窄带滤光片设计报告
窄带滤光片的分析与设计
制 介 质薄 膜 形成 ，其 特 点是 镀制 难度 高 ，成 品 牢低 ，成 本 高等 。所 以首 先 由 电磁 场传 播 的麦 克 斯 韦方程 出 发 ，理论 分 析 了薄膜 的 光学 特 性 系统 。然 后考 虑 了 间隔层 厚度 、反射 层 的反射 率对 滤光 片光 谱 特 性 的影 响 。结 合 给 定 的技 术 指标 ，按 照 法 布里 一 珀 罗 多层 介 质 薄 膜 滤波 器 的原 理 ，设 计 Ｌ ｝ 】 一种 可 用于 光通 信密 集 波分 复用 系统 的窄 带滤 光 片 ，并 利用 离 子束 溅射 镀膜 机 在玻 璃基 片 上 完成滤 光 片 的镀
四 、窄 带 滤 光 片 的设 计
１ ． 法布 里一 珀 罗滤 光』 Ｉ ‘
．
窄带滤光片 的研 究现 状
为 了适 应 我 罔 光 通 信 高 速 发展 的 实 际 需求 ，通 过 对 窄 带干
法 布 里一 珀 罗 滤光 片 分 何单 腔 与 多腔之 分 ， 任法 布里 一 珀 ｝ 涉 仪 的基 础 卜 改 进 了单腔 法 布 里一 珀 罗窄 带滤 光片 。 从单 腔 滤 光片 的 分 析 可 以看 出， 二 角形 的 带 通 不 能满 足ＤＷＤＭ系统 【 ｆ Ｉ 对 迎 带 陡 降 特 性和相 邻 信道 隔 离度 的指 标 要求 。 多腔滤 光 ， 足将 多个 单腔滤 光 片 串置 起来 ， 中问 用耦 合层 连接 得 到的 ，和 单腔 滤 光片 相 比， 多腔 窄 带滤 光片 的通 带 形状 更接 近 于矩 形 ，透 射 带不 再 是 个尖 峰 ，这 样 可 以 使稍 稍 偏 离 中 心 波 长的 光 也 能透 过 滤 光 片 而 ｉ 引起 人 的损
宽截止窄带滤光片设计
滤波片设计与制作
一．应用（1）窄带滤光片的作用只是让某一波段范围的光通过，而其余波长的光不能通过。
各种数码、电子产品视窗、太阳能电池、IC 封装等可以通过它减小杂色光或光害的影响，可以测量恒星表面温度，可以分色曝光以消除色差的影响，可以减弱太阳月亮火星等的亮度得到更清晰的细节，可以防止红外、紫外线对CCD 曝光或伤害眼睛等等。
（2）窄带滤光片在还在摄影创作、印刷制版、彩色摄影及放大和各种科技摄影中被广泛利用。
尤其在黑白摄影上，它能对各种色光光线起着有通过、限制和阻止的三个作用，色光通过的量多，在照片上色调就淡；通过量少，色调就深，如果光线完全被阻止，其结色色调就全黑色，所以在黑白摄影上窄带滤光片实际就是起着校正物体颜色反差的高低，使各种物体的颜色变成合乎自己反差，影调理想的要求。
（3）除此之外窄带滤光片还在数码成像（数码像机、数码录像机、监控用摄像机、电脑摄像头、手机摄像、可视电话、电子玩具等）红外探测器、医疗器械激光器、 LED 液晶显示、感应识别系统、舞台灯光色片、装饰性薄膜、防水保护薄膜有着广泛用途。
二．简介带通滤光片是指在一定的波段内，只有中间一小段是高透过率的通带，而在通带的两侧，是高反射率的截止带，表征滤光片特性的主要参数有：0λ———中心波长或称峰值波长；max T ———中心波长的透射率，也即峰值透射率；02λ∆———透射率为峰值透射率一半的波长宽度，也即通半宽度，或用02/λλ∆表示相对半宽度。
我们可以把带通滤光片分为两种结构形式，一种是由一个长波通膜系和一个短波通膜系的重叠通带波段形成带通滤光片的通带。
这种结构得到的光谱特性是：可以获得较宽的截止带和较深的截止度，但不容易获得很窄的通带，所以常用于获得宽带通滤光片。
