基于OpenFilters的He-Ne氣體輝光壓制窄帶濾光片

張　欣,胡志芬,吳素勇,譚中奇

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

文章編號(hào)：1001-3806(2015)03-0432-05

基于OpenFilters的He-Ne氣體輝光壓制窄帶濾光片

張欣,胡志芬,吳素勇*,譚中奇

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

摘要：為了解決環(huán)形激光器小型化中信號(hào)信噪比隨腔長(zhǎng)減小而下降的問題，設(shè)計(jì)了一種能壓制He-Ne氣體放電輝光而不影響激光光強(qiáng)的窄帶濾光片。基于OpenFilters軟件獨(dú)有的“step”自動(dòng)膜系設(shè)計(jì)方法，以初始膜層厚度為線索，設(shè)計(jì)了符合光譜特性實(shí)際應(yīng)用要求的多個(gè)非規(guī)整膜系結(jié)構(gòu)。考慮膜層數(shù)、膜層厚度及應(yīng)力等因素，選出便于石英晶振監(jiān)控的窄帶濾光片。在45°的入射角下，該濾光片對(duì)s偏振光在632.8nm處的峰值透射率為99.9%，通帶半峰值全寬為5.2nm，截止帶平均透射率為1.35%。結(jié)果表明，該濾光片可有效壓制He-Ne氣體的放電輝光，提高小型環(huán)形激光器的信噪比。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；輝光壓制；窄帶濾光片；環(huán)形激光器；OpenFilters軟件

中圖分類號(hào)：O484.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.033

Narrow band filter for discharge glow suppression of

He-Ne gas based on OpenFilters software

ZHANGXin,HUZhifen,WUSuyong,TANZhongqi

(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：In order to solve the problem of signal-to-noise ratio decreasing with the decreasing of cavity length during the miniaturization of ring laser, narrow band filter was designed for suppressing the discharge glow of He-Ne gas without affecting on laser output. Based the unique “step” automatic coating design method of OpenFilters software and using the initial film thickness as the clue, a number of non-structured membrane structures were designed for the requirements of practical application of spectral characteristics. An optimized narrow band filter for crystal monitoring was selected under the consideration of layer number, thickness and stress. When s polarization light was incident from the air at angle of 45°, the filter had peak transmittance of 99.9% at central wavelength of 632.8nm, full width at half maximum of 5.2nm and average transmittance at cutoff band of 1.35%. The results show that the filter can suppress the discharge glow of He-Ne gas effectively and improve the signal-to-noise ratio of miniaturized ring laser.

Key words:laser technique; glow suppression; narrow band filter; ring laser; OpenFilters software

*通訊聯(lián)系人。E-mail:sywu2001@163.com

引言

作為慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)的理想角速度敏感元件，He-Ne氣體環(huán)形激光器在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的許多領(lǐng)域已取代了傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺儀，特別是在飛機(jī)、艦船、潛艇、導(dǎo)彈、火炮、戰(zhàn)車、火箭和衛(wèi)星等載體上應(yīng)用非常廣泛[1]。小型化是環(huán)形激光器發(fā)展的重要方向之一，在降低成本、提高集成度的同時(shí)，可滿足對(duì)體積有嚴(yán)格要求的中、低等精度導(dǎo)航與制導(dǎo)的需求，在軍事領(lǐng)域上具有重要意義[2]?；裟犴f爾的GG1308是最具代表性的小型環(huán)形激光器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在眾多的武器系統(tǒng)中，如聯(lián)合獨(dú)立武器、全球鷹無(wú)人偵察機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、烈火偵察機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、P-3合成孔徑雷達(dá)天線、P-3C反潛巡邏機(jī)改進(jìn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)航向參考備份系統(tǒng)、陀螺羅盤傳感系統(tǒng)和先進(jìn)兩棲攻擊戰(zhàn)車導(dǎo)航系統(tǒng)等[3]。

