薄膜光学技术_第02章 05 带通滤光片

光谱特性是：可以获得很窄的通带，但截止带 宽度通常也比较窄, 截止度也不深，所以大多数情 况下都需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增 加截止深度。
4
2.5.1 F-P干涉仪和窄带滤光片
1. F-P干涉仪
由两个反射率为R1，R2，间隔为d的反射板组成， 透射光强的空间分布为：
I

1
T0
F sin2
b. 通带波形近似为三角形; c. 通带两侧截止区很窄; d. 制造工艺难度较大.
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全介质滤光片的带宽
如果两个反射膜对称，而且反射率足够高，则
F
4R12 (1 R12 )2

4 T122
2 20 sin1 T12
m
2
当层数给定时，用高折射率层作为最外层将得到最大反射率， 所以，实际上只有两种情况需要考虑．即
1. “金属--介质”型 G / Metal 4L Metal /G G /Metal 4L Metal /A
特点: a. 在通带以外的长波区无透射次峰; b. 通带较宽 2 0 1 50 ;
c. 中心透过率较低 T0 ~ 40% ;
d. 制造工艺简单。
13
K9/Ag(2.3nm)MgF2(560nm)Ag(2.3nm)/A

20 m
sin
1

1 2
R1 R2 R1 R2


20 m
sin1 1 R 2R
显然：
R R1R2
a. R1 、 R2 越高，通带越窄；
b. 提高 m 数（增加间隔层的厚度），通带将变窄。
但是，一般情况下m不大于4。
12
2.5.3 不同膜系结构的带通滤光片
arcsin
2nL2 x n 2 x 1
H
nG


40 nL2 x nG mnH2 x 1
2

20 m
sin1
T12 127
2).对于低折射率间隔层的情况 HLHx 2LHLx H
Y12

nH2x1 nL2x1
nH2 nG

nH2 X nL2x1nG
23
G/0.5H2LHLHLH2LHL0.5H/A
24
% Transmittance
100 80 60 40 20 0
500
单半波与双半波滤光片光谱曲线
520
540
560
580
Wavelength (nm)
600
25
由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效的，因此 滤光片透射率峰值的两边会出现旁通带。在大多数应用中， 必须将它们抑制掉。
全薄膜F-P干涉仪与空气间隔的F-P干涉仪的唯一区 别:两反射板之间的间隔层厚度与波长同量级, 即： Nd ～λ 。
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2.5.2 基本原理和特性参数
1. 最大透射率
窄带通干涉滤光片就是F-P干涉仪。
窄带通干涉滤光片的透射特性：
其中：
T I
T0
I0 1 F sin2
高折射率间隔层时的带宽：
2

20 m
arcsin
2nL2 x 1 nH2 x
nG


40 nL2 x 1nG mnH2 x
2

20 m
sin1
T12 128
应当注意：在上述公式中，我们完全略去了多层反射膜反射 相移的色散影响，认为在通带内它们是常数，并且其值为0 或π，实际上反射相移并不是常数，考虑到相移色散的影响
14
2. 全“介质单半波”型
反射膜/半波间隔层/反射膜
G/ ( HL )m [ k ( 2H ) ] ( LH )m /G G/ ( HL )m H [ k ( 2L ) ] H ( LH )m /G 特点:
a. A, S 很小, R1 , R2 很高, ∴ T0 ~ 90%
2 0 ~ 1 500
4）带通滤光片

G/(HL)m2H(LH)m/A

G /（HL）m2H(LH)2mL2H（LH ）m /G
A/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/A
2
带通滤光片的特性参数
T
Tm ax
22
1
T 2
m
ax
2△λ/ λ0——相对宽度
1 0 2

R12


nL nL
Y12 Y12
2


1 1

Y12 Y12
nL nL
2
当层数足够多时
Y12
nL

nH2 x nL2 x 1nG
1
R12 1 nL Y12 4 1 4nL Y12
T12 4nL Y12 4 nL2x1nG nH2x
—— 0由间隔层厚度确定。
注意：
a. m 是以 0 2 为单位的间隔层厚度；
b. m 也是该滤光片可产生的窄通带的个数。
T

I I0

T0
1 F sin2
11
3. 通带宽度 2
2 2 1
由定义：
T1


T 2


12T0
可推得：
2
短波旁通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸收玻璃滤 光片便很容易去掉，但是很不容易得到短波通吸收滤光片。 有些可供利用的吸收滤光片虽然能有效地抑制长波旁通带， 但因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。
解决这个问题的最满意的办法是，干脆不用吸收滤光片， 而是将诱导透射滤光片作为截止滤光片使用。由于诱导透射 滤光片没有长波旁通带，而且其峰值透射率可做得很高(80% 左右)，所以它们用在这种场合是非常成功。
2


1 1

Y12 Y12
nH nH
2
当层数足够多时
Y12
nH nL2xnG
n2 x1 H

1
R12 1 Y12 nH 4 1 4Y12 nH
T12 4Y12
nH 4 nL2xnG
n2 x1 H
高折射率间隔层时的带宽：
2

20 m
C.如果反射膜有吸收、散射损失，假定反射膜仍是 完 的全反对射称率的、，透用射R率12、以T及12吸和收A1和2分散别射表损示失两。反由射膜于 R12+T12+A12＝1，峰值透射率可以写成：
Tmax

T122 (1 R12 )2

(T12
T122 A12 )2

(1
1 A12 / T12 )2
T0

T1 T2 (1 R1 R 2 )2

T1 T2 (1 R )2
Tmax ,
R
R1 R2
-----通带中心透过率 / 最大透过率
7
影响 T0 的因素：
a. 如果： 吸收和散射均为零，而且 R1 = R2 ， 那么 T0 = 1 ;
b. 如果：吸收和散射均为零，但是，R1≠R2 ，