第二种是法---珀干涉仪形式的镀光膜系，这种结构得到的光谱特性是：可以获得很窄的通带，但截止带宽度通常也比较窄，截止度也不深，所以大多数情况下都需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增加截止深度。
DWDM固体腔窄带滤光片的研究
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
1 绪 论
1.1 窄带滤光片的研究现状
从光学薄膜角度来看，最有意义的进展是 １８９９ 年出现的法布里—帕珞干涉仪，它 已成为干涉带通滤光片的一种基本的结构形式。法布里－珀珞滤光片（Ｆ－Ｐ 滤光片）是 一种最简单也是最常使用的窄带干涉滤光片，它是在法布里－珀珞干涉仪的基础上经过 改进后的型式。自从 １９４０ 年出现第一批金属—介质干涉滤光片以来，它已在光学、光 谱学、激光、天文物理学等各个领域得到了广泛的应用［１］～［３］。 单腔法布里－珀珞滤光片具有近乎三角形的通带，已发现串置组合单腔滤光片，就 会象调谐电路那样改变滤光片通带的形状，得到近似矩形的通带。按组合结构中单腔滤 光片数目的不同，这些组合滤光片可分为双腔滤光片、三腔滤光片或双半波滤光片、三 半波滤光片等等。还可以按通带半宽度，将它们粗略地分为宽带滤光片和窄带滤光片。 在这两类之间没有确定的界限，一般宽带滤光片通带半宽度与通带中心波长之比等于或 大于 ２０％，窄带滤光片小于 ２０％［４］。 在使用滤光片时还有几种效应： （１）滤光片的老化效应：滤光片的光学性能随使用时间而变化，这叫做滤光片的 老化反应，也叫做滤光片的时效。老化效应使滤光片通带中心波长变长，半宽度加宽。 减小老化效应的一个办法是把滤光片严格封接，或者使滤光片使用环境保持干燥。 （２）滤光片的温度效应：温度变化也会使滤光片的中心波长发生偏移，这是由于 基底与膜层的热膨胀系数不同，以及间隔层的折射率随温度变化引起。选用热膨胀系数 一致的基底与膜层材料可以减小波长漂移，还可选用温度稳定性好的间隔层材料来减小 这一效应。 （３）滤光片的入射角效向：随着入射角的变化、滤光片的透射波长，透射率和半 宽度都发生变化。一般来说，入射角加大，中心波长短移，透射率变低，而半宽度加宽。 半宽度越窄这种影响就愈大。利用这种效应可以弥补老化效应，温度效应引起的滤光片 中心波长的飘移。但是若角度太大，就会使滤光片的特性无法达到使用要求，所以实际 应用时，偏角多限在 １０ｏ以内［５］。
一种窄带导模共振负滤光片的设计
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟一种窄带导模共振负滤光片的设计由于弱调制光栅可以等效为平面波导，本文从平面波导的本征方程出发，导出垂直入射时弱调制光栅共振位置的表达式。
分别以单层、双层膜系导模共振光栅结构为例，研究了光栅层厚度、周期、占空比对共振波长的影响。
结合光学薄膜理论设计出一种窄带导模共振负滤光片。
由于导模共振对入射波参数和光栅参数都极为敏感，具有窄带效应，用来制作窄带负滤波片非常可行。
导模共振效应是介质光栅在一定的浮雕结构参量和入射条件下出现的一种特殊衍射现象。
它的产生，是由于衍射光栅可以看作周期调制的平面波导，当光栅内高级次传播波在参数上与光栅波导所支持的导模接近时，光波能量重新分布，由于光栅的周期调制性使得光栅波导出现泄漏，泄漏波能量也将重新分布，形成导模共振。