在環(huán)形激光器小型化的過(guò)程中，隨著腔體的縮小，He-Ne氣體的有效增益長(zhǎng)度減小，激光光強(qiáng)變?nèi)酰鴼怏w放電產(chǎn)生的輝光強(qiáng)度基本不變，信噪比受到嚴(yán)重影響，給小型He-Ne環(huán)形激光器的讀出信號(hào)解調(diào)和技術(shù)指標(biāo)帶來(lái)了不利影響，因此,需要研究一種能壓制He-Ne氣體放電輝光而又不影響有用激光信號(hào)的方案。從光學(xué)濾波的角度出發(fā)，光柵或薄膜濾光片都具有透射一定波段、截止另一波段的特性[4-5]，都可實(shí)現(xiàn)對(duì)He-Ne氣體放電輝光的壓制。但光柵存在以下不足：易受機(jī)械振動(dòng)干擾，帶來(lái)環(huán)境誤差；由于是窄縫，工作時(shí)必須采用大的前放倍數(shù)，這就使檢測(cè)信號(hào)的噪聲比較大；光柵維護(hù)和校準(zhǔn)比較復(fù)雜。相比而言，薄膜濾光片安裝好后不存在機(jī)械誤差，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，特別是對(duì)濕度和溫度的耐受性能好，通帶信號(hào)光較強(qiáng)，易于得到噪聲小的檢測(cè)信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、易于小型化。據(jù)此，作者擬通過(guò)在環(huán)形激光器輸出鏡后表面上膠合一個(gè)薄膜濾光片，探討對(duì)He-Ne氣體的放電輝光進(jìn)行壓制的可行性。

1輝光壓制濾光片的指標(biāo)確定

He-Ne環(huán)形激光器是在環(huán)形諧振腔內(nèi)充入低壓He-Ne氣體并以其為增益介質(zhì)的氣體激光器。根據(jù)公開發(fā)表的資料，可找到He-Ne激光器的一些可能激光譜線，但只是輝光的組成部分，尚未發(fā)現(xiàn)He-Ne環(huán)形激光器的完整輝光光譜分布曲線。為準(zhǔn)確界定待研制濾光片的工作波段及參量指標(biāo)，作者采用Zolix的光柵攝譜儀SGM100對(duì)小型He-Ne環(huán)形激光器的輝光和輸出光進(jìn)行光譜測(cè)試。測(cè)試時(shí)，將激光器置于留有孔洞的封閉盒中，待激光器的電源線、穩(wěn)頻線以及攝譜儀的光纖探測(cè)線纜經(jīng)該孔洞置于封閉盒內(nèi)后，用橡皮泥堵住該孔洞，以保證無(wú)外界雜散光進(jìn)入干擾測(cè)量。測(cè)量過(guò)程是先不加激光器電源，測(cè)量封閉盒的背景噪聲分布，然后點(diǎn)亮激光器，將攝譜儀的探頭垂直激光器光路平面或迎著輸出光的方向，分別測(cè)量輝光和激光器輸出光的光譜分布，所得數(shù)據(jù)經(jīng)光柵攝譜儀軟件扣除背景噪聲的影響后即為待求的光譜分布數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

Fig.1　Measurement results of spectral intensity distribution

圖1中分別給出了封閉盒內(nèi)的背景噪聲、垂直激光器光路平面測(cè)得的輝光和迎著輸出光的方向測(cè)得的激光器輸出光的相對(duì)光強(qiáng)的光譜分布圖，其中圖1b和圖1c都已扣除了背景噪聲的影響。從圖1a可以看出，封閉盒中的背景噪聲的光譜分布較一致，說(shuō)明沒有外界雜散光的干擾。從圖1b可以看出，環(huán)形激光器的輝光的光譜范圍較寬，從380nm~760nm都有次峰，但主要分布在570nm~760nm波段，最強(qiáng)的次峰為640nm，理論上這些次峰的位置和強(qiáng)度大多與Ne原子的3S2-2Px能級(jí)躍遷有關(guān)。因此，可確定待研制濾光片的工作波段至少應(yīng)包含570nm~760nm區(qū)間。圖1c比圖1b中多了632.8nm處的激光尖峰，其余次峰的位置彼此較為吻合，相對(duì)強(qiáng)度的形狀也較為類似，反映出測(cè)量過(guò)程正確，光柵攝譜儀給出的測(cè)量結(jié)果具有較好的波長(zhǎng)一致性，同時(shí)說(shuō)明激光器輸出光里確實(shí)含有He-Ne氣體放電產(chǎn)生的輝光成分。

