帶通濾光片

帶通濾光片是光譜特性曲線透射帶兩側鄰接截止帶的濾光片。帶通濾光片根據光譜特性大致分為寬頻濾光片和窄帶濾光片兩種，兩種濾光片通常都是組合而成的，套用了光波干涉原理製備帶通濾光片，且帶通濾光片在各個領域得到了廣泛套用。

基本介紹

• 中文名：帶通濾光片
• 外文名：band pass filter
• 屬於：光學器件
• 分類：寬頻濾光片和窄帶濾光片
• 製備原理：光波干涉原理
• 用途：過濾光波

簡介

光譜特性曲線的透射帶兩側為截止區的濾光片稱為帶通濾光片。帶通濾光片是一類重要的光學薄膜元件，它在化學、光譜學、雷射、天文物理、光纖通信、生物學等領域得到了廣泛套用。用光波干涉原理製備的帶通濾光片的光譜曲線如下圖所示，圖中波長 附近光譜透射區稱為濾光片的通帶，通常兩側是截止區，而且截止區的周圍可能存在旁通帶，通常需要用有色玻璃、吸收膜或截止濾光片來消除旁通帶。

帶通濾光片的主要特性參數有：

① ：中心波長，也稱為峰值波長；

② ： 處透射率；

③ ：半寬度，它是透射峰為峰值一半處通帶的波長寬度；

④ ：十進寬度，它是透射峰為峰值10%處通帶的波長寬度；

⑤ ：波形係數，它表征了通帶矩形化程度；

⑥ ：相對半寬度，有時記為HW；

⑦ ：抑制帶最小透射率，即背景透射率；

⑧ ：抑制率；

⑨ ：長波截止範圍；

⑩ ：短波截止範圍。

根據光譜特性可以將帶通濾光片分為：窄帶濾光片和寬頻濾光片，但這種劃分沒有明確的界限，通常把相對半寬度不小於20%的濾光片稱為寬頻濾光片。

干涉濾光片的光譜特性

寬頻濾光片

寬頻濾光片通常可以用短波通和長波通濾光片組合而成。考慮到膜層吸收特性，某些短波通或長波通濾光片其本身就可以當作寬頻濾光片。截止濾光片膜系可以鍍在不同的基片上，若干不同截止波長的截止濾光片可組成一套具有不同半寬度和峰值波長的寬頻濾光片，一般情況下，這樣組成的寬頻濾光片，不適用於成像系統，因為膜系之間的多次反射可能會造成鬼像。為了消除鬼像，必須把整個薄膜濾光片都鍍在基底的同一側，最有效的設計方法仍然是採用對稱周期膜系。

採用對稱周期膜系時，可用等效單層膜來表示短波通膜系和長波通膜系，這樣有三個需要匹配的界面，假如用A和B表示兩個等效膜，其中B靠近基片，則在基片和B，B和A及A和入射介質之間都需要考慮匹配膜層，用簡單的 膜層來匹配，一般能滿足要求。

某些多半波濾光片膜系(即含有多個半波層的膜系)也可以構成寬頻濾光片，例如全介質四半波濾光片： ，其中， ， ， ，其相對半寬度 ，光譜曲線如圖所示。

介質四半波濾光片光譜曲線

窄帶濾光片

以長波通與短波通濾光片來合成窄帶濾光片在工藝上非常困難，因為制膜時截止波長、中心波長和半寬度都很難控制，所以通常以法布里一珀羅干涉儀(簡稱F—P干涉儀或F—P標準具)來設計窄帶濾光片，其設計原理與其他膜系完全不同。

根據物理光學的有關知識，F—P干涉儀由兩塊高反射率，間隔為d的平行反射板組成，如圖5．50所示，如果用介質層來代替平行反射板之間的空氣層，在介質層兩側鍍制高反射膜層，就可得到具有F—P干涉儀光譜性質的膜系。

法布里-珀珞干涉儀原理圖

根據多光束干涉理論，通過F—P標準具的透過率為

式中， 和 為兩反射膜的反射率； 和 為反射膜的反射相移； 為間隔層相位厚度。

令 ，可得

式子的特點是相位關係和振幅關係可以分別研究， 和 只決定於兩個反射膜系的反射率，而因子 僅取決於兩個反射膜系的反射相移和間隔層厚度。

帶通濾光片的套用

寬頻濾光片的套用

在光學工程實際套用中，並不是所有需要帶通濾光片的地方都希望通帶越窄越好，還有一部分需要是寬頻濾光片。例如用於電焊防護的自動變光面罩，要求使用一塊對可見光透明，而對紫外和紅外深度截止的帶通濾光片，其套用特點如下：

(1)強光防護濾光片的性能要求

①紫外線、紅外線隔離性：對波長 波段的紫外線和大於 的紅外線的透過率小於 。

②可見光透明度：在 之間任意波長、頻寬為 、中心透過率不小於50%的彩色可見光透明帶(透過色可以是藍綠、墨綠、翠綠、黃綠、黃色、橙色)。

(2)誘導濾光片膜系

由於需要截止的紫外和紅外波段很寬，截止度又很深，只有金屬誘導濾光膜系有可能實現。在設計中主要採取的措施有：

①這裡並不需要窄通帶，可選用三層金屬膜層，既可以增加通帶的寬度，又能夠加深截止度。

②使用高折射率層做金屬層之間的間隔層，有利於抑制紫外區的短波透射次峰。

③調整金屬層厚度的比例，可以調整通帶波形。

如圖給出了實際設計膜系 的透射率曲線，其中 ， 和 是厚度不同的銀膜，曲線a表示 和 銀膜的厚度是 和 ，曲線b表示 和 銀膜的厚度是 和 。由圖可知，改變金屬膜層總厚度，可以改變通帶透射率和截止帶深度；調整金屬膜的厚度，通帶波形將被改變。

雙半波濾光片的光譜特性

窄帶濾光片的套用

長期以來，F—P干涉型膜系作為獲得窄帶通濾光片的唯一途徑，在光學波段得到了廣泛的套用。 特別是近幾年在光纖通信DWDM(Dense Wavelength—DivisionMultiplexing，密集波分復用器)技術中，採用F—P干涉型光學超窄帶濾光片擴展單根光纖的信道容量，使光學超窄帶濾光片的套用和製造技術水平上升到一個新的高度。

(1)套用於光纖通信DWDM系統的超窄帶濾光片

套用於光纖通信DWDM系統的超窄帶濾光片，除了必須具備熱穩定性好、插入損耗小、偏振相關損耗小的特徵之外，為了能夠在傳輸光線終端正確地將每個載波從包含有多個波長的一束光中提取出來而不存在串擾，還必須具有矩形通帶、較小的通帶波紋和較高的抑制比。

(2)光學梳狀濾波器(Interleaver)

光學梳狀濾波技術是一種把一列頻率間隔為的光信號分成兩列頻率間隔為的光信號，並分別從兩個信道輸出的光濾波技術。