导模共振滤光片(guided-mode resonance filter) 的周期性结构能够提供位相匹配的可能性。
对于高空间频率的波导光栅，即亚波长的波导光栅，所有的高级次衍射波均为倏逝波，这样就使得所有的能量均在0 级反射波与0 级透射波之间转换成为可能。
在共振波长处，出现尖锐的反射峰，这就是共振型滤光片的基本原理。
在偏离或者远离共振区时，波导光栅可以看作均匀的薄膜，因此可以将光栅的共振和薄膜的干涉结合起来，采用薄膜光学中广泛采用的减反射设计，在不影响共振峰峰值反射率的情况下，有效地降低旁带的反射率，从而设计出窄带、低旁带、线型对称的共振滤波器。
在光学薄膜范畴，能从一段光谱中除去某一波带的滤光片，被称为负滤光片。
导模共振效应非常适合于制作性能优良的窄带负滤光片。
一种窄带导模共振负滤光片的设计
一种窄带导模共振负滤光片的设计由于弱调制光栅可以等效为平面波导，本文从平面波导的本征方程出发，导出垂直入射时弱调制光栅共振位置的表达式。
分别以单层、双层膜系导模共振光栅结构为例，研究了光栅层厚度、周期、占空比对共振波长的影响。
结合光学薄膜理论设计出一种窄带导模共振负滤光片。
由于导模共振对入射波参数和光栅参数都极为敏感，具有窄带效应，用来制作窄带负滤波片非常可行。
导模共振效应是介质光栅在一定的浮雕结构参量和入射条件下出现的一种特殊衍射现象。
它的产生，是由于衍射光栅可以看作周期调制的平面波导，当光栅内高级次传播波在参数上与光栅波导所支持的导模接近时，光波能量重新分布，由于光栅的周期调制性使得光栅波导出现泄漏，泄漏波能量也将重新分布，形成导模共振。
导模共振滤光片(guided-mode resonance filter) 的周期性结构能够提供位相匹配的可能性。
对于高空间频率的波导光栅，即亚波长的波导光栅，所有的高级次衍射波均为倏逝波，这样就使得所有的能量均在0 级反射波与0 级透射波之间转换成为可能。
在共振波长处，出现尖锐的反射峰，这就是共振型滤光片的基本原理。
在偏离或者远离共振区时，波导光栅可以看作均匀的薄膜，因此可以将光栅的共振和薄膜的干涉结合起来，采用薄膜光学中广泛采用的减反射设计，在不影响共振峰峰值反射率的情况下，有效地降低旁带的反射率，从而设计出窄带、低旁带、线型对称的共振滤波器。
在光学薄膜范畴，能从一段光谱中除去某一波带的滤光片，被称为负滤光片。
导模共振效应非常适合于制作性能优良的窄带负滤光片。
1、导模共振的基本原理严格耦合波理论是利用Maxwell 方程组和边界条件对具有周期性结构的光栅进行精确求解的一种方法，其准确程度取决于场的空间谐波级数展开数目和能量守恒。
但是倏逝波的存在会产生病态的矩阵，为了解决算法的稳定性问题，Moharam 等采用增强透射矩阵的方法来消除浮雕结构光栅数值计算的不稳定性，使得该方法数值计算稳定性、收敛性好。
光电效应实验用超窄带通滤光片的设计
关键是评价函数的选取和构造以及算 现今 ， 利用光 电效应测普 朗克常量实验所依据 谱系数计算 ， 法 的设 计 。一般 采 用特 征矩 阵法来 计 算多层 膜 系统 的理论 基 础是爱 因斯 坦光 电方 程 ：
砌 ＝１ ２ （ １ ２ ）
・
２ ・ ９
长 治 学 院 学 报
及 间隔层 的设 计来 构 造超 窄 带通 滤光 片 ， 即膜 系 中 膜厚 相 对 于 入／ 系 等规 整 的周 期 膜 系有 一 个 随 ４膜
机的涨落 ４ ｏ ， 这种膜系同样可以给出带宽非常窄的 ５ ］ 滤光 片 ， 且 高反 区域 大 大加 宽 ， 时降 低 了滤 光 而 同
