一种斜入射F-P型薄膜滤光片消偏振设计方法

薄膜滤光片在斜入射使用时,s偏振光和p偏振光的特性会产生分离:两偏振光的中心波长不一致,且s偏振光的通带宽度要小于p偏振光.而采用多种材料且满足特定条件的膜系结构,可使角度入射滤光片两偏振方向的特性趋于一致.通过理论分析,建立了两偏振光反射率的表达式,由表达式可看出非偏振的条件.通过计算,求出相应材料折射率值,从而设计出消偏振的膜系.对一个三腔129层实例膜系进行了计算求解、仿真分析及误差分析.最后的结果验证表明此方法是可行的.     

角度调谐滤光片特性分析及膜系设计

对窄带滤光片的倾斜入射特性作了分析.斜入射时其透射通带和峰值会向短波方向移动,透射曲线的稳定性跟滤光片的间隔层结构相关,多腔间使用相同的间隔层可以保证斜入射时有稳定的峰值透射率和带宽,利用该特点可以制备角度调谐窄带滤光片.透射光S和P偏振分量的中心波长随入射角度的增大出现分离现象,产生较大的偏振相关损耗.通过搭配不同厚度的高低折射率材料作为间隔层,改变其有效折射率,使其两个偏振分量的中心波长实现重合.设计了符合密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统要求的低偏振相关损耗四腔窄带角度调谐滤光片膜系,其可调谐范围达20 nm以上,并评估了所设计角度调谐滤光片的调谐性能.     

基于遗传算法的斜入射窄带滤光片膜系优化设计

根据薄膜窄带滤光片在斜入射时的偏振特性,提出了基于遗传算法的斜入射薄膜窄带滤光片膜系优化设计方法.根据开发的程序,设计并制备了一组可用于18°倾斜入射的0.8纳米信道间隔的五腔薄膜窄带滤光片.该滤光片能有效地抑制斜入射时偏振光中心波长的分离现象,降低器件的偏振相关损耗,通过角度调谐能实现选择波长的改变.通过与针法设计的滤光片膜系相比,遗传算法得到的膜系具有更高的矩形度、更大的波长调谐范围以及更低的偏振相关损耗.实验结果表明其满足设计要求并有超过25纳米的波长调谐范围.     

角度调谐滤光片偏振控制的间隔层折射率寻优算法

斜入射滤光片的S偏振和P偏振的中心波长会发生分离,而通过调整间隔层的有效折射率,可使有角度入射滤光片两个偏振分量的中心波长相重合。由相位关系分析着手,利用多层膜的特征矩阵关系式,推导出间隔层中间折射率和P偏振及S偏振的中心波长的两个隐函数表达式,由此可快速解出所寻找的中间折射率及对应的中心波长数值。单腔和三腔的两个具体实例的模拟计算表明:采用此算法,对于调谐到一特定角度入射的滤光片能很快地求出准确的中间折射率数值,应用此中间折射率即可使P偏振和S偏振的中心波长很好地重合。入射角从0°到30°的实例偏差分析表明此算法的精确度高,这对于减少偏振分量特性之间的分离以及滤光片的宽角度调谐有着良好的意义。     

高性能可调谐滤波片的优化设计方法

根据薄膜窄带滤光片在倾斜入射时的特性,通过改进间隔层膜系结构来调整其等效折射率,可以设计出具有稳定透射峰值和带宽的角度调谐窄带滤光片。根据与密集波分复用(DWDM)系统相关的通道频率、插损、带宽、隔离度、偏振相关损耗(PDL)等八个标准,结合薄膜矩阵理论与新构造的评价函数,构建了一个可调谐滤光片膜系,通过改变各参数的权重因子,得到满足不同要求的最优膜系。利用构建的系统,优化设计了分别用于O波段和C波段100 GHz密集波分复用系统的具有高隔离度、低偏振相关损耗的角度调谐窄带滤光片。C波段膜系的最大调谐角度达11°,相邻通道隔离度可达-30.3 dB,最后对其透射特性以及影响调谐角度极限的因素进行了分析。     

