薄膜光学技术-第02章-05-带通滤光片

12.5带通滤光片第二章光学薄膜膜系设计及其应用2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4）带通滤光片G/(HL)m2H(LH)m/AG/（HL）m2H(LH)2mL2H（LH）m/GA/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/ALLH2222SSHHL、mL32H32L323带通滤光片的特性参数20122maxTmax21TTλ0——（峰值波长）中心波长Tmax——（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2△λ/λ0——相对宽度4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。带通滤光片的两种结构形式：52.5.1F-P干涉仪和窄带滤光片1.F-P干涉仪020sin1IFTI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：122()/2nd22121RR1RR4F的反射相移，是对应于212,1RR221210)1(RRTTT其中：为间隔层厚度nd262.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)82H(LH)8G.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。72.5.2基本原理和特性参数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：-----通带中心透过率/最大透过率200sin1FTIIT21max221221210,)1()1(RRRTRTTRRTTT1.最大透射率8影响的因素：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，那么T0≠1,;0T120TTfT0T5.0121312TT9两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≠R212max212(1)TTTRR1111max2211111121()()(1())(11/)()11[1(/)]2TTTTTRRRRTTRR如果△/R1足够小，则可以只取展开式的前两项，稍加整理即得：211max22111/1(1)(1/)2TTTRT反射膜不对称对法布里—珀珞滤光片峰值透射率的影响21RRR10影响的因素：C.如果反射膜有吸收、散射损失，假定反射膜仍是完全对称的，用R12、T12和A12分别表示两反射膜的反射率、透射率以及吸收和散射损失。由于R12+T12+A12＝1，峰值透射率可以写成：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%,Tmax~50%;A+S~1%,R~98.8%,Tmax~30%.0T221212max22212121212121(1)()(1/)TTTRTAAT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．112.通带中心波长----透射率极大值的位置由当时，——由间隔层厚度确定。注意：a.m是以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。knd222102knd2210,...)3,2,1m(,m2k212mnd00020200sin1FTIIT123.通带宽度由定义：可推得：显然：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。2122021T21TTRRmRRRRm21sin221sin221021211021RRR但是，一般情况下m不大于4。132.5.3不同膜系结构的带通滤光片1.“金属--介质”型G/Metal4LMetal/GG/Metal4LMetal/A特点:a.在通带以外的长波区无透射次峰;b.通带较宽;c.中心透过率较低;d.制造工艺简单。50120%40~0T14K9/Ag(2.3nm)MgF2(560nm)Ag(2.3nm)/A152.全“介质单半波”型G/(HL)m[k(2H)](LH)m/GG/(HL)mH[k(2L)]H(LH)m/G特点:a.A,S很小,R1,R2很高,∴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.%90~T05001~20反射膜/半波间隔层/反射膜16全介质滤光片的带宽122212124R4F(1R)T如果两个反射膜对称，而且反射率足够高，则10122T2sinm2xxHL2HLHxxHLH2LHLH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212110RR2RR1sinm22171）.对于高折射率间隔层的情况xxHL2HLH当层数足够多时112212xHGxLHnnnnY1221212124121244411xHGxLHHHnnnnYTnYnYR高折射率间隔层时的带宽：1220122042arcsin22xHGxLGxHxLnmnnnnnmGxHxLnnnY221221212212121211HHHHnYnYYnYnR10122T2sinm2182).对于低折射率间隔层的情况当层数足够多时112212GxLxHLnnnnYxHGxLLLLnnnYnTYnYnR2121212124121244411高折射率间隔层时的带宽：xxHLH2LHLHGxLXHGHxLxHnnnnnnnY122212121221212212121211LLLLnYnYYnYnRxHGxLGxHxLnmnnnnnm2120212042arcsin2210122T2sinm219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HLHLL(NN)(NN)N/m对于高折射率间隔层对于低折射率间隔层2x0LgHL2x1LHHL4NN(NN)2NmN(NN)m2x-10LgHL2xLHHL4NN(NN)2NmN(NN)m20全介质带通滤光片-单半波G/HLHLHLHLH2HLHLHLHLH/AG/(HL)x2H(LH)x/A21G/HLHLHLHL2LHLHLHLHLH/AG/H(LH)x2L(HL)xH/A223.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:GHL2H(LH)2L2HLHGGLH2L(HL)3H2LHLHA三半波型:GLHL(LHLHLHLHL)2LHLA五半波型:GLHL(LHLHLHL)4LHLHLA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23G/HLH2LHLHLH2LHLH/A24G/0.5H2LHLHLH2LHL0.5H/A25020406080100500520540560580600单半波与双半波滤光片光谱曲线%TransmittanceWavelength(nm)26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。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。通常将构成最后的滤光片的三个组件胶合成一个整体。274.“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。GHLHLH1.75LAg1.75LHLHLHG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。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。%80~T0反射膜/半波间隔层/反射膜（金属层）/半波间隔层/反射膜28G/HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH/A292.5.4NBPF的应用DWDM（DenseWavelengthDivisionMultiplexing密集波分复用）;CWDM（CoarseWavelengthDivisionMultiplexing稀疏波分复用）30⑴DWDM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%。②通带宽度要求窄带滤光片的通带波形为矩形。③通带波纹系数1.应用于光纤通信DWDM系统的超窄带滤光片maxmin31用于DWDM系统的F-P干涉滤光片大多数采用:66777766G/()2()()2()()2()()2()/HLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHA2.06Hn1.45LnGn1.52DWDM超窄带滤光片119层四半波滤光片四腔型滤光片HHHHHHHHLLLLLLLLL耦合层间隔层间隔层单腔滤光片单腔滤光片双半波滤光片的一种基本结构32性能指标：中心波长的峰值插入损耗为-0.11dB,通带带宽为0.87nm,截止带带宽为1.99nm,通带波纹系数近似为0。332.应用于光纤通信DWDM系统的光学梳状滤波器Interleaver是一种可把一列频率间隔为Δf的光信号分成两列频率间隔为2Δf、并分别从两个信道输出的光信号光学梳状滤波器.按照Fabry-Poret干涉原理，如果石英玻璃的光学厚度为nd，K是其两侧膜层反射率决定的系数，那么：①．通带是一系列对应整数序列m=1、2、3、4、5、…，中心频率为mc2ndm通带宽度为12/2nd=2cRkcndR通带间隔为1/2ndmmc②.反射带是：一系列中心频率、通带带宽、通带间隔与高透射率带簇互补的高反射率带簇。即：F-P干涉型梳状滤波器的通带和反射带就像梳状镜子一样将整个频段一分为二。342.应用于光纤通信DWDM系统的光学梳状滤波器中国专利ZL01240367.9采用间隔层为熔融石英的薄膜F-P腔作为基本单元进行三腔叠加设计了梳状