可調(diào)諧濾光片的透射譜研究

甘世奇,陳向?qū)?郭寧博,王俊達(dá)

(中國人民解放軍裝備學(xué)院，北京　101416)

?

【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

可調(diào)諧濾光片的透射譜研究

甘世奇,陳向?qū)?郭寧博,王俊達(dá)

(中國人民解放軍裝備學(xué)院，北京101416)

對(duì)3種可調(diào)諧濾光片的透過率及光譜分辨率進(jìn)行了分析研究，通過改變延遲波片數(shù)量、級(jí)聯(lián)數(shù)量、入射角、鍍膜延遲相位、腔長等參數(shù)，獲得理想情況下濾光片的透射譜。結(jié)果表明：3種可調(diào)諧濾光片相比較而言，Loyt型濾光片能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶濾波，但透過率受級(jí)聯(lián)過多透過率較低；Solc型濾光片相對(duì)而言光譜分辨率較低，但透過率較高；F-P腔型濾光片利用干涉原理能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶高透濾波，微調(diào)參數(shù)影響較大。

透射譜；可調(diào)諧濾光片；光譜分辨率；多級(jí)濾光片本文引用格式：甘世奇,陳向?qū)?郭寧博,等.可調(diào)諧濾光片的透射譜研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):133-137.

250年前英國物理學(xué)家Newton進(jìn)行了著名的棱鏡分光實(shí)驗(yàn)，人類拉開對(duì)光譜研究的序幕。隨著近三十年光電技術(shù)和晶體材料的全面發(fā)展，光譜技術(shù)和光譜儀器的研究與應(yīng)用獲得前所未有的突破性進(jìn)展。其中，可調(diào)諧濾光片作為可調(diào)諧波段的光譜器件，在科研、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用空間?？烧{(diào)諧濾光片能夠在調(diào)諧光譜范圍內(nèi)選擇性透射較窄波段光波，并根據(jù)需求對(duì)透射中心波長進(jìn)行調(diào)諧，在光譜分析、目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

可調(diào)諧濾光片在高光譜成像領(lǐng)域有著十分重要的作用，目前國內(nèi)外做了大量的研究工作。典型的可調(diào)諧濾光片有光纖型濾波器[1]、表面等離子濾光片[2]、聲光可調(diào)諧濾波器[3-4]、雙折射型濾光片[5-6]、法布里-玻羅腔型濾光片[7-8]。美國國家航空航天局戈達(dá)德空間飛行中心利用聲光可調(diào)諧濾波器研制了光譜偏振相機(jī)，并進(jìn)行了地基天文觀測實(shí)驗(yàn)[9]。日本國家宇航實(shí)驗(yàn)室基于可調(diào)諧液晶濾光片于2003年完成可見光及近紅外波段的偏振光譜相機(jī)的研制，并進(jìn)行了農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測、水體污染檢測等實(shí)驗(yàn)[10]。國內(nèi)在這方面的研究相對(duì)起步較晚，且大部分研究基于購買國外器件進(jìn)行光譜成像的研究[11]。曲阜師范大學(xué)激光研究所針對(duì)單級(jí)和兩級(jí)Lyot型液晶可調(diào)諧濾光片進(jìn)行研究，取得了一定的成果[12-13]。浙江大學(xué)對(duì)單級(jí)F-P型液晶可調(diào)諧濾光片開展研究工作，并取得了一定實(shí)驗(yàn)結(jié)果[14-15]。本研究針對(duì)Loyt型濾光片、Solc型濾光片以及F-P腔型濾光片，從原理上進(jìn)行透過率研究。主要獲得上述3種濾光片單級(jí)與級(jí)聯(lián)時(shí)的透過率、光譜分辨率，并通過改變位相延遲、腔長、入射角度等參數(shù)，得到相關(guān)仿真圖樣并分析了該因素對(duì)透過率和光譜分辨率的影響。通過對(duì)比，分析了3種濾光片在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)際應(yīng)用的選擇提供了理論依據(jù)。

1　基本原理

1.1Lyot型濾光片原理

正單級(jí)Loyt型濾光片結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其中前后偏振片偏振方向平行，中間相位延遲波片與偏振片透振方向夾45°。假設(shè)相位延遲波片o光和e光折射率差為Δn，厚度為d，當(dāng)波長為λ的光通過該Lyot濾光片時(shí)，透過率T為

