2-5带通滤光片

2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
金属－介质滤光片是在介质薄膜的两边镀金属反射膜来形 成F-P 滤光片。其介质膜间隔层的厚度很薄，干涉级次比 空气间隔层的要小得多，一般干涉级次低于三级。若薄膜 间隔层的厚度超过第四级次，就开始显得粗糙，这种粗糙 会展宽通带，压低峰值透射率，使得高级次应用完全失去 其优越性。 金属反射膜一般是Ag 膜，优点是其反射带宽很宽，使这 种滤光片透射带两边的截止带很宽。但是金属反射膜的吸 收较大，使这种滤光片的峰值透射率不高，一般有35～ 40%，而且反射率也不能做的很高，这使得半宽度也不 能做的很窄，限制了滤光片性能的提高。 如果用多层介质反射膜代替金属反射膜，则可大大提高FP 滤光片的性能。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
在现代光纤通讯技术中， 将间隔层的厚度提高到很大，会出现很多级次的 透射峰， 改用石英玻璃或硅片作为间隔层， 制成了通带宽度窄(0.4nm)、通带间隔小的梳状 交错滤波器， 成功地用于密集波分复用器，解决了密集信道信 号的隔离提取问题。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
2.5.2 全介质Fabry-Perot滤光片
2.5.2 全介质Fabry-Perot滤光片
2.5.2 全介质Fabry-Perot滤光片
2.5.2 全介质Fabry-Perot滤光片
2.5.2 全介质Fabry-Perot滤光片
简单的Fabry-perot滤光片的透射率并不是理想 形状。 理想透射率曲线愈接近矩形越好。
带通滤光片
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
有时，除了半高宽还引入其它带 宽参量，如0.9倍峰值透射率的 带宽，0.1倍峰值透射率的带宽， 0.01倍峰值透射率的带宽，用来 说明通带形状以及接近于矩形的 程度
带通滤光片的结构形式 一个长波通膜系和一个短波通膜系重叠通带波 段，形成带通滤光片 光谱特性：可以获得较宽的截止带和较深的截 止度，但不容易获得很窄的通带。作为宽带通滤 光片。
介质薄膜
固体间隔 层滤光片
介质薄膜 固体材料 （熔融石英）
峰值透射率高， 固体间隔层加工精 半宽度极窄，温 度要求高，自由光 度稳定性好，镀 谱范围小 膜难度低
在使用滤光片时还有几种效应： （1）滤光片的老化效应：滤光片的光学性能随使用时间 而变化，这叫做滤光片的老化反应，也叫做滤光片的时效。 老化效应使滤光片通带中心波长变长，半宽度加宽。 减小老化效应的一个办法是把滤光片严格封接，或者使滤 光片使用环境保持干燥。 （2）滤光片的温度效应：温度变化也会使滤光片的中心 波长发生偏移，这是由于基底与膜层的热膨胀系数不同， 以及间隔层的折射率随温度变化引起。 选用热膨胀系数一致的基底与膜层材料可以减小波长 漂移，还可选用温度稳定性好的间隔层材料来减小这一效 应。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
因此固体腔滤光片可以实现高透射率的超窄带滤波，十分 适合作要求半宽很窄的DWDM 滤光片，它的透射率也可 以做到90%以上。而且它温度稳定性好，镀膜的难度低。 但是提高间隔层的干涉级次会使主级次透射带两边出现很 多透射带，各级次透射带之间的波长间隔（也就是自由光 谱范围FSR）也会变小，这是它的一个缺点。因此也不能 一味的提高间隔层厚度，应在设计和使用时要考虑实际的 使用要求，在要求的范围能选取适当的间隔层干涉级次。 但对多固体腔滤光片来说，若其各腔的干涉级次不同，会 有效增加自由光谱范围。
பைடு நூலகம்.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
只有避免干涉级次较低的透射峰，即将高于中心 波长的光截止，才能有更好的滤光单色性。 可惜截止长波区的颜色玻璃还不多见，限制了更 高级次滤光片的使用。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
提高反射膜的反射率也可压缩带宽，但对于金属介质滤光片而言，过于减小带宽将使峰值透射率 显著下降。 因此在可见区，它们的半宽度在5~10nm为佳。
几种窄带滤光片的比较
类型 间隔层材料 反射层材料 优点 缺点
空气间隔 层滤光片 金属－介 质滤光片 全介质滤 光片
空气
金属反射膜 容易加工制作
精度不高，温度稳 定性不好
介质薄膜
金属反射膜 通带两边的截止 峰值透射率不高， 带最宽 半宽度较大，温度 稳定性不高 介质薄膜 半宽度很窄，峰 镀膜难度高，成本 值透射率较高 高
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
固体腔滤光片的间隔层是由固体材料通过一定的 加工工艺制成，材料一般选用熔融石英。 这种材料线膨胀系数小，温度稳定性好，材料易 得，容易加工。反射层采用介质薄膜。 这种滤光片间隔层可以做的比较厚，也就是其干 涉级次比全介质滤光片高很多，这就可以发挥高 干涉级次的优越性，可以在不提高反射膜反射率 的情况下压缩半宽。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
制备金属-介质滤光片的要点： 金属应尽可能快地蒸镀在冷基片上。 可见区和近红外区，银和冰晶石效果很好 紫外区，铝和氟化镁或冰晶石效果好 蒸镀之后膜层应尽快地与盖片胶合，用环氧树脂 封边，避免潮气侵蚀。 紫外区(>300nm)，少数胶合剂适用 紫外区(<200nm)，没有适用的胶合剂。不 能用胶合盖片的方法。利用MgF2保护金属膜，并 令其成为金属膜的增透层。
如何使曲线接近矩形？ Smith方法：使用反射率急速变化的反射膜系。
