基于OpenFilters的He-Ne氣體輝光壓制窄帶濾光片

張　欣,胡志芬,吳素勇,譚中奇

(國防科學技術大學 光電科學與工程學院，長沙 410073)

文章編號：1001-3806(2015)03-0432-05

基于OpenFilters的He-Ne氣體輝光壓制窄帶濾光片

張欣,胡志芬,吳素勇*,譚中奇

(國防科學技術大學 光電科學與工程學院，長沙 410073)

摘要：為了解決環形激光器小型化中信號信噪比隨腔長減小而下降的問題，設計了一種能壓制He-Ne氣體放電輝光而不影響激光光強的窄帶濾光片。基于OpenFilters軟件獨有的“step”自動膜系設計方法，以初始膜層厚度為線索，設計了符合光譜特性實際應用要求的多個非規整膜系結構。考慮膜層數、膜層厚度及應力等因素，選出便于石英晶振監控的窄帶濾光片。在45°的入射角下，該濾光片對s偏振光在632.8nm處的峰值透射率為99.9%，通帶半峰值全寬為5.2nm，截止帶平均透射率為1.35%。結果表明，該濾光片可有效壓制He-Ne氣體的放電輝光，提高小型環形激光器的信噪比。

關鍵詞：激光技術；輝光壓制；窄帶濾光片；環形激光器；OpenFilters軟件

中圖分類號：O484.4

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.033

Narrow band filter for discharge glow suppression of

He-Ne gas based on OpenFilters software

ZHANGXin,HUZhifen,WUSuyong,TANZhongqi

(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：In order to solve the problem of signal-to-noise ratio decreasing with the decreasing of cavity length during the miniaturization of ring laser, narrow band filter was designed for suppressing the discharge glow of He-Ne gas without affecting on laser output. Based the unique “step” automatic coating design method of OpenFilters software and using the initial film thickness as the clue, a number of non-structured membrane structures were designed for the requirements of practical application of spectral characteristics. An optimized narrow band filter for crystal monitoring was selected under the consideration of layer number, thickness and stress. When s polarization light was incident from the air at angle of 45°, the filter had peak transmittance of 99.9% at central wavelength of 632.8nm, full width at half maximum of 5.2nm and average transmittance at cutoff band of 1.35%. The results show that the filter can suppress the discharge glow of He-Ne gas effectively and improve the signal-to-noise ratio of miniaturized ring laser.

Key words:laser technique; glow suppression; narrow band filter; ring laser; OpenFilters software

*通訊聯系人。E-mail:sywu2001@163.com

引言

作為慣性導航與制導的理想角速度敏感元件，He-Ne氣體環形激光器在西方發達國家的許多領域已取代了傳統的機電陀螺儀，特別是在飛機、艦船、潛艇、導彈、火炮、戰車、火箭和衛星等載體上應用非常廣泛[1]。小型化是環形激光器發展的重要方向之一，在降低成本、提高集成度的同時，可滿足對體積有嚴格要求的中、低等精度導航與制導的需求，在軍事領域上具有重要意義[2]。霍尼韋爾的GG1308是最具代表性的小型環形激光器，已經廣泛應用在眾多的武器系統中，如聯合獨立武器、全球鷹無人偵察機導航系統、烈火偵察機導航系統、P-3合成孔徑雷達天線、P-3C反潛巡邏機改進系統的標準航向參考備份系統、陀螺羅盤傳感系統和先進兩棲攻擊戰車導航系統等[3]。