(1)

在工程應(yīng)用中，采用按照一定相位組合級(jí)聯(lián)上述單級(jí)Lyot型濾波片的方式，如圖1 (b)所示。級(jí)聯(lián)Lyot型濾光片由N+1個(gè)偏振方向平行的偏振片(或偏振棱角)以及N個(gè)與偏振方向夾角45°的延遲波片組成，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中間的偏振片可以視為前一個(gè)延遲波片的檢偏器也可以視作后一個(gè)延遲波片的起偏器。

圖1　Loyt型濾光片結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)級(jí)聯(lián)器件的透射率計(jì)算方法，可以得到級(jí)聯(lián)Lyot型濾光片的透過率為

(2)

在實(shí)際應(yīng)用中，各級(jí)波片延遲相位一般按照Γn=2n-1Γ1的等比數(shù)列排列。其中Γ1決定調(diào)諧范圍，Γn決定光譜分辨率。在其他文獻(xiàn)材料中，也有報(bào)道Γn=(2N-1)Γ1和Γn=2N-1Γ1的波片排列方式。

1.2Solc型濾光片原理

Solc型濾光片由多個(gè)相同的延遲波片以及2個(gè)偏振片構(gòu)成的起偏器和檢偏器組成，根據(jù)波片位相排序方式的不同，如圖2所示，分為折疊型和扇型兩種結(jié)構(gòu)。

圖2　Solc型濾光片結(jié)構(gòu)示意圖

以折疊Solc型濾光片為例，根據(jù)瓊斯矩陣傳輸公式，入射光和出射光滿足

(3)

(4)

其中

(5)

通過化簡可得，折疊型濾光片的透過率為

(6)

同理可得扇型濾光片的透過率為

(7)

1.3F-P型濾光片原理

F-P腔濾光片是基于平行平板多光束干涉原理制成的，根據(jù)干涉原理，入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)滿足

(8)

(9)

(10)

其中：δ為延遲相位；λ為入射光波的波長；n平行平板間介質(zhì)的折射率；h為平行平板間的間距；θ為入射光進(jìn)入介質(zhì)后與光軸的夾角；δ1和δ2分別表示上下表面經(jīng)過反射后引起的相位變化；r為光線從介質(zhì)射向空氣的反射系數(shù)。引入勢透過率概念，系統(tǒng)透過率可以表示為

(11)

其中T1，T2，R1，R2分別表示上下介質(zhì)表面的透射系數(shù)和反射系數(shù)。

2　仿真分析

假設(shè)各級(jí)波片高透過率且透過率能達(dá)到0.95，對(duì)Loyt型濾光片透射譜進(jìn)行仿真，從圖3可以看出，2級(jí)級(jí)聯(lián)濾光片的半高峰寬為127nm，峰值透過率為0.77。4級(jí)級(jí)聯(lián)濾光片半高峰寬為31nm，峰值透過率為0.63。6級(jí)級(jí)聯(lián)濾光片半高峰寬為9nm，峰值透過率0.51。10級(jí)級(jí)聯(lián)濾光片半高峰寬為1nm，峰值透過率為1nm。從圖4可以看出，隨著延遲相位的遞增，相同波段區(qū)間內(nèi)透射峰變窄且數(shù)量變多，級(jí)聯(lián)后的透射峰與最后一個(gè)延遲波片的透射譜半高峰寬接近，但存在明顯的旁瓣。以上情況均為理想高透情況，且未考慮添加可調(diào)諧液晶盒對(duì)透過率的影響?？梢钥闯觯S著級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)的增加，半高峰寬即光譜分辨率明顯得到提高，但是透過率受到嚴(yán)重的影響，且有明顯的旁瓣，不利于精確分光譜。