片对 膜厚涨 落 的敏感度 与对 膜厚 控制精 度 的要求 。 ４ ３ ｍ 窄 带通滤 光片 的设计 ４ ６ ｎ
以汞灯 ４ ６ｎ ３ ｍ的 中心波 长 为滤 光 片 的 中心 波 长 。根据 光 电效应 的要 求 ， 需要 在 可 见光 范 围 内滤 除其他 波长 的光 。根 据随机 探索算 法 的及其程 序设
计原 理 ， 系初 始 条件 选 定 如下 ： 数 ｒ 定为 ３ 膜 层 ｎ设 ０
层 ； 折 射率 材 料 取 氧 化 钛 ，３２２ 中等 折 射 率材 高 ｎ＝ ．； 料 取 氧化铝 ，２１ ９ 低折射率 材料取 石英 ，ｌ１ ３ ｎ＝ ． ； ７ ｎ＝ ． ； ３ 入 射 角 ： 。 ０。在一 光学玻 璃衬底 上 ， 次为真 空镀 依 底 层薄膜 、 中间层 薄膜 、 顶层薄 膜 。底 层薄膜 由低折 射率 的石英 （ｌ １ ３无 序 性膜 层 与 高折 射 率 的 氧 ｎ＝． ） ３
２ １ 年 ４月 ００
窄带光滤波器的设计和制备
窄带光滤波器的设计和制备窄带光滤波器（Narrowband Optical Filters）是一种光学器件，它可以选择性地透过一定波长范围内的光，并将其他波长的光进行屏蔽。
设计和制备窄带光滤波器是光学领域的一个重要分支，其应用涉及到光学通信、生物医学、光学成像等领域。
一、窄带光滤波器的工作原理窄带光滤波器基于光学干涉原理，通过将多个传输光学元件叠加组合，来实现对单一波长区域的滤波。
其基本构成包括反射膜、透镜或反射器等光学元件。
光线进入光滤波器后，会在反射膜之间发生多次反射，并在光路长度与波长之间的干涉效应下，达到波长分离效应。
二、窄带光滤波器的设计窄带光滤波器的设计需要考虑到一系列因素，如过渡带宽、透过率、群延时等。
其中，过渡带宽是指光滤波器从透过光到屏蔽光的过渡区域的宽度。
在实际应用中，需要尽量压缩过渡带宽，以提高光滤波器的频率选择性和抑制不必要的噪声。
透过率是指光滤波器在滤波波长处的透过比例。
需要根据具体应用要求，选择适当的透过率，并保证其稳定性和重现性。
群延时则是指光滤波器对光的传输时间的影响，需要控制其误差范围，避免影响光学系统的整体性能。
三、窄带光滤波器的制备窄带光滤波器的制备通常有两种方法：热蒸汽沉积和离子束溅射。
其中，热蒸汽沉积法是一种可以在大范围内制备滤波器的方法，它通过将材料放在加热的舟中蒸发，并在反射膜表面上沉积一层厚度大约为几分之一波长的物质。
不同的蒸发材料和蒸发速率可以控制反射膜的反射光谱和透过特性。
离子束溅射法则是一种由高能离子束击打目标材料表面，在反射膜上形成各种薄膜材料的技术，可以获得分子厚度水平的非常均匀的薄膜。
这种技术也可以实现多层蒸发，用于制备多波段滤波器。
四、窄带光滤波器的应用窄带光滤波器的应用十分广泛，其中最重要的是在光学通信中的应用。
利用窄带光滤波器可以实现波分复用技术，将不同数据流在不同波长处传输，提高信号传输效率和携带能力。
此外，在生物医学和光学成像领域，窄带光滤波器还可以被用于分离不同颜色的荧光信号、实现图像识别和目标检测等应用。
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窄带滤光片设计报告
综述：
窄带滤光片是一种带通滤波器，它利用电解质和金属多层膜的干涉作用，可以从入射光中选取特定的波长，窄带滤光片的带通一般比较短，通常为中心波长的5%以下。