在環形激光器小型化的過程中，隨著腔體的縮小，He-Ne氣體的有效增益長度減小，激光光強變弱，而氣體放電產生的輝光強度基本不變，信噪比受到嚴重影響，給小型He-Ne環形激光器的讀出信號解調和技術指標帶來了不利影響，因此,需要研究一種能壓制He-Ne氣體放電輝光而又不影響有用激光信號的方案。從光學濾波的角度出發，光柵或薄膜濾光片都具有透射一定波段、截止另一波段的特性[4-5]，都可實現對He-Ne氣體放電輝光的壓制。但光柵存在以下不足：易受機械振動干擾，帶來環境誤差；由于是窄縫，工作時必須采用大的前放倍數，這就使檢測信號的噪聲比較大；光柵維護和校準比較復雜。相比而言，薄膜濾光片安裝好后不存在機械誤差，適應環境能力強，特別是對濕度和溫度的耐受性能好，通帶信號光較強，易于得到噪聲小的檢測信號，結構簡單、便于維護、易于小型化。據此，作者擬通過在環形激光器輸出鏡后表面上膠合一個薄膜濾光片，探討對He-Ne氣體的放電輝光進行壓制的可行性。

1輝光壓制濾光片的指標確定

He-Ne環形激光器是在環形諧振腔內充入低壓He-Ne氣體并以其為增益介質的氣體激光器。根據公開發表的資料，可找到He-Ne激光器的一些可能激光譜線，但只是輝光的組成部分，尚未發現He-Ne環形激光器的完整輝光光譜分布曲線。為準確界定待研制濾光片的工作波段及參量指標，作者采用Zolix的光柵攝譜儀SGM100對小型He-Ne環形激光器的輝光和輸出光進行光譜測試。測試時，將激光器置于留有孔洞的封閉盒中，待激光器的電源線、穩頻線以及攝譜儀的光纖探測線纜經該孔洞置于封閉盒內后，用橡皮泥堵住該孔洞，以保證無外界雜散光進入干擾測量。測量過程是先不加激光器電源，測量封閉盒的背景噪聲分布，然后點亮激光器，將攝譜儀的探頭垂直激光器光路平面或迎著輸出光的方向，分別測量輝光和激光器輸出光的光譜分布，所得數據經光柵攝譜儀軟件扣除背景噪聲的影響后即為待求的光譜分布數據，測量結果如圖1所示。

Fig.1　Measurement results of spectral intensity distribution

圖1中分別給出了封閉盒內的背景噪聲、垂直激光器光路平面測得的輝光和迎著輸出光的方向測得的激光器輸出光的相對光強的光譜分布圖，其中圖1b和圖1c都已扣除了背景噪聲的影響。從圖1a可以看出，封閉盒中的背景噪聲的光譜分布較一致，說明沒有外界雜散光的干擾。從圖1b可以看出，環形激光器的輝光的光譜范圍較寬，從380nm~760nm都有次峰，但主要分布在570nm~760nm波段，最強的次峰為640nm，理論上這些次峰的位置和強度大多與Ne原子的3S2-2Px能級躍遷有關。因此，可確定待研制濾光片的工作波段至少應包含570nm~760nm區間。圖1c比圖1b中多了632.8nm處的激光尖峰，其余次峰的位置彼此較為吻合，相對強度的形狀也較為類似，反映出測量過程正確，光柵攝譜儀給出的測量結果具有較好的波長一致性，同時說明激光器輸出光里確實含有He-Ne氣體放電產生的輝光成分。

考慮到實際激光器為正方形，激光從近似真空中以45°入射角從輸出鏡出射，而待研制濾光片膠合在輸出鏡后表面，因此其在空氣中的傳播角也是45°。同時，由于斜入射時腔鏡對s偏振光的反射率大于p偏振光，模式競爭的結果是只有s偏振光形成諧振，即輸出激光為s偏振光。因此，根據以上測得的輝光光譜分布結果，可確定待研制窄帶濾光片的設計指標：從空氣中以45°入射，中心透射波長為632.8nm，對s偏振光而言，峰值透射率盡可能高，且透射帶半峰值寬度盡可能小，截止帶為570nm~760nm區間中除632.8nm波長處的中心透射帶以外的波段，截止區透射率盡可能低。

