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非平行光束对窄带滤光片光谱性能的影响.docx
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非平行光束对窄带滤光片光谱性能的影响.docx
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0. 引 言
光学薄膜是现代光学系统中不可或缺的部分,其中窄带滤光片的品质直接决定了一些
高性能光学系统的能力。在滤光片设计中,入射光束常被认为是理想的单色平行光束。然
而,在实际的光学系统中,入射光通常具有一定的发散角与线宽。例如,常作为光源的高
功率半导体激光器,出射激光的发散角就从几分到十几度不等
[1-5]
;在光通讯领域,通信光
束的发散角也因与通信的能力有关受到特别关注
[6-9]
;在光谱测试中,分光光度计的测试光
束也有一定的发散角和线宽
[10]
,测试结果会受到发散角和线宽的影响。正是由于发散角和
线宽的原因,窄带滤光片可能会出现性能下降甚至失效的情况
[11-14]
,尤其是在倾斜入射
时。虽然这种情况已有理论模型进行数值分析
[11-13]
,但由于薄膜制备精度和测量误差的限
制,该模型的正确性和数值分析的准确性很难得到严格的验证和评估。
在克服影响验证和评估的误差限制后,文中采用等离子体辅助反应磁控溅射
(PARMS) 方式制备了入射角为 17°的 1064 nm 窄带通滤光片。该滤光片的透射光谱由两款
来自不同主流厂商的分光光度计测得。不同测试条件下,测量结果与相应的数值模拟结果
非常吻合。通过比较这些结果,验证了模型的正确性和数值模拟的准确性。文中的结果有
益于指导该类滤光薄膜、分光薄膜在分光光度计上的表征及其在实际光学系统中的应用。
1. 卷积模型
假设入射光束具有发散半角 θθ,光束正入射和斜入射滤光片的情况如图 1 所示。正
入射下的最大入射角是光束发散半角;在斜入射的情况下,最大入射角与入射角有关。
图 1 发散角光束入射滤光片的示意图
Fig. 1 Schematic diagram of a divergent beam incident on the filter
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为了方便起见,用 θmaxθmax 表示入射光束的最大发散半角;用函数 C(θ)C(θ)表示光
束能量在发散角 2θmax2θmax 中的分布。当发散光束以入射角 θ0θ0 入射在薄膜样品表面
时,光谱特性可以近似为:
F1(λ)=12θmax∫θ0+θmaxθ0−θmaxC(θ)f(λ,θ)dθF1(λ)=12θmax∫θ0+θmaxθ0−θmaxC(θ)f(λ,θ)dθ
(1)
其中,薄膜样品光谱函数 f(λ,θ)f(λ,θ) 可以从薄膜的特征矩阵中推导出来,在分光光度
计中光束能量分布通常被认为是均匀的,即函数 C(θ)C(θ)≈1。
在大多数情况下,光束很难严格保持单色性,总是具有一定的线宽。假设 ΔλΔλ 代表
光束的半线宽,函数 D(λ)D(λ)表示为入射光在全线宽 2ΔλΔλ 中的能量分布。薄膜的光谱特
性可以近似表达式为:
F(λ)=12Δλ12θmax∫λ+Δλλ−ΔλD(λ)∫θ0+θmaxθ0−θmaxC(θ)f(λ,θ)dθdλF(λ)=12Δλ12θmax∫λ+Δλλ−ΔλD(λ)∫θ0+θmaxθ0−θmaxC(θ)f(λ,θ)dθdλ
(2)
其中,在分光光度计中线宽的能量分布一般也认为是均匀的,即函数 D(λ)D(λ) ≈1。
2. 样品制备过程
标准多腔结构,如 Sub / (HL)^5 2 H (LH)^ 5 L 6 H (LH)^5 L 6 H (LH)^5 L 2 H (LH)^5 L
/ Air 的膜系结构,H 和 L 分别为 Ta
2
O
5
和 SiO
2
,其透射通带波形很容易受到制备和入射角
度误差干扰。失配误差作为一种典型的制备误差,在光学薄膜的实际制备中常被遇到。假
定每层高折射材料沉积的厚度比低折射材料多 1%,通过膜系设计软件 OptiLayer 的模拟计
算,窄带滤光片透射通带波形会出现如图 2(a)所示的崩塌。对于文中工作角度为 17°的窄带
滤光滤光片,理论透射曲线随着入射角的减小出现红移,同时波形明显坍塌,如图 2(b)所
示。由公式(2)可知,窄带滤光片透射通带的中心波长漂移与入射角及发散角存在紧密的
联系,然而这种波形坍塌造成透射通带中心波长难以精准确认,严重阻碍了模型的验证。
同时,这种波形的塌陷也使制备误差和测量误差相互纠缠,难以区分并加以抑制,造成无
法评估数值模拟准确性的后果。
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