可调谐滤光片的透射谱研究

甘世奇,陈向宁,郭宁博,王俊达

(中国人民解放军装备学院，北京　101416)



【光学工程与电子技术】

可调谐滤光片的透射谱研究

甘世奇,陈向宁,郭宁博,王俊达

(中国人民解放军装备学院，北京101416)

对3种可调谐滤光片的透过率及光谱分辨率进行了分析研究，通过改变延迟波片数量、级联数量、入射角、镀膜延迟相位、腔长等参数，获得理想情况下滤光片的透射谱。结果表明：3种可调谐滤光片相比较而言，Loyt型滤光片能够实现窄带滤波，但透过率受级联过多透过率较低；Solc型滤光片相对而言光谱分辨率较低，但透过率较高；F-P腔型滤光片利用干涉原理能够实现窄带高透滤波，微调参数影响较大。

透射谱；可调谐滤光片；光谱分辨率；多级滤光片本文引用格式：甘世奇,陈向宁,郭宁博,等.可调谐滤光片的透射谱研究[J].兵器装备工程学报，2016(9):133-137.

250年前英国物理学家Newton进行了著名的棱镜分光实验，人类拉开对光谱研究的序幕。随着近三十年光电技术和晶体材料的全面发展，光谱技术和光谱仪器的研究与应用获得前所未有的突破性进展。其中，可调谐滤光片作为可调谐波段的光谱器件，在科研、工业、军事等领域有着巨大应用空间。可调谐滤光片能够在调谐光谱范围内选择性透射较窄波段光波，并根据需求对透射中心波长进行调谐，在光谱分析、目标识别等领域具有重要的应用价值。

可调谐滤光片在高光谱成像领域有着十分重要的作用，目前国内外做了大量的研究工作。典型的可调谐滤光片有光纤型滤波器[1]、表面等离子滤光片[2]、声光可调谐滤波器[3-4]、双折射型滤光片[5-6]、法布里-玻罗腔型滤光片[7-8]。美国国家航空航天局戈达德空间飞行中心利用声光可调谐滤波器研制了光谱偏振相机，并进行了地基天文观测实验[9]。日本国家宇航实验室基于可调谐液晶滤光片于2003年完成可见光及近红外波段的偏振光谱相机的研制，并进行了农业环境观测、水体污染检测等实验[10]。国内在这方面的研究相对起步较晚，且大部分研究基于购买国外器件进行光谱成像的研究[11]。曲阜师范大学激光研究所针对单级和两级Lyot型液晶可调谐滤光片进行研究，取得了一定的成果[12-13]。浙江大学对单级F-P型液晶可调谐滤光片开展研究工作，并取得了一定实验结果[14-15]。本研究针对Loyt型滤光片、Solc型滤光片以及F-P腔型滤光片，从原理上进行透过率研究。主要获得上述3种滤光片单级与级联时的透过率、光谱分辨率，并通过改变位相延迟、腔长、入射角度等参数，得到相关仿真图样并分析了该因素对透过率和光谱分辨率的影响。通过对比，分析了3种滤光片在应用中的优缺点，为实际应用的选择提供了理论依据。

1　基本原理

1.1Lyot型滤光片原理

正单级Loyt型滤光片结构如图1(a)所示，其中前后偏振片偏振方向平行，中间相位延迟波片与偏振片透振方向夹45°。假设相位延迟波片o光和e光折射率差为Δn，厚度为d，当波长为λ的光通过该Lyot滤光片时，透过率T为

(1)

在工程应用中，采用按照一定相位组合级联上述单级Lyot型滤波片的方式，如图1 (b)所示。级联Lyot型滤光片由N+1个偏振方向平行的偏振片(或偏振棱角)以及N个与偏振方向夹角45°的延迟波片组成，级联结构中间的偏振片可以视为前一个延迟波片的检偏器也可以视作后一个延迟波片的起偏器。

图1　Loyt型滤光片结构示意图

根据级联器件的透射率计算方法，可以得到级联Lyot型滤光片的透过率为

(2)

在实际应用中，各级波片延迟相位一般按照Γn=2n-1Γ1的等比数列排列。其中Γ1决定调谐范围，Γn决定光谱分辨率。在其他文献材料中，也有报道Γn=(2N-1)Γ1和Γn=2N-1Γ1的波片排列方式。

1.2Solc型滤光片原理

Solc型滤光片由多个相同的延迟波片以及2个偏振片构成的起偏器和检偏器组成，根据波片位相排序方式的不同，如图2所示，分为折叠型和扇型两种结构。

图2　Solc型滤光片结构示意图

以折叠Solc型滤光片为例，根据琼斯矩阵传输公式，入射光和出射光满足

(3)

(4)

其中

(5)

通过化简可得，折叠型滤光片的透过率为

(6)

同理可得扇型滤光片的透过率为

(7)

1.3F-P型滤光片原理

F-P腔滤光片是基于平行平板多光束干涉原理制成的，根据干涉原理，入射光强和出射光强满足

(8)

(9)

(10)