2輝光壓制濾光片的膜系設計

根據市場調研，表1中給出THORLAB公司和SEMROCK公司的窄帶濾光片產品正入射時的主要參量(沒有斜入射產品)。可以看出，市售窄帶濾光片具有較窄的通帶半峰值寬度，但峰值透射率較低，最高只達70%，且帶寬越窄，峰值透射率越低。在實際的小型He-Ne環形激光器中，由于放電長度有限，導致增益本來就不大，因此對輝光壓制濾光片而言，需要其峰值透射率盡可能高，盡可能不損失有用的激光光強信號。另一方面，市售窄帶濾光片后表面通常未鍍增透膜，而斜入射時后表面反射比正入射時更顯著，以折射率為1.52的K9玻璃為例，s偏振光從空氣中以45°入射時，玻璃與空氣界面的反射率達9.67%，是正入射時反射率4.26%的2.4倍，帶來不小的透射光強損失。因此，市售的窄帶濾光片尚不能滿足實際應用要求，需要自行設計。

Table 1　Specifications of Thorlab’s and Semrock’s narrow band filters

膜系設計的理論基礎是分層介質的電磁場Maxwell方程組。膜系光譜特性系數如反射率、透射率等與設計中使用的膜層結構參量間的關系比較復雜，多數情況下需要用特征矩陣來表示[6-9]，只有在簡單的條件下才有解析的數學表達式。因此，目前膜系設計大都依賴強大的數值優化算法，利用計算機進行自動搜索[10-13]，少數膜系如增透膜、高反膜、F-P窄帶濾光片等可以用解析方法進行設計。具體設計時，一般使用商業性的膜系設計軟件程序包，如Macleod,TFCalc,FilmStar,Film Wizard,Optilayer等，但其價格一般都要數萬元，比較昂貴[14]。為了促進更多的人參與到膜系設計算法的研究中來，避免花費大量的時間進行重復性的編程工作，在2007年國際干涉薄膜峰會上，加拿大Ecole Polytechnique de Montreal功能薄膜與表面工程實驗室的LAROUCHE博士和MARTINU教授等人決定免費開放他們編制的膜系設計軟件OpenFilters的內部程序代碼[15]。OpenFilters具有完善的多層膜光學特性分析功能、簡潔的膜系設計界面及多種主流的優化設計方法，包括step法、needle法、傅里葉變換法、漸近優化法等[15]。

對待研制的輝光壓制用窄帶濾光片，如果具備了膜厚光學監控系統，采用F-P規整膜結構是最理想的，為實現較好的峰值透射率、矩形度、截止深度和帶寬等光學性能，F-P規整窄帶濾光片一般需要較多的層數，通過多腔疊加來實現。由于受限于現有的石英晶振監控設備，本文中將利用OpenFilters膜系設計軟件的數值優化算法，著重探討用非規整膜實現窄帶濾光片的可能性。考慮到石英晶振監控法不具有光控法的膜厚誤差自動補償機理，工程上希望在膜系設計時注意以下幾點要求： (1)總的層數不宜過多，減小鍍制難度和隨機誤差的影響；(2)各層膜幾何厚度不宜過厚，尤其是高折射率層，避免累積應力，影響其高低溫下的光譜性能；(3)各層膜幾何厚度不宜過薄，避免引入較大的監控誤差[16-18]。

設計時，選用熔融石英作為基片材料，選取Ta2O5和SiO2作為高、低折射率膜材料，其中Ta2O5的性能穩定，且其折射率較高，易于提高截止深度，降低總層數，減小總厚度，而SiO2作為最常用的低折射率材料，膜層牢固，化學性能穩定，且應力性能與Ta2O5良好匹配，有利于窄帶濾光片的光學特性在高低溫環境下保持穩定。根據單層膜采樣測量結果，在632.8nm處其折射率分別為2.125和1.46。在設置透射率目標時，選擇550nm~625nm、640nm~760nm為截止區，透射率上限設置為1%，選擇625nm~640nm為透射區，透射區的透射率設置為100%，透射率容差為1%。原則上，可在透射區上選擇設置較多的數據點，在截止區取相對少的點，以增加透射區的權重，盡可能得到高的峰值透射率。在此基礎上，進一步對透射區的帶寬進行微調，最終目標是獲得盡可能高的峰值透射率和盡可能小的通帶半寬，同時兼顧一定的截止深度，使窄帶濾光片的光學性能最優化。

