外區(qū)，例如用于硅板和鍺板， 更常用的方法是在多層膜的每一側(cè)加鍍匹配層，使它同基片以及入射介質(zhì)匹配。C.在對(duì)稱膜系的每一側(cè)加匹配層，使他同基片以及入射介質(zhì)匹配。如果在對(duì)稱膜系與基片間插入折射率 的/4層，而在膜系與入射介質(zhì)間插入 的/4層，則只要31EEg013和當(dāng)對(duì)稱膜系的表現(xiàn)如同一個(gè)/4層時(shí)，膜系的組合導(dǎo)納恰好是 因此反射率是 當(dāng) 時(shí)，反射率R為零。 當(dāng)對(duì)稱膜系表現(xiàn)的如同一個(gè)/2層時(shí)，它相當(dāng)于虛設(shè)層，反射率為 當(dāng) 時(shí)，反射率R也為零。即滿足的條件，便得到匹配層預(yù)期的導(dǎo)納值式。gEY22221/22232102223210)/(/)/(ggEER223210223210/ggR0223

10、21gE02321/g D.用非均勻?qū)酉y 困難在于不能制作折射率漸變至1.35以下的非均勻膜層，但是已經(jīng)解決了用非均勻?qū)邮苟鄬娱L(zhǎng)波通濾光片與鍺板相匹配的問(wèn)題。在等效層的折射率與基片和入射介質(zhì)的折射率差別頗大時(shí)，期間必須加鍍減反射層，但等效折射率在濾光片截止限附近急劇變化時(shí)，要實(shí)現(xiàn)等效折射率曲線陡變處的匹配而不大部分破壞水平部分的匹配要困難的多。因此兩膜系等效折射率曲線的水平部分一致，曲線陡變處，則使下式成立：gEE21通帶的展寬與壓縮 /4堆這種型式的長(zhǎng)波通濾光片，其長(zhǎng)波通帶可以一直延伸至膜料和基片的吸收限寬度是足夠的，但短波通濾光片因?yàn)橛懈呒?jí)次的截止區(qū)，所以它的通帶寬度是有限的，在有

11、些情況下例如某些類型的熱反光鏡，就要求寬得多的短波通帶，現(xiàn)在我們討論短波通濾光片通帶的展寬的問(wèn)題。 通過(guò)改變基本周期的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整每層的折射率、厚度，使1212211mm的條件不滿足，可以消除某些級(jí)次的反射帶。從圖中我們可以看到2，3級(jí)次的高反射帶被成功抑制了。截止波長(zhǎng)和截止帶中心透射率截止波長(zhǎng)的透射率膜系的特征矩陣在截止帶邊緣（即截止波長(zhǎng) ），可得截止波長(zhǎng)的透射率為：進(jìn)一步計(jì)算可以得到，隨著折射率 的增加和周期數(shù)s的增加，截止波長(zhǎng)的透射率減小，過(guò)渡特性也隨之變陡。SSiESEiSiEEiMsscossinsincoscossinsincos0sin, 1cosSc*000)(4CBCBTg)(qp截至濾光片傾斜使用時(shí)的偏振效應(yīng)干涉截止濾光片在很多情況下是傾斜使用的，這時(shí)薄膜的有效厚度變?yōu)?， 是第j層膜中的折射角，因此膜系的中心波長(zhǎng)將向短波方向移動(dòng)。為了使各層薄膜的有效厚度為 ，則薄膜的實(shí)際厚度 應(yīng)是 。截止帶半寬度為由于通常s分量的有效折射率比值比p分量的值大，所以前者的反射帶寬度比后者的寬，這就不可避免的產(chǎn)生偏振分離，同時(shí)使截止帶邊緣的陡度降低。jjjdcosj4/0jjdjcos4/01/1/arcsin2arcsin2L