干涉滤光片是由两块内表面镀有高反射膜（介质或金属膜）的相互平行的高平面度玻璃板或石英板组成，在内表面之间形成多次反射以产生多光束之间的干涉。
其作用是让光源中某一窄带光谱的光波以尽可能高的透射率通过，而使其他光谱范围的光波衰减，以获得单色性良好的准单色光。
窄带滤光片可代替如光栅那样的昂贵的分光器件，广泛应用于光学实践和工业领域。
设计内容：
窄带滤光片的设计与制作
窄带滤光片工作原理：多光束干涉
由多光束干涉中光程差公式
当相干光束数目很大时，只有确定的n 、d 、i 值，光源中只有严格满足上述公式的波长才能够基本无衰减的通过，微小的偏差使上述条件的波长成分将由于近似相消而衰减，从而实现窄带滤波。
设计要求：
入射介质0n ＝1；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝︒0；中心波长λπϕi n d M sin 42
20=-=∆
＝450(亦即参考波长)，中心波长透过率大于95%，透射光谱的半0
宽度小于45nm。
使用n H＝2.26（TiO2）， n L＝1.45（Al3O2）。
膜系设计：
H L H H H H L H
软件模拟效果：
模拟数据：
中心波长：450nm
半波宽度：43nm
中心透过率：95.23%
窄带滤光片的制备过程：
1.清洗镀膜机，安装监控片，将待蒸发的薄膜材料放入蒸发容器 中；
2.清洗玻璃基片，由于设计要求不高，镜片只用酒精进行擦拭。
3.根据膜系设计的结果将设计参数置入镀膜机的控制系统；然后在控制系统的监控下镀膜机镀膜机全自动镀制干涉滤光片。
但是由于在实验过程中机器出现故障，所以临时决定使用溅射的方法来进行镀膜， 在镀膜之前算好每层膜所需要的时间，然后人为的对仪器镀膜时间进行控制，由于我们初次接触，这样的工作由一位博士生学长进行，并在镀膜的同时为我们讲解相关知识。
窄带滤光片实测数据：
中心波长：422nm
半波宽度：57nm
中心透过率：67.14%
误差分析：
1.中心波长向左漂移28nm ：
根据公式 2λ
=nd ，由于间隔层的光学厚度较小，导致中心波长减小即向左漂移。
其造成误差因素包括两个：①使用的镀膜金属中含有杂质，导致其折射率降低，影响了光学薄膜的光学厚度。
②镀膜时间计算不准确或在镀膜时，没有掌握好镀膜时间，导致膜厚度较窄，降低了光学厚度。
2.半波宽度增大14nm 由中心透射光谱半宽度⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-∏=ρρλδλ122dn ，可以看出半波宽度随反射率ρ的增大而减小，而反射率与介质折射率有关，由单层膜反射率
2
1010⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=n n n n ρ，若n 0固定，由半波宽度增大可以推出镀膜金属折射率偏小。
而且镀膜间隔层厚度超过四层，间隔层变得粗糙，这种间隔层的粗糙度导致镀膜厚度达不到要求，使得半波宽度增大。
3.中心透过率降低
中心透过率的定义是中心波长透过的最大光强度与入射光强度的比值。
由于在干涉过程中各层介质的吸收和散射损失，使得中心透过波长最大光强度降低，导致中心透过率降低。
而且我们所做的薄膜窄带滤光片是根据法——珀干涉仪制成的干涉膜系，但是实践证明，法——珀干涉片必须用在较低的干涉级次，因为我们设计的膜系达到了8层，增加了各层介质的吸收和散射，镀膜显得粗糙，这种粗糙度展开了带通，压低了峰值透过率。