考慮到實(shí)際激光器為正方形，激光從近似真空中以45°入射角從輸出鏡出射，而待研制濾光片膠合在輸出鏡后表面，因此其在空氣中的傳播角也是45°。同時(shí)，由于斜入射時(shí)腔鏡對(duì)s偏振光的反射率大于p偏振光，模式競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是只有s偏振光形成諧振，即輸出激光為s偏振光。因此，根據(jù)以上測(cè)得的輝光光譜分布結(jié)果，可確定待研制窄帶濾光片的設(shè)計(jì)指標(biāo)：從空氣中以45°入射，中心透射波長(zhǎng)為632.8nm，對(duì)s偏振光而言，峰值透射率盡可能高，且透射帶半峰值寬度盡可能小，截止帶為570nm~760nm區(qū)間中除632.8nm波長(zhǎng)處的中心透射帶以外的波段，截止區(qū)透射率盡可能低。

2輝光壓制濾光片的膜系設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，表1中給出THORLAB公司和SEMROCK公司的窄帶濾光片產(chǎn)品正入射時(shí)的主要參量(沒有斜入射產(chǎn)品)?？梢钥闯?，市售窄帶濾光片具有較窄的通帶半峰值寬度，但峰值透射率較低，最高只達(dá)70%，且?guī)捲秸?，峰值透射率越低。在?shí)際的小型He-Ne環(huán)形激光器中，由于放電長(zhǎng)度有限，導(dǎo)致增益本來(lái)就不大，因此對(duì)輝光壓制濾光片而言，需要其峰值透射率盡可能高，盡可能不損失有用的激光光強(qiáng)信號(hào)。另一方面，市售窄帶濾光片后表面通常未鍍?cè)鐾改?，而斜入射時(shí)后表面反射比正入射時(shí)更顯著，以折射率為1.52的K9玻璃為例，s偏振光從空氣中以45°入射時(shí)，玻璃與空氣界面的反射率達(dá)9.67%，是正入射時(shí)反射率4.26%的2.4倍，帶來(lái)不小的透射光強(qiáng)損失。因此，市售的窄帶濾光片尚不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，需要自行設(shè)計(jì)。

Table 1　Specifications of Thorlab’s and Semrock’s narrow band filters

膜系設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是分層介質(zhì)的電磁場(chǎng)Maxwell方程組。膜系光譜特性系數(shù)如反射率、透射率等與設(shè)計(jì)中使用的膜層結(jié)構(gòu)參量間的關(guān)系比較復(fù)雜，多數(shù)情況下需要用特征矩陣來(lái)表示[6-9]，只有在簡(jiǎn)單的條件下才有解析的數(shù)學(xué)表達(dá)式。因此，目前膜系設(shè)計(jì)大都依賴強(qiáng)大的數(shù)值優(yōu)化算法，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)搜索[10-13]，少數(shù)膜系如增透膜、高反膜、F-P窄帶濾光片等可以用解析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)時(shí)，一般使用商業(yè)性的膜系設(shè)計(jì)軟件程序包，如Macleod,TFCalc,FilmStar,Film Wizard,Optilayer等，但其價(jià)格一般都要數(shù)萬(wàn)元，比較昂貴[14]。為了促進(jìn)更多的人參與到膜系設(shè)計(jì)算法的研究中來(lái)，避免花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行重復(fù)性的編程工作，在2007年國(guó)際干涉薄膜峰會(huì)上，加拿大Ecole Polytechnique de Montreal功能薄膜與表面工程實(shí)驗(yàn)室的LAROUCHE博士和MARTINU教授等人決定免費(fèi)開放他們編制的膜系設(shè)計(jì)軟件OpenFilters的內(nèi)部程序代碼[15]。OpenFilters具有完善的多層膜光學(xué)特性分析功能、簡(jiǎn)潔的膜系設(shè)計(jì)界面及多種主流的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括step法、needle法、傅里葉變換法、漸近優(yōu)化法等[15]。

