光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)用超窄帶通濾光片的設(shè)計(jì)

郝聯(lián)捷

（長(zhǎng)治衛(wèi)生學(xué)校，山西 長(zhǎng)治 046000）

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)用超窄帶通濾光片的設(shè)計(jì)

郝聯(lián)捷

（長(zhǎng)治衛(wèi)生學(xué)校，山西 長(zhǎng)治 046000）

為了消除光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中因?yàn)V光片帶寬較大而導(dǎo)致的誤差，利用Anderson局域的概念，采用隨機(jī)探索式優(yōu)化法，設(shè)計(jì)出帶通位置在特征峰處的超窄帶濾光片。結(jié)果表明，該窄帶通濾光片能夠很好的滿足光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中對(duì)濾光片的需求。

光電效應(yīng)；非規(guī)整；膜系；超窄；帶通；濾光片

1 引言

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)揭示了光的量子性質(zhì)，用光電效應(yīng)法測(cè)普朗克常量是各大學(xué)普遍開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但是，測(cè)量普朗克常量h時(shí)，很難獲得較高精度。一個(gè)比較重要的原因就在于目前通常使用的濾波片并不能很好的將所需譜線以外的其他譜線濾除，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有所偏差。本文采用一種目前較為流行的膜層設(shè)計(jì)算法對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中使用的濾光片加以重新設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能及特點(diǎn)加以討論。

2 傳統(tǒng)光電效應(yīng)濾波片性能分析

現(xiàn)今，利用光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的理論基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦光電方程：

其中，m和Vm是光電子的質(zhì)量和最大初速度，A為逸出功，h為普朗克常量，v為入射光的頻率。從中可以看出，濾光片濾色效果的好壞很大程度上決定了結(jié)果的準(zhǔn)確度［1］。

圖1是光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)常用的濾光片，從左至右分別為 365 nm，405 nm，436 nm，546 nm，577 nm濾光片的透過(guò)率曲線?？梢钥闯?，此類濾光片均存在著帶寬較大，透射系數(shù)較小的問(wèn)題[2]。本文借鑒隨機(jī)探索式膜系設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了帯通較窄，通帶區(qū)域投射系數(shù)較高的濾光片。

圖1 T-λ關(guān)系曲線

3 膜系設(shè)計(jì)理論及隨機(jī)探索算法的實(shí)現(xiàn)

膜系設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)是光學(xué)多層膜系統(tǒng)的光譜系數(shù)計(jì)算，關(guān)鍵是評(píng)價(jià)函數(shù)的選取和構(gòu)造以及算法的設(shè)計(jì)。一般采用特征矩陣法來(lái)計(jì)算多層膜系統(tǒng)的光譜系數(shù)。常規(guī)的超窄帶通濾光片設(shè)計(jì)多采用類似于F-P（Fabry-Perot）干涉儀的結(jié)構(gòu)，即在兩個(gè)λ/4膜系構(gòu)造的高反射層間夾一間隔層的設(shè)計(jì)［3］。這種設(shè)計(jì)可以給出帶寬非常窄的濾光片，但它對(duì)膜系中厚度的漲落非常敏感。只要膜厚出現(xiàn)微小的漲落，就會(huì)使濾光片的性能明顯退化，因而對(duì)膜厚的控制精度要求很高。

為此，現(xiàn)將光子晶體中Anderson局域模的概念引入到濾光片的設(shè)計(jì)中來(lái)，并運(yùn)用隨機(jī)探索式優(yōu)化算法，提出采用非規(guī)整膜系替代常規(guī)的λ/4膜系以及間隔層的設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)造超窄帶通濾光片，即膜系中膜厚相對(duì)于λ/4膜系等規(guī)整的周期膜系有一個(gè)隨機(jī)的漲落［4，5］。這種膜系同樣可以給出帶寬非常窄的濾光片，而且高反區(qū)域大大加寬，同時(shí)降低了濾光片對(duì)膜厚漲落的敏感度與對(duì)膜厚控制精度的要求。

