超窄帶濾光片的應用以及原理
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隨著人類航天活動的日益增多, 閃電給航天飛行器的發射和運行所帶來的危害也日益顯現出來,
因此 ,對閃電的探測非常必要 。由于閃電的信號具
有非常窄的光譜范圍 ,所以閃電信號往往被淹沒在
強大的背景輻射之中。要實現對閃電的有效探測,
必須在光學系統中使用超窄帶濾光片 ,在獲取閃電
特征峰位信號的同時濾去周圍大量的背景輻射, 從
而提高閃電探測的信噪比。
閃電的特征光譜如圖 1所示 。主要由多個離 散的尖峰組成 ,其中峰值最強的一個特征峰中心波 長為 777. 4 nm ,因此 ,將閃電探測用超窄帶濾光片的 中心波長設計為此波長, 濾光片的帶寬則需要綜合 考慮減少背景輻射對探測結果的影響以及獲得足夠 的閃電信號強度, 濾光片的帶寬要求為 1 nm
常規的超窄帶濾光片結構設計一般采用類似于 Fabry- Perot 干涉儀的結構, 即在兩個高反射膜系中 間夾一個間隔層( 腔) ,反射膜系由四分之一中心波 長的膜層組成 ,間隔層厚度為二分之一中心波長的 整數倍。這種最簡單的單腔結構濾光片性能較差, 通帶形狀為三角形。為滿足閃電探測使用要求, 超 窄帶濾光片設計采用兩腔或三腔結構 ,即利用耦合 層將多個單腔結構組合起來, 以得到接近矩形的通帶。對于多腔結構, 濾光片的帶寬主要決定于膜層 材料折射率、 膜系結構和周期數、 間隔層材料和結構 以及耦合層的材料和結構。在初步設計結果確定 后,通過調節間隔層和耦合層參數 ,可以對濾光片的 帶寬進行微調以得到滿足設計要求的結果。。
介質濾光片一個主要缺點是 ,隨著入射角的變 化,中心波長將向短波方向發生漂移。圖 5 所示為 一個雙腔 Fabry-Perot 型濾光片的中心波長漂移與入 射角的關系 。可以看出, 采用高折射率材料作為間 隔層, 可以得到較小的中心波長漂移 , 因此, 在設計 時,應盡量采用高折射率材料作為間隔層,以得到盡 可能小的中心波長漂移。
在斜入射的情況下, 超窄帶濾光片的光譜特性 發生的另一個變化是 s 偏振光和 p 偏振光產生分 離。產生分離的原因主要有兩個方面: 一方面 ,由于 s偏振光的透射率低于 p 偏振光, 因此 s 偏振光的通 帶寬度小于 p 偏振光 ; 另一方面 ,膜系在 s 偏振和 p 偏振情況下的等效折射率不同 ,使兩個偏振分量的 峰值波長不再重合 。濾光片的帶寬越窄, 這種分離 也越明顯 。研究表明 ,在傾斜入射時,以高折射率材 料作為間隔層的濾光片, s偏振分量的中心波長比 p 偏振分量向短波方向的漂移量更大, 而以低折射率 材料作為間隔層的濾光片 ,則剛好相反 。因此 ,可以 預計, 如果間隔層同時由高、低折射率兩種材料構 成,則可能使兩種偏振分量的中心波長分離程度減 小。研究結果證明了這個假設 。
