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基于双多层介质膜衍射(MLD)光栅的超窄带光谱滤波系统可以获得普通窄带滤光片无法实现的亚纳米级超窄光谱滤波宽度, 利用该系统有望极大地提高激光回光探测系统的信噪比和抗干扰能力。设计了一套基于双MLD色散补偿光栅的超窄带光谱滤波系统, 使用CODE V软件对系统像差进行理论仿真, 发现系统像差可忽略不计; 使用Matlab软件对系统的滤波线宽和有效能量透过率进行理论仿真, 为解决实际滤波问题时, 根据实际需求选择最优系统结构参数提供了较完整的理论基础。最后, 在实验室采用国产多层介质膜光栅, 在1064 nm中心波长段, 成功将光谱半峰全宽(FWHM)为0.3 nm的入射激光转换为光谱FWHM为0.03 nm的出射激光。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
,
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Au
g
ust
,
基于双光栅的超窄线宽光谱滤波技术
许
放
,
,
颜
宏
,
张 永 红
,
万
敏
中国工程物理研究院应用电子学研究所
,
四川 绵阳
;
中国工程物理研究院研究生院
,
北京
摘要
基于双多层介质膜衍射
(
)
光栅的超窄带光谱滤 波系统 可以 获得普 通窄 带滤光 片无 法实 现的 亚纳 米 级
超窄光谱滤波宽度
,
利用该系统有望极 大 地 提高 激 光 回 光探 测 系 统 的信 噪 比 和 抗干 扰 能 力
.
设 计 了一 套 基 于 双
色散补偿光栅的超窄带光谱滤波系统
,
使用
软件对系统像差进行理论仿真
,
发现系统像差可忽略不
计
;
使用
软件对系统的滤波线宽和有效能 量透 过 率进 行理 论 仿真
,
为 解决 实际 滤 波问 题时
,
根 据实 际需 求
选择最优系统结构参数提供了较完整的理论基础
.
最后
,
在实验室采用国产多层介质膜光栅
,
在
中心 波长
段
,
成功将光谱半峰全宽
(
)
为
的入射激光转换为光谱
为
的出射激光
.
关键词
光谱学
;
光谱滤波
;
窄线宽
;
双光栅
;
无像差
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
UltraGNarrowLinewidthS
p
ectralFilterin
g
Technolo
gy
BasedonDoubleGratin
g
s
Instituteo
f
A
pp
liedElectronics
ChinaAcadem
y
o
f
En
g
ineerin
g
Ph
y
sics
Mian
y
an
g
Sichuan
China
GraduteSchoolo
f
ChinaAcadem
y
o
f
En
g
ineerin
g
Ph
y
sics
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
收到修改稿日期
:
基金项目
:
中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室基金
作者简介
:
许
放
(
—),
男
,
硕士研究生
,
主要从事空间激光探测技术方面的研究
.
:
导师简介
:
万
敏
(
—),
女
,
博士
,
研究员
,
主要从事空间激光探测技术方面的研究
.
:
引
言
在激光回光探测的研究中
[
]
,
研究时间在晚上时
,
背景光较弱
,
接收系统能 够比较好地 识别探测光
;
而
研究时间在白天时
,
常常由于背景光 太 强
[
]
、
信噪比太 差 而导致探 测 失败
.
为了提高 系 统的全天 候 工作能
力
,
通常采取光谱滤光的手段将背景光滤除
,
以此来提高系统的信噪比
[
]
.
目前
,
国内外研究的光谱滤波仪
中
国
激
光
器
[
]
主要有原子共振光学滤波器
(
)
[
]
、
法拉第反常 色散滤波器
(
)
[
]
、
双折射滤光 器
、
法布里
珀罗
(
)
滤光器
、
可调声光滤 波器
(
)、
光栅滤波器 等
.
和
线宽可以达 到皮秒 量 级
,
但
是它们的理论效率很低
,
理论效率最多为
,
为
.
同时
,
因为受到原 子内部不同
相关能级寿命的影响和限制
,
导致其响应时间很长
(
如被动式的响应时间约为毫秒量级
),
这不利于激光回光
探测系统的实时性
.
而
设计制作复杂
,
体积过大
,
并且使用 过程中需要 提供外部磁 场
,
这会引起系
统的电磁干扰问题
.
同时
,
需要入射光为偏 振光
,
但是接收到 的激光回光 是任意偏振 的
,
这无疑严
重降低了系统的透过率
.
对于双折射滤光器
(
),
可以通过级联的方式来减小线宽
,
但是效率下降很严重
,
在线宽为
时
,
效率仅为
,
同时
中心波长对温度很敏感
,
需要很高的温度控制要求
.
对于
滤光器
,
其通带被大量的级数所困扰
.
传统的方法 是
,
将仅允 许 一个级数 的 光通过的 阻 挡滤光片 与
滤
光器组合起来
,
或者用前后两个
滤光器组合滤光
,
但这两种方法都降低了
滤光器的峰值透过率
,
其
透过带宽为
的
滤光片透过率为
.
对于
,
其存在的问题有两点
,
一是作用于偏振光
,
理
论效率最高仅为
,
其次由于声光相干长度的 原因
,
通带在红外 波段的分辨 率仅能达到 几个纳米
.
以上
这些滤光技术普遍存在线宽与效率不能兼顾的问题
,
这严重影响了系统的探测能力
.
为了进一步 提高探测
系统的信噪比和抗干扰能力
,
需要使用更窄线宽
、
更高效率的滤波技术
,
光栅滤波技术 在理论上具 有这一潜
力
,
所以综合考虑
,
决定使用光栅滤波的方式
.
本文给出了 一种基于双 多层介质膜 衍射
(
)
光栅的超窄
线宽光谱滤波技术
,
实现了普通窄带滤光片无法实现的亚纳米级光谱滤波宽度
;
采用光栅的 远场滤波方 式
,
有效地解决了当前近场光栅滤波方式中 有效信号光 能量损失严 重的问题
;
同时采用双 光栅结构
[
]
,
其中第
二块光栅作为色散补偿光栅
,
可以明显地改善出射光的光束质量和像差
.
以上方法 对激光回光 探测系统的
性能提升有很明显的作用
.
多层介质膜光栅滤波原理
激光束照射在多层介质膜光栅上
,
不同波长的光经光栅衍射到不同的方向
,
具体的衍射方向由光栅方程
确定
[
]
为
:
d
(
i
±
θ
)
=
mλ
, (
)
式中
i
为入射角
,
θ
为衍射角
,
λ
为入射光波长
,
d
为光栅常数
,
m
为衍射级 次
.
对于具有相 同入射角不 同波
长的入射光
,
经过光栅后会实现光谱空间分 离
,
从而可 以在空间 上 使用小孔 或 者狭缝来 选 取所需要 的 光波
段
,
实现光谱滤波功能
.
但是实际上系统能否把两条谱线分开
,
除了与光栅的色散能力 有关
,
还与谱线宽 度
和成像系统的分辨能力有关
.
图
给出了所设计系统的工作结构
,
接下来按照光路顺序具 体分析所设 计的
滤波系统的分辨能力
.
图
双
光栅的窄带光谱滤光系统
对光栅方程
[(
)
式
]
两边进行微分
,
得到角色散
[
]
:
D
=
d
θ
/
d
λ
=
m
d
θ
, (
)
式中
D
反映单位波长变化引起的衍射主极大角度的变化
,
将
(
)
式代入
(
)
式
,
得到角色散与波长的关系为
:
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