4 436 nm窄帶通濾光片的設(shè)計(jì)

以汞燈436 nm的中心波長(zhǎng)為濾光片的中心波長(zhǎng)。根據(jù)光電效應(yīng)的要求，需要在可見(jiàn)光范圍內(nèi)濾除其他波長(zhǎng)的光。根據(jù)隨機(jī)探索算法的及其程序設(shè)計(jì)原理，膜系初始條件選定如下：層數(shù)m設(shè)定為30層；高折射率材料取氧化鈦，n3=2.2；中等折射率材料取氧化鋁，n2=1.79；低折射率材料取石英，n1=1.33；入射角φ=0°。在一光學(xué)玻璃襯底上，依次為真空鍍底層薄膜、中間層薄膜、頂層薄膜。底層薄膜由低折射率的石英（n1=1.33）無(wú)序性膜層與高折射率的氧化鈦（n2=2.2）無(wú)序性膜層交替疊層12次真空蒸鍍組成，中間層薄膜由高折射率的氧化鈦（n2=2.2）無(wú)序性膜層與中間折射率的氧化鋁（n2=1.79）無(wú)序性膜層交替疊層8次真空蒸鍍組成，頂層薄膜由低折射率的石英（n1=1.33）無(wú)序性膜層與高折射率的氧化鈦（n2=2.2）無(wú)序性膜層交替疊層12次真空蒸鍍組成。

無(wú)序性膜層的厚度：

（1）根據(jù)各層已知的折射率，定出其四分之一波長(zhǎng)厚度di=436/（4ni），其中ni為第i層的折射率；

（2）對(duì)數(shù)值di進(jìn)行隨機(jī)的變化，應(yīng)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中數(shù)值0到1的隨機(jī)函數(shù)給出64層介質(zhì)厚度的初始化值dm；

圖2 程序流程

（3）應(yīng)用以下計(jì)算過(guò)程通過(guò)典型的隨機(jī)探索式的優(yōu)化過(guò)程可以獲得相應(yīng)的各介質(zhì)層厚度。在運(yùn)行上述過(guò)程時(shí)，要預(yù)先產(chǎn)生好期望的窄帶濾光片的透射光譜曲線，對(duì)于本例，436 nm為中心波長(zhǎng)，帶寬小于1 nm，該投射光譜的特征是：波長(zhǎng)范圍在435 nm～437 nm時(shí)，投射系數(shù)為1，其余波段投射系數(shù)為0。該光譜將在運(yùn)行時(shí)被讀入到數(shù)組Tj中。具體流程見(jiàn)圖2。

進(jìn)過(guò)程序運(yùn)行后得到如下結(jié)果：

①圖3所示的透射率光譜特性曲線，其半高寬約為0.5 nm左右，中心波長(zhǎng)436 nm處的峰值透射率超過(guò)90%，截止區(qū)的最高透射率不超過(guò)15%；

圖3 589.3nm窄帶濾光片光譜特性

②膜系結(jié)構(gòu)：air|74石英63氧化鈦71石英52氧化鈦118石英59氧化鈦75石英54氧化鈦92石英88氧化鈦70石英61氧化鈦102石英59氧化鈦91石英65氧化鈦41石英67氧化鈦56石英46氧化鈦57石英52氧化鈦53石英54氧化鈦；

氧化鋁51氧化鈦46氧化鋁41氧化鈦61氧化鋁80氧化鈦47氧化鋁49氧化鈦44氧化鋁34氧化鈦33氧化鋁43氧化鈦39氧化鋁48氧化鈦44氧化鋁44氧化鈦39；

石英165氧化鈦56石英61氧化鈦48石英64氧化鈦33石英52氧化鈦93石英93氧化鈦75石英66氧化鈦48石英67氧化鈦65石英52氧化鈦37石英103氧化鈦45石英96氧化鈦45石英53氧化鈦40石英67氧化鈦45|sub。

