干涉截止滤光片.

干涉截止滤光片姓名：费海明学号：1402100022015.4.15截止滤光片吸收型吸收与干涉组合型薄膜干涉型1.特性2.周期结构3.通带透射率4.通带波纹的压缩5.通带的展宽和压缩6.截止波长和截止带中心的透射率7.倾斜时的偏振效应对入射角不敏感，便宜，但截止波长不易调节1.什么是截止滤光片？•在某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长区域的光束骤然变化为高反射。•分类：薄膜干涉性截止滤波片吸收与干涉组合型截止滤波片吸收型截止滤波片按作用机理分按波段分长波截止滤光片短波截止滤光片长波通滤光片的典型特性短波通滤光片的典型特性2.滤光片的特性参数•1.透射曲线开始上升或下降时的波长，以及此曲线上升的许可斜率。•2.高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率。•3.反射带（或称抑制带）的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。3.干涉截止滤光片的基本膜系类型•干涉型截至滤光片的基本膜系类型是λ/4周期性膜堆，其透射率曲线主要特征是一连串的高反射带间隔的高透射带。结构：S|(HL)^9|AS:1.52H:ZnS2.3L:MgF21.38sLH)(•1.这类膜系的截至滤光片，并非以某一波长为界，一侧高透一侧高反的理想模式，而只是在某一有限波段，实现某一波长为界，一侧高透另一侧高反的波段截止滤光、分光膜堆；2.即便是同一个周期性膜堆，也是既可以用作截止长波的短波通滤光片，也可以用做截止短波的长波通滤光片。•若截止波长范围特别窄的光线，或者对于波长超过滤光片截止限的光线，检测器本身已经不灵敏，那么此时滤光片的截止带宽度是够用的。然而，很多情况下，希望截止短于某个特定波长或者长于某一波长的所有光线，因此应当设法展宽截止带。同时通带波纹也将影响通带最小透射率，需要压缩通带波纹。•主要任务：•1.研究通带的透射特性：通带透射率，通带的展宽和压缩，消除和减小通带波纹•2.研究反射带的抑制特性：截止波长和截止带中心的透射率•可以看出标准的四分之一波长的反射膜在反射带以外，透射率是震荡的，或者说通带内有较大的波纹幅度，我们下面利用等效折射率的方法来分析，找到波纹压缩的方法。通带特性：利用等效折射率概念分析：•在λ/4多膜层的每一侧加一个λ/8膜层•对于pqp对称膜系，我们知道：2...2HHLLHLH2...2LLHHLHL22...222HLHHLHLH22...222LHLLHLHLSHLH)22(SLHL)22(ppppppqqqqqqppppppiiiiiiMMMMMcossinsincoscossinsincoscossinsincos22211211•由于•易知取得其极值，即截止带的边界•化简可得qppqqpqpMsin2sin21cos2cos11qp2qpqqpqM2211sin21cos111M111M22cosLHLHennnn•因为•截止带边界为：•于是截止带宽度为：•时•时g2242000g)1(2ge)(220gpqpqpqpqgarcsin2pqqpgarcsin2•因此，不论基本周期是还是，截止带宽度完全相同。•自然，可能有其他形式的三层组合，其中心层厚度并不等于外层厚度的两倍。但是仅就截止带宽度而言，已经证明，当三层对称周期的中心厚度是λ/4,每个外层是λ/8，将得到最大的截止带宽度。•等效位相厚度：•通常取最接近的值，即取各层膜实际位相厚度之和的Γ值是容易说明的。只有在高反射带的边缘，等效位相厚度才显著的偏离真实厚度。•而在通带的其他位置，等效位相厚度几乎严格等于基本周期的实际位相厚度22HLH22LHL]sin)(21arccos[cos]sin2sin)(21cos2arccos[cosarccos2211qpqqpqqppqqpqpM)2(qp•因此在通带内多层膜好像一个光学厚度和折射率都略微变化的单层膜。•在无吸收的基片上镀以实际的单层介质膜时，其反射率在两个极值之间振荡。这两个极值取决于膜厚等于λ/4的整数倍，当膜厚等于λ/4的偶数倍时，膜是一个虚设层，因此反射率就是光洁基片的反射率，当膜厚等于λ/4的奇数倍时，取决于薄膜折射率高于或低于基底折射率，反射率将出现极大值或者极小值。