對(duì)待研制的輝光壓制用窄帶濾光片，如果具備了膜厚光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)，采用F-P規(guī)整膜結(jié)構(gòu)是最理想的，為實(shí)現(xiàn)較好的峰值透射率、矩形度、截止深度和帶寬等光學(xué)性能，F(xiàn)-P規(guī)整窄帶濾光片一般需要較多的層數(shù)，通過(guò)多腔疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于受限于現(xiàn)有的石英晶振監(jiān)控設(shè)備，本文中將利用OpenFilters膜系設(shè)計(jì)軟件的數(shù)值優(yōu)化算法，著重探討用非規(guī)整膜實(shí)現(xiàn)窄帶濾光片的可能性?？紤]到石英晶振監(jiān)控法不具有光控法的膜厚誤差自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)理，工程上希望在膜系設(shè)計(jì)時(shí)注意以下幾點(diǎn)要求： (1)總的層數(shù)不宜過(guò)多，減小鍍制難度和隨機(jī)誤差的影響；(2)各層膜幾何厚度不宜過(guò)厚，尤其是高折射率層，避免累積應(yīng)力，影響其高低溫下的光譜性能；(3)各層膜幾何厚度不宜過(guò)薄，避免引入較大的監(jiān)控誤差[16-18]。

設(shè)計(jì)時(shí)，選用熔融石英作為基片材料，選取Ta2O5和SiO2作為高、低折射率膜材料，其中Ta2O5的性能穩(wěn)定，且其折射率較高，易于提高截止深度，降低總層數(shù)，減小總厚度，而SiO2作為最常用的低折射率材料，膜層牢固，化學(xué)性能穩(wěn)定，且應(yīng)力性能與Ta2O5良好匹配，有利于窄帶濾光片的光學(xué)特性在高低溫環(huán)境下保持穩(wěn)定。根據(jù)單層膜采樣測(cè)量結(jié)果，在632.8nm處其折射率分別為2.125和1.46。在設(shè)置透射率目標(biāo)時(shí)，選擇550nm~625nm、640nm~760nm為截止區(qū)，透射率上限設(shè)置為1%，選擇625nm~640nm為透射區(qū)，透射區(qū)的透射率設(shè)置為100%，透射率容差為1%。原則上，可在透射區(qū)上選擇設(shè)置較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在截止區(qū)取相對(duì)少的點(diǎn)，以增加透射區(qū)的權(quán)重，盡可能得到高的峰值透射率。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)透射區(qū)的帶寬進(jìn)行微調(diào)，最終目標(biāo)是獲得盡可能高的峰值透射率和盡可能小的通帶半寬，同時(shí)兼顧一定的截止深度，使窄帶濾光片的光學(xué)性能最優(yōu)化。

初次設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定初始Ta2O5層的幾何厚度為3000nm，在截止區(qū)550nm~625nm和640nm~760nm上分別選擇3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，即550nm,600nm,625nm,640nm,700nm,760nm，在透射區(qū)625nm~640nm之間選擇40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，即從630.8nm開始每間隔0.1nm選擇一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直至634.8nm。利用OpenFilters軟件提供的“step”自動(dòng)合成方法進(jìn)行全局設(shè)計(jì)，得到一個(gè)25層的膜系，記為1#濾光片，從空氣中以45°入射時(shí)，對(duì)s偏振光，其主要光學(xué)性能列于表2中，透射率光譜曲線及折射率輪廓如圖2所示。

可以看出，1#濾光片在632.8nm處的峰值透射率較高，最強(qiáng)輝光640nm處的透射率尚可，截止帶平均透射率較低，不足之處是其通帶半波全寬較寬，且存在高折射率過(guò)厚層(第5層，厚度達(dá)237nm)，這主要是由于通帶目標(biāo)權(quán)重過(guò)重和初始膜厚設(shè)置過(guò)大和引起的。

Table 2　Specifications of filter 1#, 2#, 3# for s polarization incident light at 45° from the air

