入射角度不敏感型石英光雙折射濾波器

高　丹, 盛　荔, 金　亓, 吳　軻, 王夢櫻, 陶　音, 孔　勇, 韓　華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 資產(chǎn)管理及保障處， 上海 201620)

文章編號：1001-3806(2015)03-0329-04

入射角度不敏感型石英光雙折射濾波器

高丹, 盛荔, 金亓, 吳軻, 王夢櫻, 陶音, 孔勇, 韓華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 資產(chǎn)管理及保障處， 上海 201620)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)石英光濾波器中心波長隨角度變化不敏感的目的，利用石英光濾波器繞著平行于或垂直于石英光軸的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，石英光濾波器輸出中心波長漂移方向不同的原理，提出了一個(gè)新型的兩級改進(jìn)型的Lyot石英光濾波器濾波的方法，并進(jìn)行了相關(guān)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)入射角小于18°時(shí)，這個(gè)新型的光濾波器的中心輸出波長的確對入射角度的變化不敏感。該結(jié)論與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符合的。

關(guān)鍵詞：光學(xué)器件；石英晶體; 雙折射; 光學(xué)濾波器

中圖分類號：O436.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.010

Quartz birefringent optical filters insensitive to incident angles

GAODan,SHENGLi,JINQi,WUKe,WANGMengying,TAOYin,KONGYong,HANHua

(Asset Management and Security, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Abstract：In order to achieve a quartz filter insensitive to incident angles, based on the principle that the shifting direction of output central wavelength of a quartz birefringent optical filter is different when the filter rotate around an axis parallel and perpendicular to the quartz optical axis, a new type of two-stage modified Lyot quartz filter was presented. After theoretical analysis and experimental verification, the results show that the central wavelength of this new type filter is actually insensitive to the incident angles less than 18°. The conclusion is in good agreement with the experiment results.

Key words:optical devices； quartz crystal; birefringence; optical filter

E-mail：gd@sues.edu.cn

引言

Lyot[1]和Solc型濾波器[2]是兩種傳統(tǒng)型的雙折射光濾波器，它們和其它種類的光濾波器相比，具有較容易調(diào)諧到所需要的波長、低插入損耗和寬的視場角等優(yōu)點(diǎn)。因此，雙折射濾波器在光譜成像[3]、激光調(diào)諧[4-5]、遙感[6-7]、天文[8-10]、密集波分復(fù)用等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[11-12]。

對于雙折射濾波器，在固定的傳輸波長光譜進(jìn)行工作是很重要的。例如，在有關(guān)太陽光觀測的儀器中，偏離軸入射時(shí)光濾波產(chǎn)生了傳輸函數(shù)的變形，就是不能接受的[10]。在傾斜入射角下傳輸?shù)碾p折射濾波特性已經(jīng)被很多人所研究[13-16]，但幾乎沒有看到關(guān)于在斜入射角入射時(shí)如何保持濾波器固定的中心波長輸出的報(bào)道。本文中，作者分析了這方面的工作，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果都表明，所設(shè)計(jì)的這種新型的光濾波器的中心輸出波長對入射角的變化的確是不敏感的。

1數(shù)值模擬和理論分析

圖1中所示的元件包括Glan 棱鏡P1,P2和石英波片L1。 P1偏振面和石英光軸或z軸的所成方位角是45°，和P2是一樣的。石英光軸和z軸是平行的。當(dāng)圖1中裝置1圍繞垂直于石英光軸的軸方向旋轉(zhuǎn)i角度后就變成了圖2中的裝置2， 對于這種情況,石英濾波器的雙折射率和輸出光強(qiáng)的公式由下式所描述[14-15]：

Fig.1　Construction diagram of setup 1

Fig.2　Construction diagram of setup 2

式中，λ是真空中的入射光的波長，δ1是光程差，i是入射角，ne 和no 分別是石英波片的非尋常光和尋常光的折射率,d是石英厚度，T是透射率。

圖3中所示的元件包括Glan棱鏡P1,P2和石英波片L1。P1偏振面和石英光軸或z軸的所成方位角是135°，和P2是一樣的。石英光軸和x軸是平行的。當(dāng)圖3中裝置3圍繞平行于石英光軸的軸方向旋轉(zhuǎn)i角度后就變成了圖4中的裝置4， 對于這種情況石英濾波器的雙折射率和輸出光強(qiáng)的公式由下式所描述[14-15]：