•相应膜厚为λ/4偶数倍时的反射率：•相应膜厚为λ/4奇数倍时的反射率：2020)/()(gg220220)//()/(gfgf•以此绘出两条曲线，它们就是极大值和极小值的轨迹，也就是单层膜反射率曲线的包络。•而膜的有效光学厚度为ndcosθ，即满足偶数倍极值波长的位置由下式决定：满足奇数倍的极值波长位置由下式决定：将由对称周期的等效折射率E来代换，由于E是波长的函数，如下图所示，为了找到极大值和极小值的位置，找出使多层膜的总厚度等于λ/4的整数倍的g值。此时多层膜的等效总位相厚度应当是π/2的整数倍，如果多层膜有s个周期，那么总等效位相厚度将是sT。对应与反射率包络线的次峰。...3,2,1,2/cosmmnd...3,2,1,4/)12(cosmmndf....6,4,2..5,3,1,2mmsm或•压缩通带波纹的方法：•A.选取一个对称组合，使其通带内的等效折射率与基片折射率相接近。•AHLHnG|)22(|1035.2,45.1,52.1HLGnnn通过对L/2HL/2和H/2LH/2两种基本型等效折射率分析可以得到L/2HL/2适合短波通，H/2LH/2适合长波通。ALHLnG|)22(|1035.2,45.1,52.1HLGnnn•B.改变周期内的膜层厚度，使其等效折射率变更到更接近预期值。要使这种方法有成效，则要求光洁基片保持低的反射率即基片应有低的折射率，在可见光区，玻璃是十分满意的基片材料，但是这种方法不能不加修改就用于红外区，例如用于硅板和锗板，更常用的方法是在多层膜的每一侧加镀匹配层，使它同基片以及入射介质匹配。•C.在对称膜系的每一侧加匹配层，使他同基片以及入射介质匹配。如果在对称膜系与基片间插入折射率的λ/4层，而在膜系与入射介质间插入的λ/4层，则只要31EEg013和•当对称膜系的表现如同一个λ/4层时，膜系的组合导纳恰好是因此反射率是当时，反射率R为零。当对称膜系表现的如同一个λ/2层时，它相当于虚设层，反射率为当时，反射率R也为零。即满足的条件，便得到匹配层预期的导纳值式。gEY22221/22232102223210)]/(/[)]/([ggEER223210223210]//[]/[ggR022321gE02321//g•D.用非均匀层消除波纹•困难在于不能制作折射率渐变至1.35以下的非均匀膜层，但是已经解决了用非均匀层使多层长波通滤光片与锗板相匹配的问题。在等效层的折射率与基片和入射介质的折射率差别颇大时，期间必须加镀减反射层，但等效折射率在滤光片截止限附近急剧变化时，要实现等效折射率曲线陡变处的匹配而不大部分破坏水平部分的匹配要困难的多。因此两膜系等效折射率曲线的水平部分一致，曲线陡变处，则使下式成立：gEE21通带的展宽与压缩λ/4堆这种型式的长波通滤光片，其长波通带可以一直延伸至膜料和基片的吸收限宽度是足够的，但短波通滤光片因为有更高级次的截止区，所以它的通带宽度是有限的，在有些情况下例如某些类型的热反光镜，就要求宽得多的短波通带，现在我们讨论短波通滤光片通带的展宽的问题。通过改变基本周期的结构形式，调整每层的折射率、厚度，使1212211mm的条件不满足，可以消除某些级次的反射带。从图中我们可以看到2，3级次的高反射带被成功抑制了。截止波长和截止带中心透射率•截止波长的透射率膜系的特征矩阵在截止带边缘（即截止波长），可得截止波长的透射率为：进一步计算可以得到，随着折射率的增加和周期数s的增加，截止波长的透射率减小，过渡特性也随之变陡。SSiESEiSiEEiMsscossinsincoscossinsincos0sin,1cosSc*000))((4CBCBTg)(qp截至滤光片倾斜使用时的偏振效应•干涉截止滤光片在很多情况下是倾斜使用的，这时薄膜的有效厚度变为，是第j层膜中的折射角，因此膜系的中心波长将向短波方向移动。为了使各层薄膜的有效厚度为，则薄膜的实际厚度应是。•截止带半宽度为由于通常s分量的有效折射率比值比p分量的值大，所以前者的反射带宽度比后者的宽，这就不可避免的产生偏振分离，同时使截止带边缘的陡度降低。jjjdcosj4/0jjdjcos4/01/1/arcsin2arcsin2LHLHLHLHg•对于给定的基本周期和入射角，偏振效应随着j的增加而相应的减小。•对于结构为的滤光片，为了减小偏振效应，α的值要大于1，从而截止带的宽度也较小，因此必须在两者之间权衡利弊，作一适当的选择。•除此之外，在设计光学系统时，应合理选择平板二向色镜或棱镜二向色镜形式，尽可能减少入射角，这是减少偏振效应的有效措施。gsgsnHLnnLHn|)(||)(|00或