圖3　不同級(jí)級(jí)聯(lián)Loyt濾光片的透射譜

圖4　不同位相延遲波片及六級(jí)級(jí)聯(lián)的透射譜

對(duì)Solc型濾光片透射譜進(jìn)行仿真，從圖5可以看出，2片波片濾光片的半高峰寬為245nm，峰值透過率為0.85。4片波片濾光片的半高峰寬為125nm，峰值透過率為0.73。6片波片濾光片的半高峰寬為81nm，峰值透過率為0.66。圖6為2片波片與4片波片級(jí)聯(lián)的透射譜，其中，4片波片濾光片相位延遲1 600nm，2片波片濾光片相位延遲2 200nm，從圖中可以看出，級(jí)聯(lián)濾波片透射中心頻率發(fā)生了平移，且與2個(gè)級(jí)聯(lián)濾光片均不同，同時(shí)，級(jí)聯(lián)半高峰寬明顯提高，但透過率受到較大影響。對(duì)比級(jí)聯(lián)Loyt型濾光片與級(jí)聯(lián)Sclo型濾光片可以看出，以6級(jí)為例，Loyt型濾光片光譜分辨率明顯好于Sclo型濾光片，但透過率較低，這與兩種濾波片的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

假設(shè)反射透射過程為理想情況，且介質(zhì)均勻折射率一致，對(duì)單個(gè)F-P腔型濾光片透射譜進(jìn)行仿真。圖7表示F-P腔上下表面由于鍍膜不同反射相位延遲不同情況的透射譜，從圖中可以看出當(dāng)上下反射面反射延遲相位相同時(shí)，隨著延遲相位的增加，譜線向短波方向發(fā)生平移，且中心頻率越大的透射峰平移越多。當(dāng)上下反射面反射延遲相位不同時(shí)，譜線介于2個(gè)最值分別構(gòu)成的反射延遲相位相同情況的譜線之間。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在400nm附近的幾個(gè)透射峰值透過率不同。圖8表示F-P腔不同入射角情況下的透射譜，當(dāng)入射角為π/16時(shí)，在圖中光譜范圍內(nèi)透射峰有13個(gè)，當(dāng)入射角為π/8時(shí)，在圖中光譜范圍內(nèi)透射峰有14個(gè)，當(dāng)入射角為π/4時(shí)，在圖中光譜范圍內(nèi)透射峰有18個(gè)。隨著入射角度的增加，一定光譜范圍內(nèi)的透射峰值數(shù)量增加，這與干涉原理相一致。單個(gè)F-P腔型濾光片能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶高峰值，在濾光方面效果較好，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于對(duì)結(jié)構(gòu)精細(xì)程度要求較高，因此制造與維護(hù)成本較高，工程應(yīng)用較少。

圖5　不同波片數(shù)量的折疊型Solc濾光片的透射譜

圖6　兩種折疊型Solc濾光片及級(jí)聯(lián)的透射譜

圖7　上下反射面不同位相延遲δ1和δ2的透射譜

圖8　不同入射角θ下的透射譜

對(duì)2級(jí)F-P腔型濾光片透射譜進(jìn)行仿真。圖9表示折射率不同的2級(jí)濾波片透射譜，從圖中可以看出，對(duì)介質(zhì)折射率進(jìn)行微調(diào)，透射峰值發(fā)生明顯變化，且透過濾明顯不同，存在不同程度的旁瓣，對(duì)純凈濾光有一定的影響。圖10表示腔長不同的2級(jí)濾波片透射譜，從圖中可以看出，對(duì)腔長進(jìn)行微調(diào)，透射峰明顯不同，同時(shí)存在較小的旁瓣，且透過率較高。對(duì)F-P腔型濾光片進(jìn)行級(jí)聯(lián)，可以得到高峰值窄帶濾波效果，但對(duì)微調(diào)精度要求較高，該濾波片適合應(yīng)用于精密儀器。

圖9　折射率n1和n2不同情況下的透射譜

圖10　腔長h1和h2不同情況下的透射譜

3　結(jié)論

本文對(duì)3種不同可調(diào)諧濾光片進(jìn)行理論上透過率仿真，仿真結(jié)果表明：①Loyt型濾光片通過級(jí)聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶濾波，但透過率受到很大的影響，同時(shí)旁瓣帶來的影響較大；②Solc型濾光片通過級(jí)聯(lián)能夠提高光譜分辨率，但提升幅度較小，相對(duì)于Loyt型濾光片透過率較好；③F-P腔型濾光片具有較好的光譜分辨率與透過率，2級(jí)級(jí)聯(lián)便能夠?qū)崿F(xiàn)較好地窄帶高透濾波。但由于結(jié)構(gòu)精密，鍍膜、腔長和入射角的微小改變將對(duì)其影響很大。

[1]孫大偉.基于馬赫-曾德爾干涉儀的全光纖梳狀濾波器的研究[J].光子技術(shù)，2005(3)：134-137.