T1(T1 )
1

R1[1

1 2
(
/
R)

]2
反射膜不对称对法布里—珀珞滤光片 峰值透射率的影响
如果△/R1足够小，则可以只取展开式的前两项，稍加整理即得：
Tmax

T12 (1 R1)2
1 / T1
(1
1 2

/
T1 ) 2
R R1R2
9
影响 T0 的因素：
第二章 光学薄膜膜系设计及其应用
2.5 带通滤光片
1
课堂论题九
全介质规则膜系及其应用：

1）反射镜、激光谐振腔 ( LH )S

2）中性分束镜 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/A


3）截止滤光片
H 2
L
H 2
S

、

L 2
H
L 2

S
2 L 2 H 2 Lm 3 3 3
I0
其中： T0 T1 T2 (1
2
R1 R2 )
F 4 R1 R2 1 R1 R2 2
2nd (1 2) / 2
1, 2是对应于R1，R 2的反射相移
2 nd为间隔层厚度
5
2. 全薄膜F-P干涉仪
包括间隔层在内的所有功能元件全部由薄膜组成。 例:G(HL)8 2H (LH)8 G.
那么 T0 ≠ 1 , T0 f T2 T1 ;
T0
1
0.5
T2
1
T1
23
8
两个反射膜的不对称性对峰值透射率的影响
如果：吸收和散射均为零，但是，R1≠R2
Tmax
(1
T1T2 R1R2
)2
Tmax

(1
T1(T1 ) R1(R1 ) )2

(1
T1(T1 ) R1 1 / R1 )2
反射膜/半波间隔层/反射膜（金属层）/半波间隔层/反射膜
特点:
a. 金属层的吸收比其只处在单一介质中时低的多；
b. 没有长波透射次峰。
T0 ~ 80%
27
G/HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH/A
28
2.5.4 NBPF的应用
DWDM （Dense Wavelength Division Multiplexing 密集波分复用）; CWDM （Coarse Wavelength Division Multiplexing 稀疏波分复用）
G LH2L(HL)3H2LHLH A 三半波型: G LHL(LHLHLHLHL)2LHL A 五半波型: G LHL(LHLHLHL)4LHLHL A 特点:
半波长间隔层数越多，波形越接近矩形，但通带半 宽度不变。
反射膜/半波间隔层/反射膜/半波间隔层/反射膜
22
G/HLH2LHLHLH2LHLH/A
Biblioteka Baidu10
2.通带中心波长 0---- 透射率极大值的位置
由 2nd 0 1 2 2 k
0 2nd k 1 2 2
当 k 1 2 2 m,(m 1,2,3,...) 时，
nd m 0 2
HLx 2HLHx
2



20 m
sin 1
1 2
R1 R2 R1 R2
HLHx 2LHLx H
16
1）. 对于高折射率间隔层的情况 HLx 2HLHx
Y12

nL2 x nH2 x
nG
R12


nH nH
Y12 Y12
(NH NL) (NH NL) NL / m
对于高折射率间隔层 对于低折射率间隔层
2

40
N
2x L
N
g
(NH NL )
m
N
2x H
1
(NH

NL

NL m
)
2

40 N2Lx-1Ng
m
N
2x H
(NH NL )
(NH

NL

NL m
)
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全介质带通滤光片-单半波
λ0——（峰值波长）中心波长
T max——（峰值透射率）中心波长的透射率
2△λ——（通带宽度）透射率为峰值透射率一半的波长宽度
3
带通滤光片的两种结构形式：
长波通+短波通
这种结构得到的光谱特性是：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， 所以常用于获得宽带通滤光片。
F-P干涉滤光片
29
1.应用于光纤通信DWDM 系统的超窄带滤光片
⑴ DWDM超窄带滤光片的设计要求 在光通信中，各个波长的透射率用损耗（dB）给出，它
和透射比T 的关系是τ= -10lgT
①中心波长和峰值插入损耗
根据国际通信联盟（ITU）的规定，DWDM系统对 200GHz的滤光片，其峰值插入损耗要求|τ | ≤0.3dB；对 100GHz的滤光片，其峰值插入损耗要求| τ | ≤ 0.5dB。它 们对应的滤光片的中心波长的透射率分别为98%和93% 。
G/(HL)x2H(LH)x/A
G/HLHLHLHLH2HLHLHLHLH/A 20
G/H(LH)x2L(HL)xH/A
G/HLHLHLHL2LHLHLHLHLH/A
21
3. 全“介质多半波”型
“多半波”是指膜系中有多个λ0/2 间隔层。 双半波型: G HL2H(LH)2L2HLH G
这说明 ：反射膜的透射率愈低或吸收、散射愈大， 则峰值透射率愈低．
A+S ~ 0.5% , R ~ 98.8% , T max ~ 50% ; A+S ~ 1% , R ~ 98.8% , T max ~ 30% .
这也足以说明F—P滤光片对膜层的吸收、散射损失是极其敏 感的。对于金属—介质法布里—珀珞滤光片，由于金属反射 膜的固有吸收，这种滤光片的峰值头射率不可能做得太高， 一般以35—40％为宜．
通常将构成最后的滤光片的三个组件胶合成一个整体 。
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4. “诱导”型
“诱导”-----依靠金属层两侧的介质膜系, 使金属层 的潜在最大可能透射率被诱发出来。
G HLHLH 1.75L Ag 1.75L HLHLH G
也可以视作: Ag层代替两个间隔层之间的反射膜的 双半波窄带通滤光片。