可調諧濾光片的透射譜研究

甘世奇,陳向寧,郭寧博,王俊達

(中國人民解放軍裝備學院，北京　101416)

?

【光學工程與電子技術】

可調諧濾光片的透射譜研究

甘世奇,陳向寧,郭寧博,王俊達

(中國人民解放軍裝備學院，北京101416)

對3種可調諧濾光片的透過率及光譜分辨率進行了分析研究，通過改變延遲波片數量、級聯數量、入射角、鍍膜延遲相位、腔長等參數，獲得理想情況下濾光片的透射譜。結果表明：3種可調諧濾光片相比較而言，Loyt型濾光片能夠實現窄帶濾波，但透過率受級聯過多透過率較低；Solc型濾光片相對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實現窄帶高透濾波，微調參數影響較大。

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

250年前英國物理學家Newton進行了著名的棱鏡分光實驗，人類拉開對光譜研究的序幕。隨著近三十年光電技術和晶體材料的全面發展，光譜技術和光譜儀器的研究與應用獲得前所未有的突破性進展。其中，可調諧濾光片作為可調諧波段的光譜器件，在科研、工業、軍事等領域有著巨大應用空間?？烧{諧濾光片能夠在調諧光譜范圍內選擇性透射較窄波段光波，并根據需求對透射中心波長進行調諧，在光譜分析、目標識別等領域具有重要的應用價值。

可調諧濾光片在高光譜成像領域有著十分重要的作用，目前國內外做了大量的研究工作。典型的可調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德空間飛行中心利用聲光可調諧濾波器研制了光譜偏振相機，并進行了地基天文觀測實驗[9]。日本國家宇航實驗室基于可調諧液晶濾光片于2003年完成可見光及近紅外波段的偏振光譜相機的研制，并進行了農業環境觀測、水體污染檢測等實驗[10]。國內在這方面的研究相對起步較晚，且大部分研究基于購買國外器件進行光譜成像的研究[11]。曲阜師范大學激光研究所針對單級和兩級Lyot型液晶可調諧濾光片進行研究，取得了一定的成果[12-13]。浙江大學對單級F-P型液晶可調諧濾光片開展研究工作，并取得了一定實驗結果[14-15]。本研究針對Loyt型濾光片、Solc型濾光片以及F-P腔型濾光片，從原理上進行透過率研究。主要獲得上述3種濾光片單級與級聯時的透過率、光譜分辨率，并通過改變位相延遲、腔長、入射角度等參數，得到相關仿真圖樣并分析了該因素對透過率和光譜分辨率的影響。通過對比，分析了3種濾光片在應用中的優缺點，為實際應用的選擇提供了理論依據。

1　基本原理

1.1Lyot型濾光片原理

正單級Loyt型濾光片結構如圖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°。假設相位延遲波片o光和e光折射率差為Δn，厚度為d，當波長為λ的光通過該Lyot濾光片時，透過率T為

(1)

在工程應用中，采用按照一定相位組合級聯上述單級Lyot型濾波片的方式，如圖1 (b)所示。級聯Lyot型濾光片由N+1個偏振方向平行的偏振片(或偏振棱角)以及N個與偏振方向夾角45°的延遲波片組成，級聯結構中間的偏振片可以視為前一個延遲波片的檢偏器也可以視作后一個延遲波片的起偏器。

圖1　Loyt型濾光片結構示意圖

根據級聯器件的透射率計算方法，可以得到級聯Lyot型濾光片的透過率為

(2)

在實際應用中，各級波片延遲相位一般按照Γn=2n-1Γ1的等比數列排列。其中Γ1決定調諧范圍，Γn決定光譜分辨率。在其他文獻材料中，也有報道Γn=(2N-1)Γ1和Γn=2N-1Γ1的波片排列方式。

1.2Solc型濾光片原理

Solc型濾光片由多個相同的延遲波片以及2個偏振片構成的起偏器和檢偏器組成，根據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構。

