光学滤波器

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定义:具有与波长有关的透射率或反射率的器件。

光学滤波器通常是指透射率或反射率与波长有关的器件,当然也有的滤波器透射率或反射率是与偏振或空间分布相关的,或者施加的衰减是统一的。透射率与波长关系很弱的滤波器称为中性密度滤波器


光学滤波器的类型

存在很多不同类型的采用不同物理原理的光学滤波器。例如:

  1. 吸收玻璃滤波器,染料滤波器和颜色滤波器是利用了某些材料(例如玻璃掺杂,染料,颜料或者半导体)吸收与波长有关。由于吸收的光直接转化为热,因此这种滤波器不适合用于高功率光学辐射中。
  2. 很多光学滤波器是利用干涉效应,与传播过程中相移随波长变化结合一起。这种滤波器反射率和透射率都与波长有关,被滤除的光还可以发送到束流收集器中,该器件可以承担很高的功率。一种很重要的干涉型滤波器包含电解质涂层。这些涂层可以用在电介质反射镜中(包括二色性反射镜),还可以用到薄膜偏振器中,偏振和非偏振分束器中。采用薄层设计可以实现边缘滤波器,低通、高通和带通滤波器,陷波滤波器等。光纤布拉格光栅和其他光学布拉格光栅(例如体布拉格光栅)采用的是相同的原理。除了阶跃折射率结构外,还有渐变折射率滤波器,称为梳状滤波器。该方案可以制作非常高质量的陷波滤波器。
  3. 法布里-珀罗干涉仪标准具阵列波导光栅也是利用干涉效应,但是需要更大的光程差。因此,它们具有更加尖细的光谱特性。
  4. Lyot滤波器涉及到与波长相关的偏振态变化。还有类似的器件,例如可调谐激光器中的双折射调谐器。
  5. 还有一些滤波器是利用了棱镜(或棱镜对)与波长有关的折射或者光栅中与波长有关的衍射。
  6. 还有声光可调谐滤波器,它利用了只在很窄频率范围内工作的声波的布拉格反射。

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图1:电介质边缘滤波器的反射率曲线,在小于980nm具有很高的透射率,而在大于1030nm具有很高的反射率。这种滤波器可以用来将泵浦光注入到激光器掺镱晶体中。

考虑到透射曲线的形状,还有下列滤波器:

  • 带通滤波器,只透射特定波长范围的光
  • 梳状滤波器,消除特定波长范围的光
  • 边缘滤波器,透射某一特定波长以上或者以下的光(高通和低通滤波器)


应用

光学滤波器的应用包括:

  1. 滤波器可以消除不需要的光。例如,消除激光辐射实现人眼防护通常采用滤波器,可以消除红外激光只透射可见光(参阅激光安全)。类似的,太阳镜衰减可见光并且可以滤除紫外光绿色激光笔也通常采用滤波器来消除杂散红外光。热控制滤波器用来透射可见光,且消除强的红外辐射,后者是由热表面辐射的。锋利的边缘滤波器或者带通滤波器可以用在荧光显微镜中消除荧光信号光中的泵浦光。
  2. 与波长相关的损耗可以用在光纤放大器中进行增益平坦,与光纤通信中类似。类似的,滤波器还可以用来平衡光探测器响应或者光源中的非均匀光谱
  3. 以光纤分插复用器形式的滤波器可以用在波分复用光学数据传输系统中分离或者插入单个信道。
  4. 激光器中的腔内滤波器可以进行波长调谐激光器单模工作,或者抑制在某些不需要的波长处的激光效应。
  5. 滤波器可以抑制放大器链放大的自发辐射效应。
  6. 可调谐滤波器和宽带光探测器结合起来可以对光信号进行光谱分析
  7. 中性密度滤波器可以在不改变光谱形状的情况下衰减光信号。


参阅:梳状滤波器波长调谐增益平坦光纤通信中性密度滤波器