初次設計時，設定初始Ta2O5層的幾何厚度為3000nm，在截止區550nm~625nm和640nm~760nm上分別選擇3個數據點，即550nm,600nm,625nm,640nm,700nm,760nm，在透射區625nm~640nm之間選擇40個數據點，即從630.8nm開始每間隔0.1nm選擇一個數據點，直至634.8nm。利用OpenFilters軟件提供的“step”自動合成方法進行全局設計，得到一個25層的膜系，記為1#濾光片，從空氣中以45°入射時，對s偏振光，其主要光學性能列于表2中，透射率光譜曲線及折射率輪廓如圖2所示。

可以看出，1#濾光片在632.8nm處的峰值透射率較高，最強輝光640nm處的透射率尚可，截止帶平均透射率較低，不足之處是其通帶半波全寬較寬，且存在高折射率過厚層(第5層，厚度達237nm)，這主要是由于通帶目標權重過重和初始膜厚設置過大和引起的。

Table 2　Specifications of filter 1#, 2#, 3# for s polarization incident light at 45° from the air

下面在1#濾光片的基礎上進行調整。首先減小初始膜層厚度，改小為2000nm；其次將透射區縮小，改為627nm~638nm，以減小通帶半寬度；最后減少通帶目標點的數目以降低權重，即從631.8nm開始每間隔0.1nm選擇一個數據點，直至633.8nm。最終得到1個21層的膜系，記為2#濾光片，從空氣中以45°入射時，對s偏振光，其主要光學性能列于表2中，透射率光譜曲線及折射率輪廓如圖3所示。可以看出，2#濾光片的總厚度有較大減小，通帶半波全寬有明顯縮小，截止帶平均透射率有些許變差，其余光學性能有些許提高。觀察2#濾光片的折射率輪廓圖，發現存在過薄層(第14層，膜厚僅3nm)，可能造成較大的沉積厚度相對誤差，不利于實際監控。

Fig.2Transmittance and refractive index of 1#filter forspolarization incident light at 45° from the air

Fig.3Transmittance and refractive index of 2#filter forspolarization incident light at 45° from the air

由于2#濾光片的光學性能已基本符合設計要求，故只需對其部分層的厚度進行一定改動，提高實際最優性。在2#濾光片增加第14層膜的厚度，再進行全局優化，最后得到一個19層的膜系，記為3#濾光片，從空氣中以45°入射時，對s偏振光，其主要光學性能列于表2中，透射率光譜曲線及折射率輪廓如圖4所示，圖5中給出了其膜厚相對靈敏度和在0.2%的相對幾何厚度監控誤差下s偏振光透射率Ts的誤差曲線。

Fig.4Transmittance and refractive index of 3#filter forspolarization incident light at 45° from the air

Fig.5Transmittance corridor and relative sensitivity of 3#filter forspolarization incident light at 45° from the air

從表2可以看出，3#濾光片犧牲了一定的截止帶透射率，使峰值透射率、半峰值全寬、最強輝光截止度、膜系總厚度等性能都得到改善。從圖4可以看出，3#濾光片無過厚、過薄層，最厚層為第10層SiO2膜，厚度為167nm，最薄層為第17層Ta2O5膜，厚度為70nm，這對石英晶振監控和總應力控制是有利的。從圖5可以看出，3#濾光片最敏感的是第9層，第8層和第10層次之，其余層不敏感，在0.2%的相對幾何厚度監控隨機誤差下，透射率曲線形狀未發生明顯變化，峰值透射率在84%~100%間波動，容差較好。

3結論

從小型環形激光器中He-Ne氣體輝光造成激光器輸出信號信噪比下降的問題出發，基于光學濾波的思想，利用OpenFilters膜系設計軟件，在石英晶振監控下考慮膜層數、膜層厚度和累積應力等實際鍍膜要求，對He-Ne氣體放電輝光壓制用的窄帶濾光片進行了膜系設計，確定了一個19層的最優非規整膜系結構方案。從空氣中以45°入射時，該濾光片對s偏振光在632.8nm處的峰值透射率為99.9%，通帶半波全寬為5.2nm，截止帶平均透射率1.35%，可有效壓制He-Ne氣體的放電輝光，提高小型環形激光器輸出信號的信噪比，有利于小型He-Ne環形激光器向更寬的范圍拓展應用。

參考文獻

[1]KING A D. Inertial navigation-forty years of evolution[J]. GEC Review, 1998, 13(3): 140-149.