下面在1#濾光片的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。首先減小初始膜層厚度，改小為2000nm；其次將透射區(qū)縮小，改為627nm~638nm，以減小通帶半寬度；最后減少通帶目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)目以降低權(quán)重，即從631.8nm開始每間隔0.1nm選擇一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直至633.8nm。最終得到1個(gè)21層的膜系，記為2#濾光片，從空氣中以45°入射時(shí)，對(duì)s偏振光，其主要光學(xué)性能列于表2中，透射率光譜曲線及折射率輪廓如圖3所示?？梢钥闯?，2#濾光片的總厚度有較大減小，通帶半波全寬有明顯縮小，截止帶平均透射率有些許變差，其余光學(xué)性能有些許提高。觀察2#濾光片的折射率輪廓圖，發(fā)現(xiàn)存在過(guò)薄層(第14層，膜厚僅3nm)，可能造成較大的沉積厚度相對(duì)誤差，不利于實(shí)際監(jiān)控。

Fig.2Transmittance and refractive index of 1#filter forspolarization incident light at 45° from the air

Fig.3Transmittance and refractive index of 2#filter forspolarization incident light at 45° from the air

由于2#濾光片的光學(xué)性能已基本符合設(shè)計(jì)要求，故只需對(duì)其部分層的厚度進(jìn)行一定改動(dòng)，提高實(shí)際最優(yōu)性。在2#濾光片增加第14層膜的厚度，再進(jìn)行全局優(yōu)化，最后得到一個(gè)19層的膜系，記為3#濾光片，從空氣中以45°入射時(shí)，對(duì)s偏振光，其主要光學(xué)性能列于表2中，透射率光譜曲線及折射率輪廓如圖4所示，圖5中給出了其膜厚相對(duì)靈敏度和在0.2%的相對(duì)幾何厚度監(jiān)控誤差下s偏振光透射率Ts的誤差曲線。

Fig.4Transmittance and refractive index of 3#filter forspolarization incident light at 45° from the air

Fig.5Transmittance corridor and relative sensitivity of 3#filter forspolarization incident light at 45° from the air

從表2可以看出，3#濾光片犧牲了一定的截止帶透射率，使峰值透射率、半峰值全寬、最強(qiáng)輝光截止度、膜系總厚度等性能都得到改善。從圖4可以看出，3#濾光片無(wú)過(guò)厚、過(guò)薄層，最厚層為第10層SiO2膜，厚度為167nm，最薄層為第17層Ta2O5膜，厚度為70nm，這對(duì)石英晶振監(jiān)控和總應(yīng)力控制是有利的。從圖5可以看出，3#濾光片最敏感的是第9層，第8層和第10層次之，其余層不敏感，在0.2%的相對(duì)幾何厚度監(jiān)控隨機(jī)誤差下，透射率曲線形狀未發(fā)生明顯變化，峰值透射率在84%~100%間波動(dòng)，容差較好。

3結(jié)論

從小型環(huán)形激光器中He-Ne氣體輝光造成激光器輸出信號(hào)信噪比下降的問題出發(fā)，基于光學(xué)濾波的思想，利用OpenFilters膜系設(shè)計(jì)軟件，在石英晶振監(jiān)控下考慮膜層數(shù)、膜層厚度和累積應(yīng)力等實(shí)際鍍膜要求，對(duì)He-Ne氣體放電輝光壓制用的窄帶濾光片進(jìn)行了膜系設(shè)計(jì)，確定了一個(gè)19層的最優(yōu)非規(guī)整膜系結(jié)構(gòu)方案。從空氣中以45°入射時(shí)，該濾光片對(duì)s偏振光在632.8nm處的峰值透射率為99.9%，通帶半波全寬為5.2nm，截止帶平均透射率1.35%，可有效壓制He-Ne氣體的放電輝光，提高小型環(huán)形激光器輸出信號(hào)的信噪比，有利于小型He-Ne環(huán)形激光器向更寬的范圍拓展應(yīng)用。

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收稿日期：2014-04-14；收到修改稿日期：2014-06-12

作者簡(jiǎn)介：張欣(1992-),男，大學(xué)本科生，從事He-Ne環(huán)形激光器輝光壓制方面的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61205157)