[2]WANGY.Surfaceplasmontunablefilterandflatpaneldisplaydevice[C]//Proc.SPIE.[S.l.]:[s.n.],1999:3636:69-72.

[3]CHANGIC.Progressofacousto-optictunablefilter[J].IEEE，1996(2):819-825.

[4]YINGDONG,ZHENGYOU,PENGGAO.Acousto-optictunablefilterforspectralimaging[C]//Proc.SPIE.[S.l.]:[s.n.],2002,4919:269-274.

[5]EVANSJW.Thebirefringentfilter[J].J.Opt.Soc.Am.,1949,39:229-242.

[6]EVANSJW.Solcbirefi-ingentfilter[J].J.Opt.Soc.Am.,1958,48:142-145.

[7]黃騰超，陳海星，李海峰，等.可調(diào)諧液晶法-珀濾光片的研究[J].光子學(xué)報(bào)，2003,32(12):1438-1441.

[8]WOLFGANGVOGEL,MANFREDBERROTH．TunableliquidcrystalFabry-Perotfilters[C]//Proc.SPIE.[S.l.]:[s.n.],2003,4944:293-302.

[9]DAVIDAGLENAR,JOHNJHILLMAN,BABAKSAIF,etal.Acousto-opticimagingspectropolarimetryforremotesensing[J].AppliedOptics,1994,33(31):7412-7424.

[10]KOHZOHOMMA,HIROKIMISHINGU,HIROMICHIYAMAMOTO.Agro-environmentobservationusingnear-infraredLCTFspectropolarimeter[J].ProceedingsofSPIE.[S.l.]:[s.n.],2005,5655:407-418.

[11]ZHAOYONGQIANG,ZHANGLEI,ZHANGDAVID,etal.ObjectSeparationbyPolarimetricandSpectralFusion[J].ComputerVisionandImageUnderstanding,2009,113(8):855-866.

[12]云茂金，李國華，吳福全，等.利奧型可調(diào)諧液晶電光濾波器的特性分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(5):627-631.

[13]孔勇，李國華，云茂金，等.多級(jí)液晶調(diào)諧濾光片的研究[J].光電子·激光，2001，12(5):474-476.

[14]呂瑋閣，陳海星，顧培夫,等.可調(diào)諧液晶濾波器的調(diào)諧性能研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(11):1538-1542.

[15]陳海星，黃騰超，沈偉東，等.一種用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的可調(diào)諧液晶法布里-珀羅濾光片[J]．光學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(8):1095-1098.

[16]任霄鈺，孫天玉，苑進(jìn)社．一種高反射率窄帶太赫茲反射濾光片的設(shè)計(jì)方法[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(4)：40-45．

(責(zé)任編輯楊繼森)

ResearchofTransmittanceSpectrumofTunableFilter

GANShi-qi,CHENXiang-ning,GUONing-bo,WANGJun-da

(AcademyofEquipmentofPLA,Beijing101416,China)

Researchandanalysisoftransmittanceandspectralresolutionforthreekindsoftunablefilterswereproposed.Thetransmissionspec-trumswereobtainedbychangingdifferentparameters,suchaswaveplatenumbers,cascadingnumbers,incidenceangle,phaseretardationandcavitylength.Thereachedconclusionshowsthatbycomparingthreekindsoftunablefilters,Loytfiltercanreachasanarrowbandfilterwhichislowtransmittanceduetocascading.Solcfiltercanachievehightransmissionbutlowspectralresolution.F-Pcavityfiltercanregardedasanarrowbandandhightransmittancefilterbyutilizingthetheoryofinterference,whichneedsprecisionarchitecture.

transmission;tunablefilter;spectralresolution;multilevelfilter

2016-04-25；

2016-05-15

國家863計(jì)劃(2014AAXXX1072E)

甘世奇(1991—)，男，碩士研究生，主要從事液晶器件的偏振成像、空間目標(biāo)探測研究;陳向?qū)?1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光學(xué)遙感、光電信息處理研究。

10.11809/scbgxb2016.09.031

format:GANShi-qi,CHENXiang-ning,GUONing-bo,etal.ResearchofTransmittanceSpectrumofTunableFilter[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):133-137.

O433.1

A

2096-2304(2016)09-0133-05