用ZnS做诱导金属滤光片的间隔层

从制备工艺稳定性出发,设计的诱导金属滤光片的膜系结构与以往设计的膜系结构有所不同,即将n_L低折射率冰晶石间隔层改用n_H高折射率ZnS做间隔层。如果金属与间隔层结合良好,本文中给出的设计计算公式适合于做间隔层的任意膜层。通常膜系的透光率T是膜层厚度nd的函数T=f(nd)。高折射率n_H的膜层函数T_H=f(n_Hd)变化较快,低折射率n_L的膜层函数T_L=f(n_Ld)变化较慢,尤其是在膜层厚度接近λ_0/2的区域更为明显。实践证明选用高折射率ZnS做诱导金属银滤光片的间隔层比选用低折射率冰晶石做间隔层制备工艺稳定,产品合格率高。     

膜截止滤光片的消偏振设计

薄膜截止滤光片在倾斜入射时不可避免地会产生s和 p二个偏振分量的分离,因而在许多应用,特别是光通讯的应用中成为一个棘手的难题。提出了一种新的设计方法,对最常用的45°入射角,实现了长波通和短波通两种截止滤光片的完全消偏振, 在透射率为50%处,其偏振分离分别为0.3 nm和 0.1 nm。基本的设计方法是采用宽带法布里珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通截止滤光片的初始膜系,然后经过适当的优化以提高透射带的透射率。宽带干涉滤光片的间隔层常由半波长厚度的高、低折射率混合膜层组成,如2H2L2H或2L2H2L。由于这种设计的截止区和透射带带宽常嫌不足,故提出了展宽截止区和透射带的方法。对一个典型的短波通截止滤光片,在波长1550 nm,截止区和透射带宽均达到了200 nm。这种设计方法不仅简单、性能优良,而且膜厚控制容差较大,故易于制造。     

薄膜截止滤光片的消偏振设计

薄膜截止滤光片在倾斜入射时不可避免地会产生s和p二个偏振分量的分离,因而在许多应用,特别是光通讯的应用中成为一个棘手的难题。提出了一种新的设计方法,对最常用的45°入射角,实现了长波通和短波通两种截止滤光片的完全消偏振, 在透射率为50%处,其偏振分离分别为0.3 nm和0.1 nm。基本的设计方法是采用宽带法布里珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通截止滤光片的初始膜系,然后经过适当的优化以提高透射带的透射率。宽带干涉滤光片的间隔层常由半波长厚度的高、低折射率混合膜层组成,如2H2L2H或2L2H2L。由于这种设计的截止区和透射带带宽常嫌不足,故提出了展宽截止区和透射带的方法。对一个典型的短波通截止滤光片,在波长1550 nm,截止区和透射带宽均达到了200 nm。这种设计方法不仅简单、性能优良,而且膜厚控制容差较大,故易于制造。     

可见-短波红外成像系统色彩恢复滤光片研制

针对当前0.40～2.50 μm宽光谱响应成像系统可见光波段颜色信息丢失,全波段只能灰度成像的问题,设计并制备了用于全天时、可见光色彩恢复、短波红外(Short-Wave Infrared,SWIR)多波段成像的滤光片。使用Essential Macleod膜系设计软件,通过三种设计方案进行参数和性能对比,最终采用短波通基础膜系的两级截止带构造蓝光(B)+SWIR、绿光(G)+SWIR、红光(R)+SWIR负滤光片膜系设计,采用长波通基础膜系实现0.42～2.50 μm通带膜系设计。以上四个滤光片的组合选用Ta₂O₅和SiO₂为高低折射率材料在石英玻璃JGS-1基底上制备,经过测量通带的平均透过率均大于93.6%,通带平均透过率之差小于1.6%。最后用制备的滤光片进行拍照和计算,对色彩恢复功能进行验证。测试结果对宽光谱彩色成像技术的进一步研究具有参考价值。     