[2]CHOW W W, GEA-BANACLOCHE J, PEDROTTI L M. The ring laser gyro[J].Review Modern Physics, 1985,57(1):62-64.

[3]CAI M. Technology development and application of the laser gyroscope [J]. Aeronautical Science and Technology, 2009,13(4):9-12(in Chinese).

[4]JIA Y Ch, LI G, BAI Y Zh,etal. Study of factors influencing half bandwidth, rectangularity and steepness in design of narrow band-pass filter [J]. Infrared Technology, 2012, 34(8): 448-452(in Chinese).

[5]TANG X, YAO L F. Design of optical filters for three primary colors [J]. Laser Technology, 2014,38(2):274-277(in Chinese).

[6]MAcLEOD H A.Thin-film optical filters[M]. London,UK: Institute of Physics Publishing, 2006: 37-42.

[7]WU S Y, LONG X W, HUANG Y,etal. Calculation model for spectral coefficient’s first and second order partial derivatives of multilayer optical coatings with respect to layer parameters[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22(1): 83-90(in Chinese).

[8]TANG J F, GU P F, LIU X,etal. Mordern optical thin film technology[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press，2006: 140-161(in Chinese).

[9]FURMAN Sh, TIKHONRAVOV A V. Basics of optics of multilayer systems[M]. Paris, France: Editions Frontieres, 1992: 70-74.

[10]WU S Y, LONG X W, YANG K Y. Accurate calculation and Matlab based fast realization of merit function’s Hesse matrix for the design of multilayer optical coating[J]. Optoelectronics Letters, 2009, 5(5): 359-363.

[11]WU S Y, LONG X W, YANG K Y,etal. Performance analysis of local optimization algorithm in reverse engineering of multilayer optical coatings[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(6): 0631001(in Chinese).

[12]YANG K Y, LONG X W, HUANG Y,etal. Design and fabrication of ultra-high precision thin-film polarizing beam splitter[J]. Optics Communications, 2011, 284(19): 4650-4653.

[13]WU S Y, LONG X W, HUANG Y,etal. Fast realization algorithms of sensitivity control concept in the active design of multilayer optical coatings [J]. High Power Laser and Particle Beams, 2011, 23(6): 1471-1478(in Chinese).

[14]KAISER N, STOLZ C J. Optical society of america’s 2007 topical meeting on optical interference coatings:overview[J].Applied Optics, 2008, 47(13): OIC1-OIC7.

[15]LAROUCHE S, MARTINU L. OpenFilters: open-source software for the design optimization, and synthesis of optical filters [J]. Applied Optics, 2008, 47(13): C219-C230.

[16]HUANG Y, WU S Y, YANG K Y. Active design of multilayer optical coatings based on sensitivity control [J]. Acta Optica Sinica,2011, 31(4): 0431002(in Chinese).

[17]WU S Y, LONG X W, YANG K Y. Application of thin film errors sensitivity control concept in robust design of multilayer optical coatings[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(10): 2391-2399(in Chinese).

[18]WU S Y, YANG K Y, TAN Zh Q. Robust design of a high-performance laser thin-film polarizing beam splitter with low layer errors sensitivity[J]. Acta Optica Sinica，2013，33(2): 0231004(in Chinese).

收稿日期：2014-04-14；收到修改稿日期：2014-06-12

作者簡介：張欣(1992-),男，大學本科生，從事He-Ne環形激光器輝光壓制方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61205157)