其中：δ为延迟相位；λ为入射光波的波长；n平行平板间介质的折射率；h为平行平板间的间距；θ为入射光进入介质后与光轴的夹角；δ1和δ2分别表示上下表面经过反射后引起的相位变化；r为光线从介质射向空气的反射系数。引入势透过率概念，系统透过率可以表示为

(11)

其中T1，T2，R1，R2分别表示上下介质表面的透射系数和反射系数。

2　仿真分析

假设各级波片高透过率且透过率能达到0.95，对Loyt型滤光片透射谱进行仿真，从图3可以看出，2级级联滤光片的半高峰宽为127nm，峰值透过率为0.77。4级级联滤光片半高峰宽为31nm，峰值透过率为0.63。6级级联滤光片半高峰宽为9nm，峰值透过率0.51。10级级联滤光片半高峰宽为1nm，峰值透过率为1nm。从图4可以看出，随着延迟相位的递增，相同波段区间内透射峰变窄且数量变多，级联后的透射峰与最后一个延迟波片的透射谱半高峰宽接近，但存在明显的旁瓣。以上情况均为理想高透情况，且未考虑添加可调谐液晶盒对透过率的影响。可以看出，随着级联级数的增加，半高峰宽即光谱分辨率明显得到提高，但是透过率受到严重的影响，且有明显的旁瓣，不利于精确分光谱。

图3　不同级级联Loyt滤光片的透射谱

图4　不同位相延迟波片及六级级联的透射谱

对Solc型滤光片透射谱进行仿真，从图5可以看出，2片波片滤光片的半高峰宽为245nm，峰值透过率为0.85。4片波片滤光片的半高峰宽为125nm，峰值透过率为0.73。6片波片滤光片的半高峰宽为81nm，峰值透过率为0.66。图6为2片波片与4片波片级联的透射谱，其中，4片波片滤光片相位延迟1 600nm，2片波片滤光片相位延迟2 200nm，从图中可以看出，级联滤波片透射中心频率发生了平移，且与2个级联滤光片均不同，同时，级联半高峰宽明显提高，但透过率受到较大影响。对比级联Loyt型滤光片与级联Sclo型滤光片可以看出，以6级为例，Loyt型滤光片光谱分辨率明显好于Sclo型滤光片，但透过率较低，这与两种滤波片的结构有关。

假设反射透射过程为理想情况，且介质均匀折射率一致，对单个F-P腔型滤光片透射谱进行仿真。图7表示F-P腔上下表面由于镀膜不同反射相位延迟不同情况的透射谱，从图中可以看出当上下反射面反射延迟相位相同时，随着延迟相位的增加，谱线向短波方向发生平移，且中心频率越大的透射峰平移越多。当上下反射面反射延迟相位不同时，谱线介于2个最值分别构成的反射延迟相位相同情况的谱线之间。同时可以发现，在400nm附近的几个透射峰值透过率不同。图8表示F-P腔不同入射角情况下的透射谱，当入射角为π/16时，在图中光谱范围内透射峰有13个，当入射角为π/8时，在图中光谱范围内透射峰有14个，当入射角为π/4时，在图中光谱范围内透射峰有18个。随着入射角度的增加，一定光谱范围内的透射峰值数量增加，这与干涉原理相一致。单个F-P腔型滤光片能够实现窄带高峰值，在滤光方面效果较好，但在实际应用中，由于对结构精细程度要求较高，因此制造与维护成本较高，工程应用较少。

图5　不同波片数量的折叠型Solc滤光片的透射谱

图6　两种折叠型Solc滤光片及级联的透射谱

图7　上下反射面不同位相延迟δ1和δ2的透射谱

图8　不同入射角θ下的透射谱

对2级F-P腔型滤光片透射谱进行仿真。图9表示折射率不同的2级滤波片透射谱，从图中可以看出，对介质折射率进行微调，透射峰值发生明显变化，且透过滤明显不同，存在不同程度的旁瓣，对纯净滤光有一定的影响。图10表示腔长不同的2级滤波片透射谱，从图中可以看出，对腔长进行微调，透射峰明显不同，同时存在较小的旁瓣，且透过率较高。对F-P腔型滤光片进行级联，可以得到高峰值窄带滤波效果，但对微调精度要求较高，该滤波片适合应用于精密仪器。

图9　折射率n1和n2不同情况下的透射谱

图10　腔长h1和h2不同情况下的透射谱

3　结论

本文对3种不同可调谐滤光片进行理论上透过率仿真，仿真结果表明：①Loyt型滤光片通过级联能够实现窄带滤波，但透过率受到很大的影响，同时旁瓣带来的影响较大；②Solc型滤光片通过级联能够提高光谱分辨率，但提升幅度较小，相对于Loyt型滤光片透过率较好；③F-P腔型滤光片具有较好的光谱分辨率与透过率，2级级联便能够实现较好地窄带高透滤波。但由于结构精密，镀膜、腔长和入射角的微小改变将对其影响很大。

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(责任编辑杨继森)

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

国家863计划(2014AAXXX1072E)

甘世奇(1991—)，男，硕士研究生，主要从事液晶器件的偏振成像、空间目标探测研究;陈向宁(1963—)，男，教授，博士生导师，主要从事光学遥感、光电信息处理研究。

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