短波通滤光片膜系设计

详细介绍用等效折射率概念设计短波通滤光片的原理和计算方法。根据原理和方法，选择二氧化钛（TiO2）作为高折射率材料、二氧化硅（SiO2）作为低折射率材料。首先从理论上计算出用这2种材料设计的波长λ=950～1150nm的短波通滤光片所需要的周期数，然后给出短波通滤光片的主膜系和光谱曲线。由于据此周期数设计出的膜系光谱曲线在750～810nm处的透过率不符合要求，因此对该膜系进行了改进。依照改进的设计进行多次制备，最终制备出了符合要求的短波通滤光片，找到了最佳制备工艺和方法。最后，对制备出来的短波通滤光片薄膜进行了各种环境实验。实验结果表明，膜层的各项指标符合设计要求。     

Suppression of High-Reflection Fifth-, Sixth-, and Seventh-Order Bands in Wide-Band Interference Filters

We have investigated the spectral properties of multilayer interference systems formed by multiple repetition of the symmetric three-component period ABCBA. The problem of synthesizing structures, in whose spectral characteristics suppression of adjacent fifth-, sixth-, and seventh-order high-reflection bands is observed, has been solved. It has been shown that there exist only nine options of layer thicknesses in a period. It should be noted that only in six cases upon suppression of fifth-, sixth-, and seventh-order high-reflection bands is the first-order reflection band preserved. The values of the refractive indices of layers at which the problem has a solution have been found. The refractive indices of layers in all the nine cases are described by different relations defining the dependence of the refractive index of one of the components on the randomly chosen refractive indices of the other components.     

多层膜体折射率弱不均匀度反演计算的近似模型及性能分析

实际应用中的薄膜或多或少存在体折射率不均匀缺陷,其准确表征对于镀膜工艺参数调校、低损耗薄膜设计与制备分析等具有影响。从Schr-der近似出发,推导了体折射率弱不均匀薄膜的膜系特征矩阵,通过特征矩阵法推广,建立了体折射率弱不均匀多层膜光谱特性计算的近似模型。利用基于有效介质理论的多层均匀膜近似方法,讨论了上述近似模型的有效性、计算精度和时间消耗特性。结果表明,上述模型矩阵计算中引入体折射不均匀度这一参数,为多层膜体折射率不均匀缺陷反演提供了一种有效的手段,为基于宽带光谱测量数据拟合的膜层缺陷数值反演应用奠定了基础。     

LCOS投影PBS分束器膜系设计

给出了一种全新的膜系设计方法,该方法与目前常用的偏振分束器PBS分光镜所采用的多组膜堆周期膜系的设计方法有着本质上的区别。全新的PBS膜系的设计引入一种有序对偶递变方法,它是基于周期性有序地变换成递变非周期性设计,目的是扰动针对45入射布鲁斯特角的敏感。采用了两种折射率材料光学厚度的递变,在SF75系列玻璃棱镜内部入射光能满足45角(5～6)变化、P偏振态的透射率平均不低于70%、S偏振态的反射率不高于99.6%的光学特征指标,而且偏振截止带的带宽可以扩展到400 nm～700 nm。简化了工艺难度,大幅度缩减镀膜时间,降低了投影显示器件制造成本,并提高了光学特征指标。     

膜系光谱系数对膜层参数的一阶和二阶偏导数的计算模型

为了寻找一种膜系深入分析与设计的有力辅助计算工具,从光学薄膜光谱系数的矩阵计算理论出发,基于对矩阵求迹运算的巧妙运用,从数学上建立了准确计算膜系光谱系数关于膜层几何厚度、实际折射率和消光系数等膜层参数的一阶和二阶偏导数的解析模型。这一偏导数计算模型物理上与矩阵理论具有一致的通用性和普适性,适用于任何各向同性的均匀膜系统。在数学上也严格成立,数值编程计算不存在差分近似,精度达到了计算机浮点运算的极限精度。而且算法运算费时少,计算速度快,取得了高度准确性和便于实时化的双重优越性能,非常有利于应用于膜系设计领域来提高膜层数较大时的设计速度和效率。同时,这一模型能非常便捷和准确地给出膜系许多实用的导数信息,对膜系分析、测量和膜厚监控等领域中的相关应用具有重要的参考意义。     