圖2　Solc型濾光片結構示意圖

以折疊Solc型濾光片為例，根據瓊斯矩陣傳輸公式，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，根據干涉原理，入射光強和出射光強滿足

(8)

(9)

(10)

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

(11)

其中T1，T2，R1，R2分別表示上下介質表面的透射系數和反射系數。

2　仿真分析

假設各級波片高透過率且透過率能達到0.95，對Loyt型濾光片透射譜進行仿真，從圖3可以看出，2級級聯濾光片的半高峰寬為127nm，峰值透過率為0.77。4級級聯濾光片半高峰寬為31nm，峰值透過率為0.63。6級級聯濾光片半高峰寬為9nm，峰值透過率0.51。10級級聯濾光片半高峰寬為1nm，峰值透過率為1nm。從圖4可以看出，隨著延遲相位的遞增，相同波段區間內透射峰變窄且數量變多，級聯后的透射峰與最后一個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，且未考慮添加可調諧液晶盒對透過率的影響?？梢钥闯?，隨著級聯級數的增加，半高峰寬即光譜分辨率明顯得到提高，但是透過率受到嚴重的影響，且有明顯的旁瓣，不利于精確分光譜。

圖3　不同級級聯Loyt濾光片的透射譜

圖4　不同位相延遲波片及六級級聯的透射譜

對Solc型濾光片透射譜進行仿真，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片波片級聯的透射譜，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，級聯濾波片透射中心頻率發生了平移，且與2個級聯濾光片均不同，同時，級聯半高峰寬明顯提高，但透過率受到較大影響。對比級聯Loyt型濾光片與級聯Sclo型濾光片可以看出，以6級為例，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構有關。

假設反射透射過程為理想情況，且介質均勻折射率一致，對單個F-P腔型濾光片透射譜進行仿真。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，從圖中可以看出當上下反射面反射延遲相位相同時，隨著延遲相位的增加，譜線向短波方向發生平移，且中心頻率越大的透射峰平移越多。當上下反射面反射延遲相位不同時，譜線介于2個最值分別構成的反射延遲相位相同情況的譜線之間。同時可以發現，在400nm附近的幾個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，當入射角為π/16時，在圖中光譜范圍內透射峰有13個，當入射角為π/8時，在圖中光譜范圍內透射峰有14個，當入射角為π/4時，在圖中光譜范圍內透射峰有18個。隨著入射角度的增加，一定光譜范圍內的透射峰值數量增加，這與干涉原理相一致。單個F-P腔型濾光片能夠實現窄帶高峰值，在濾光方面效果較好，但在實際應用中，由于對結構精細程度要求較高，因此制造與維護成本較高，工程應用較少。

圖5　不同波片數量的折疊型Solc濾光片的透射譜

圖6　兩種折疊型Solc濾光片及級聯的透射譜

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

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　結論

本文對3種不同可調諧濾光片進行理論上透過率仿真，仿真結果表明：①Loyt型濾光片通過級聯能夠實現窄帶濾波，但透過率受到很大的影響，同時旁瓣帶來的影響較大；②Solc型濾光片通過級聯能夠提高光譜分辨率，但提升幅度較小，相對于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級級聯便能夠實現較好地窄帶高透濾波。但由于結構精密，鍍膜、腔長和入射角的微小改變將對其影響很大。

[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，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.可調諧液晶法-珀濾光片的研究[J].光子學報，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.利奧型可調諧液晶電光濾波器的特性分析[J].光學學報，2003，23(5):627-631.

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

[14]呂瑋閣，陳海星，顧培夫,等.可調諧液晶濾波器的調諧性能研究[J].光學學報，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用系統中的可調諧液晶法布里-珀羅濾光片[J]．光學學報，2004，24(8):1095-1098.

[16]任霄鈺，孫天玉，苑進社．一種高反射率窄帶太赫茲反射濾光片的設計方法[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(4)：40-45．

(責任編輯楊繼森)

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、空間目標探測研究;陳向寧(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事光學遙感、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