2.5.2 全介质Fabry-Perot滤光片
2.5.2 全介质Fabry-Perot滤光片
上图中，R1是高折射率间隔层与入射介质界面的 反射率，是常数。 间隔层厚度为λ0/2，对于波长为λ0的光反射率R2很 低，而在λ0的两边波长所对应的反射率R3上升。 图中通带形状为一个有陡峭边缘并包含两个紧靠 一起的透射峰，在两峰之间只有一个浅的凹陷。 对于这种双峰滤光片的要求：其两峰中间的凹陷 应是浅的，这即意味在波长λ0处，R1和R2不应当 相差太多。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
中心波长由间隔层的厚度以及入射角决定 峰值透射率与基底材料、反射层的材料和层数有 关 通带半宽度与间隔层的干涉级次和反射层反射率 成反比
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
由方程2.54可知
2
0
2 1 R arcsin m 2 R
滤光片通带的半宽度决定于干涉级次和反射膜的反射率。
反射膜的反射率越高，干涉级次越高，则半宽度越小，滤 光片透射光的单色性越好。 提高干涉级次m，可减小通带宽度，但在主峰的长波侧会 出现低级次的透射峰。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
例：若滤光片针对中心波长λ0=500nm，设 计干涉级次m=3(即nd=3λ/2)。 那么对波长λ1=3λ0/2=750nm 和λ2=3λ0=1500nm的光 会分别出现 干涉级次m=2和m=1的透射峰。 如何改进？
Fabry and Perot
In 1899 Fabry and Perot described an interferometer which enabled high resolution observation of spectral features. First reported the use of a scanning FP for astronomy in 1914.

Fabry-Perot干涉仪形式的滤光膜系。 光谱特性：可以获得很窄的通带，但截止带宽 度通常也很窄，截止度也不深。大多情况配合使 用截止滤光片拓展截止带和增加截止深度。
长波通截止滤光片
短波通截止滤光片
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
标准Fabry-Perot干涉仪： 由两块相同、间距为d的平行反射板组成。 对于平行光线，除了一系列按相等波数间隔分 开的很窄的透射带以外，其余所有波长的透射率 都很低。 替换成薄膜组合： 两个金属反射层——平行反射板 介质层(间隔层)——板间空隙
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
Fabry-Perot 标准具
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
Fabry-Perot膜系 间隔层：折射率大于1的介质 基片表面：达到精密公差 干涉级次：低(薄膜间隔层不宜过厚，超过第四级 导致表面粗糙，影响滤光特性) Fabry-Perot标准具 间隔：折射率为1空气 基片表面：高度抛光，两板反射膜面的平面度要 求要达到1/20 到1/100波长 干涉级次：高
（3）滤光片的入射角效向：随着入射角的变化、 滤光片的透射波长，透射率和半宽度都发生变化。 一般来说，入射角加大，中心波长短移，透 射率变低，而半宽度加宽。半宽度越窄这种影响 就愈大。利用这种效应可以弥补老化效应，温度 效应引起的滤光片中心波长的飘移。但是若角度 太大，就会使滤光片的特性无法达到使用要求， 所以实际应用时，偏角多限在10º 以内。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
F-P 带通滤光片间隔层一般为空气、介质薄膜、 固体材料（熔融石英或云母），反射层一般为金 属膜或介质膜，这几种间隔层与反射膜的不同组 合就构成不同的滤光片。 最初的金属－空气滤光片，它的反射膜为金属膜， 间隔层材料是空气。其金属反射膜吸收较大，使 峰值透射率较低；而空气间隔层一般很厚，干涉 级次很高，自由光谱范围很小，光学和物理性质 不稳定，易受周围环境的影响，温度稳定性也不 高。一般用在要求不高的场合。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
曲线a：用于可见区的金属-介质滤光片的特性 曲线b：吸收玻璃的透射率，用以抑制短波通带
2.5.2 全介质Fabry-Perot滤光片
由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效的， （为什么？） 因此滤光片透射率峰值的两边会出现旁通带。 在大多应用中，必须抑制这些旁通带。 短波旁通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸收 玻璃滤光片便容易去掉。 但短波通吸收滤光片很难得到。虽然有吸收滤光 片能有效抑制长波旁通带，但其短波方面的透射 率太低，大大降低了整个滤光片的峰值透射率。
2.5.1 Fabry-Perot滤光片特性
全介质滤光片的反射膜与间隔层全部通过镀制介质薄膜形 成，它的间隔层干涉级次一般也不能高于三级。 要减小它的通带半宽度，只能提高间隔层两边反射层的反 射率，这可以通过增加反射膜层数来实现，其通带半宽度 可以作的比金属－介质滤光片的更窄。但是，增加反射膜 的层数会增加膜层的吸收和散射损耗，从而降低了峰值透 射率，而且增加了镀制难度和成本。因此用提高反射率来 压缩半宽也是有限制的。同时介质反射膜的反射带宽比金 属膜要小，所以该滤光片透射波长两边的截止带比金属－ 介质滤光片要小一些。