5 結(jié)果分析

從圖2可以看出，通過(guò)隨機(jī)探索式優(yōu)化法得出的濾光片帯通很窄，可以有效的濾除其他頻率的光，使得入射光單色性較好，進(jìn)而可以有效解決因入射光單色性不好造成的測(cè)量精度問(wèn)題。此外，采用的無(wú)序性膜系形成的窄帶通濾光片其峰位對(duì)膜系中膜層漲落敏感性要比傳統(tǒng)的λ/4膜系為代表的周期性膜系形成的窄帶通濾光片低約3倍[5]，圖2（b）中的虛線為在實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的膜系基礎(chǔ)上各層有隨機(jī)的5%厚度漲落情況下的無(wú)序性膜系產(chǎn)生的透射譜?？梢钥闯觯?dāng)鍍膜中膜系各膜層有5%隨機(jī)漲落時(shí)，薄膜的透過(guò)率并未受到很大影響，峰位略微偏移1nm左右，該偏移可以通過(guò)改變?nèi)肷浣嵌葋?lái)調(diào)節(jié)。因此，采用控制精度達(dá)5%的普通熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)也能制備出該薄膜。本設(shè)計(jì)的薄膜一共是64層，如果對(duì)帯通寬度要求沒(méi)有這么嚴(yán)格，可以適當(dāng)減少層數(shù)，并應(yīng)用程序重新設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì)膜層降低至32層時(shí)，依然可以實(shí)現(xiàn)上述透射光譜，但帶寬要比64層的寬一些。

6 結(jié)論

采用隨機(jī)探索式優(yōu)化法，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出鈉燈可見(jiàn)光范圍內(nèi)的無(wú)序性窄帶通薄膜濾光片。結(jié)果表明：采用隨機(jī)探索式優(yōu)化方法設(shè)計(jì)出無(wú)序性窄帶通薄膜透射系數(shù)較高，可以有效的濾除除中心波長(zhǎng)外的其他光波，并且制備該薄膜對(duì)鍍膜機(jī)精度要求不高，可以有效的降低光電效應(yīng)中因?yàn)V光片帶寬較大而造成的測(cè)量精度問(wèn)題。

［1］霍連利，蒙上陽(yáng)，楊秀清.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2001，21（2）：41-42.

［2］黃建群，胡再國(guó).光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2002，（6）23-25.

［3］唐晉發(fā)，鄭權(quán).應(yīng)用薄膜光學(xué)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

［4］王少偉，王利，吳永剛，王占山，陳效雙，陸衛(wèi).閃電探測(cè)用超窄帶通濾光片的研制［J］.光學(xué)儀器，2004，26（2）：118-122.

［5］陸衛(wèi)，陳效雙，李志鋒，李寧，周東平.超窄帶通光學(xué)薄膜濾光片及膜層厚度產(chǎn)生方法［P］.中國(guó)專利：I354371，2002-06-19.

Abstract:In order to eliminate the error caused by filter with wider band pass in photoelectric effect experiment,Ultra-narrow band pass filter has been designed by using the concept of Anderson localization and RandoMexploratory optimization method.The wavelength of the pass band has been located at the position same as the strongest peak of sodiuMlamp.The result shows that,The narrow band pass filter can be well positioned tomeet the demand in the photoelectric effect experiment.

Keywords:photoelectric effect；non-periodic；films；ultra-narrow；band pass；filter

（責(zé)任編輯 王璟琳）

Design of Ultra-narrow Band Pass Filter Used for Photoelectric Effect Experiment

HAO Lian-jie
（ChangzhiMedical School，Changzhi Shanxi046000）

O482.7

A

1673-2014（2010）02-0029-03

2009—12—16

郝聯(lián)捷（1965— ），男，山西黎城人，講師，主要從事物理教學(xué)工作。