Fig.3　Construction diagram of setup 3

Fig.4　Construction diagram of setup 4

作者所用模擬的石英參量如下：ne,no和d分別為1.57,1.561,0.6mm 。圖5中的3條曲線,中間的那條中心波長在600nm 的曲線是裝置1和裝置3的透射曲線，也就是說如果裝置1或裝置3不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，裝置1和裝置3的透射曲線是同一個(gè)。中心波長在610nm和590nm 的分別是裝置2和裝置4中旋轉(zhuǎn)角度i=18°時(shí)的透射曲線， 即和裝置1或裝置3相比較，裝置2和裝置4的中心波長分別向波長長的方向和短的方向發(fā)生了漂移。因此聯(lián)合裝置2和裝置4提出了一個(gè)新型的濾波器，按作者假設(shè)的結(jié)果,它輸出的中心波長將對入射角不敏感。

Fig.5　Transmission spectrum of setup 1 ~setup 4

圖6中裝置6的透射公式為:

Fig.6Constructiondiagramoftwo-stageLyotfiltercombinedwithsetup2andsetup4

圖7中中心波長透射率較高的曲線和較低的曲線分別是裝置6中i=0°和i=18°的透射曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射角的傾斜角度變化時(shí)雖然透射率下降了， 但是中心波長的位置基本沒有變化，這就表明了裝置6輸出的中心波長的確對入射角是不敏感的。

Fig.7　Transmission spectrum of setup 6 for i= 0° and i=18°

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

實(shí)驗(yàn)中所用的石英參量和模擬用的參量是相同的。作者使用的分光光度計(jì)是國產(chǎn)的，型號是V-1600PC ，具備1nm的掃描步長，300nm 到1100nm 的掃描范圍。從圖8 和圖9中發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果(見圖5、圖7)是完全一致的(圖8中的曲線1、曲線2和曲線3分別對應(yīng)圖4、圖1和圖2中裝置的透射曲線;圖9中的曲線1和曲線2分別對應(yīng)當(dāng)裝置6的偏轉(zhuǎn)角為0°和18°的情況)。這也驗(yàn)證了作者的假設(shè)。但是對于圖10(圖10中的曲線1和曲線2分別對應(yīng)當(dāng)裝置6的偏轉(zhuǎn)角為0°和45°的情況),當(dāng)入射角發(fā)生45°的變化時(shí)，中心波長的位置發(fā)生了變化(值得一提的是Glan棱鏡的半視場角為20°左右[14]，在這里不考慮Glan棱鏡傾斜對濾波帶來的影響，只考慮了當(dāng)石英波片發(fā)生45°旋轉(zhuǎn)時(shí)對濾波帶來的影響)，這是因?yàn)殡S著入射角度的進(jìn)一步提高，裝置2中的某一級濾波曲線和裝置4中的下一級濾波曲線的相互作用就將比裝置2中和裝置4中的同級濾波曲線要明顯得多。更進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn)，圖7或圖9中的旁帶光譜隨入射角度的變化越來越明顯，這就是上面實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。因此保持該裝置6的傾斜角度小于18°是很重要的，可以避免中心波長發(fā)生漂移過大的現(xiàn)象。

Fig.8　Experiment result of transmission spectrum of setup 1 ~ setup 4

Fig.9　Experiment result of transmission spectrum of setup 6 for i=0° and i=18°

Fig.10　Experiment result of transmission spectrum of setup 6 for i=0° and i=45°

對于另一種情況(見圖11、圖12)，描述的公式分別和圖4和圖2是相同的[14-15]。當(dāng)入射角不發(fā)生和發(fā)生改變時(shí)，圖13中的透射曲線將和圖6是相同的，作者也通過實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。總之，不論裝置13還是裝置6，所輸出的中心波長的透射和入射角都是不敏感的。

Fig.11Construction diagram of Fig.1 rotated around the axis parallel to the quartz optical axis with anglei

Fig.12Construction diagram of Fig.3 rotated around the axis vertical to the quartz optical axis with anglei

Fig.13Construction diagram of two-stage Lyot filter combined with Fig.11 and Fig.12

3結(jié)論

提出了一個(gè)新型的兩級改進(jìn)型的Lyot濾波器，它由兩個(gè)光軸互相垂直的波片和3個(gè)相間隔的方位角互成一定角度的Glan棱鏡組成，如圖6和圖13所示。所有Glan棱鏡的方位角都是平行的，和第1個(gè)以及第2個(gè)石英波片的方位角分別成45°和135°，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明，無論這種新型的濾波器圍繞垂直或平行于石英光軸的軸發(fā)生轉(zhuǎn)動、并且當(dāng)入射角小于18°時(shí)輸出的中心波長對入射角都是不敏感的，這個(gè)結(jié)論將在光譜成像、激光調(diào)諧、天文學(xué)等中心波長不隨角度變化的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

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收稿日期：2014-05-09；收到修改稿日期：2014-06-23

作者簡介：高丹(1981-)，男，助理研究員，從事計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究。