梳状滤波器

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定义:折射率连续变化的介质界面滤波器。

梳状滤波器是一种光滤波器,利用了介质涂层,其中折射率至少在一部分结构中是连续变化的(而不是分布变化)。这种装置也称为渐变折射率滤波器,为了与常规的分布滤波器分离开。

最简单的情况是折射率是正弦振荡的,对某窄波长区域的光反射。透射得到陷波滤波器,可以阻挡某些波长范围的光,而反射得到带通滤波器。这种滤波器可以用在拉曼光谱学中用作激光器拦截器。也可以将多个反射带结合一起得到多陷波滤波器。

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图1:梳状陷波滤波器的折射率曲线[12]。

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图2:梳状陷波滤波器的透射谱,其折射率曲线如图1.

光纤布拉格光栅理论上可看做梳状滤波器。


制备梳状滤波器

可以采用多种技术得到折射率连续变化的介质涂层: — 最常用的方法是将两种不同的涂层材料以不同比例混合一起。然后,可以采用双电子束同时蒸发或者类似的方法(电子加热或离子束溅射),材料对可以是 ZrO2 / MgO, ZrO2 / SiO2, Ta2O5 / TiO2 or TiO2 / SiO2。根据具体的生长条件(组分,饱和温度等),可以得到多晶或者非晶结构。 — 对于有些涂层材料,例如TiO2,在气体沉积过程中可以改变填充密度,例如,可以通过控制氧分压或者通过斜向沉积。填充密度会直接影响折射率[9]。这项技术也可以应用到多孔硅梳状滤波器中[8]。

精确控制折射率得到渐变折射率结构是非常困难的。为了得到很高的精度,需要采用自动的计算机控制,需要采用在线生长控制和复杂的算法。在生长中如果检测到与目标值偏离,接下来结构会自动改变,尽早补偿产生的错误。


梳状滤波器的光学性质

与采用普通介质涂层的滤波器相比,梳状滤波器具有一些独特的性质: — 折射率的正弦振荡在反射光谱中产生一个单独的峰,不存在普通布拉格反射镜中的边带,这些边带来自于矩形振荡中的高阶傅里叶成分。但是这种类型的干净滤波器还需要两个额外的条件:需要避免端口的附加反射和孔障。[12]中给出了例子。 — 可以将折射率的多次振荡线性叠加将多次反射结合。 — 与普通滤波器相比,梳状滤波器具有很高的损伤阈值[10]。


分析、设计和优化梳状滤波器

理论上分析梳状滤波器时,可将渐变折射率涂层结构近似看做具有很多层的分布结构,这时每一层间的折射率变化很小。因此,常规的分布结构的软件原则上在这里可以采用。但是,需要处理很多层结构,并且需要采用一些方法来表征结构,因为不可能在软件中输入成百上千个折射率值。可以采用一系列参数,例如,介质折射率,振荡振幅,孔障参数等来自动计算整个结构的性质。另外有时需要将梳状结构与抗反射涂层结合一起。

通过分析设计可以得到简单的滤波器曲线。对于更加复杂的设计,可以采用逆傅里叶变换方法,利用了至少在低反射率时,反射光谱与空间折射率的傅里叶变换有关的事实。这种方法可以经过改进用于高反射率的情况[2]。

还有其他的技术可以数值优化梳状滤波器。通常不需要优化单层厚度值(分布折射率结构中常用),而是需要优化折射率曲线的细节。最简便的方法根据之前提到的将结构参数化。因此可以改变这些参数,例如最小化评价函数,它是评价远离所需的光学性质程度的函数。

——参考文献

[1] J. A. Dobrowolski and D. Lowe, “Optical thin film synthesis program based on the use of Fourier transforms”, Appl. Opt. 17 (19), 3039 (1978)


[2] P. G. Verly et al., “Synthesis of high rejection filters with the Fourier transform method”, Appl. Opt. 28 (14), 2864 (1989)


[3] W. J. Gunning et al., “Codeposition of continuous composition rugate filters”, Appl. Opt. 28 (14), 2945 (1989)


[4] B. G. Bovard, “Rugate filter design: the modified Fourier transform technique”, Appl. Opt. 29 (1), 24 (1990)


[5] H. Fabricius, “Gradient-index filters: designing filters with steep skirts, high reflection, and quintic matching layers”, Appl. Opt. 31 (25), 5191 (1992)


[6] J.-S. Chen et al., “Mixed films of TiO2-SiO2 deposited by double electron-beam coevaporation”, Appl. Opt. 35 (1), 90 (1996)


[7] J.-G. Yoon et al, “Structural and optical properties of TiO2-SiO2 composite films prepared by aerosol-assisted chemical-vapor deposition”, J. Korean Phys. Soc. 33 (6), 699 (1998)

[8] K. Kaminska et al., “Simulating structure and optical response of vacuum evaporated porous rugate filters”, J. Appl. Phys. 95 (6), 3055 (2004)


[9] M. Jerman et al., “Refractive index of thin films of SiO2, ZrO2, and HfO2 as a function of the films' mass density”, Appl. Opt. 44 (15), 3006 (2005)


[10] M. Jupé et al., “Laser-induced damage in gradual index layers and Rugate filters”, Proc. SPIE 6403, 640311 (2006)

[11] A. Thelen, Design of Optical Interference Coatings, McGraw–Hill (1989)

[12] Development of a rugate filter with the RP Coating software



参阅:光滤波器介质涂层布拉格反射镜光纤布拉格光栅