微粗糙基底上多层涂层光散射偏振建模与特性研究

为满足多层涂层目标的偏振探测需求,基于一阶矢量扰动理论,结合偏振传输矩阵,建立微粗糙基底上多层涂层的光散射偏振双向反射分布函数模型,研究多因素影响下两种典型涂层目标,单层减反射涂层和多层高反射涂层的光散射偏振特性,结果表明单层减反射涂层目标的偏振度受观测位置影响,峰值左侧的偏振度较之裸基底增大,右侧反之,探测不同观测角下的偏振度可区分无涂层和涂层目标。不同观测角和入射波长下,多层高反射涂层目标的偏振度与涂层层数和涂层光学厚度显著相关,层数增加,多层涂层在镜反射附近具有去偏作用。仿真结果符合测量数据,验证了多涂层目标散射偏振模型的正确性与合理性,为实现多涂层目标偏振探测和反射隐身技术提供理论依据。     

膜系光谱系数对膜层参数的一阶和二阶偏导数的计算模型

为了寻找一种膜系深入分析与设计的有力辅助计算工具,从光学薄膜光谱系数的矩阵计算理论出发,基于对矩阵求迹运算的巧妙运用,从数学上建立了准确计算膜系光谱系数关于膜层几何厚度、实际折射率和消光系数等膜层参数的一阶和二阶偏导数的解析模型。这一偏导数计算模型物理上与矩阵理论具有一致的通用性和普适性,适用于任何各向同性的均匀膜系统。在数学上也严格成立,数值编程计算不存在差分近似,精度达到了计算机浮点运算的极限精度。而且算法运算费时少,计算速度快,取得了高度准确性和便于实时化的双重优越性能,非常有利于应用于膜系设计领域来提高膜层数较大时的设计速度和效率。同时,这一模型能非常便捷和准确地给出膜系许多实用的导数信息,对膜系分析、测量和膜厚监控等领域中的相关应用具有重要的参考意义。     

Broadband dielectric film transflector for variable transmission optical filters

A broadband multilayer dielectric film transflector for applications in variable transmission optical filters is proposed. The dielectric film is composed of alternating TiO₂ and SiO₂ layers deposited on a substrate. The transmittance of the dielectric film transflector can be varied from 0 to 100% by adjusting the individual dielectric layer thickness and the number of layers. The conjugate gradient method is used to optimize the design of the transflectors. The obtained transflectors have good transmittance and reflectance within the whole visible range and the incident angle range 0-20°. The manufacturing tolerances on film thickness and refractive index are reasonably large.     

Direct measurement of the complex refractive index of thin foils in the XUV spectral range by point diffraction interferometry

In this paper, we demonstrate the application of point diffraction interferometry to determine the complex refractive index of thin foils in the extreme ultraviolet spectral range. Results are cross-checked by an independent interferometric measurement of the refractive index and a direct transmission measurement of the foils. As the light source, we apply high-order harmonics of a titanium-sapphire laser generated in a gas jet. This interferometric method has the advantage to simultaneously and directly deliver the refractive and absorptive part of the refractive index without relying on the Kramers–Kronig relations or the Fresnel equations. We present results for a set of materials (aluminum, silicon, germanium, boron, and parylene), which are of interest for the design of bandpass filters or multilayer coatings.     

太阳能分光发电系统的光学薄膜滤波片设计与仿真

由于不同材料的禁带宽度不同,对太阳光谱的吸收曲线也各不相同,探讨了用等效折射概念设计滤光片的原理和计算方法.针对非晶硅、单晶硅和砷化镓的吸收谱线设计了一组短波通滤光片,滤波片A在波长380～800nm处,平均透射率T＞90％;在波长880～1100 nm处截止,平均透射率T＜1％;滤波片B在380～500 nm处T＞9...