导纳轨迹图解方法在诱导透射滤光片设计中的应用

　　1　引　言

　　滤光片作为一种分光器件,在光谱分析、激光技术、化学工业、航天以及各类军工产品系统中均有广泛的应用。全介质干涉滤光片具有高的峰值透射率与窄的半宽度,但却存在难以消除的旁通带等缺陷。金属和介质组合的诱导透射滤光片,具有高峰值透射率和特宽长波截止区等优点。因此这类滤光片常应用于信噪比高、通带宽度不太窄、且有宽阔的长波截止区等要求的光学系统;同时还可作为抑制全介质窄带滤光片长波旁通带的截止滤光片使用。

　　诱导透射滤光片的设计,目的在于诱导出金属的最佳势透射率,从而得到整个膜系的最大透射率。其中金属层厚度的选择是很重要的一步。

　　许多文献和资料给出了设计诱导透射滤光片的一种方法[1-2],但没有给出确定金属层厚度的方法。文献[3]采用对一定金属厚度进行逐层扫描找寻的办法,但明显效率不高,且缺乏理论依据。现利用导纳轨迹图解方法来确定金属膜层的最佳厚度,设计出的滤光片具有较高的峰值透射率,方法直观易懂。

　　2　诱导透射滤光片原理

　　1957年,伯宁(Bering)和特纳(Turner)首先提出了势透射率的概念,为吸收膜系的设计提供了一种新方法。在金属表面迭加一介质匹配膜,使其组合后的导纳为实数,然后在此基础上迭加一多层减反膜来消除这个等效导纳的反射,从而便可诱发出金属膜的最大可能的透射率,这就是诱导透射的概念。金属膜两侧的介质膜系不但增进了中心波长处的透射率,而且由于每个膜系包含了相当多的层数,因此相应也增加了有限波段内的透射率;但在这个很窄的波段以外,滤光片的特性接近于它自身金属膜的性质,由透射转为高反射。所以诱导透射滤光片透射光谱具有带通形状,且在长波处没有旁通带。

　　3　导纳轨迹图解技术

　　从基底开始,通过每一层膜直到多层膜的前表面,把平行于基片的任意平面处的光学导纳画于一复平面图上,这就是导纳轨迹图。

　　导纳轨迹图解技术,是一种可以直观分析光学薄膜特性、设计光学多层膜的初始结构的有效方法,在光学薄膜的设计和膜厚监控误差分析中都得到了广泛的应用。多层膜的光学导纳轨迹图,是一系列首尾相连,沿顺时针方向追迹而成的圆或圆弧,每一圆弧相应于一不同的膜层。利用导纳轨迹图,可以直观地看到至每层膜时,膜系的导纳变化趋势,并给出一定的规律。

　　4　导纳轨迹图解方法在诱导透射滤光片设计中的应用原理

　　在金属层上迭加一介质匹配层mL,使匹配层与金属层的组合导纳为实数u。对于金属层,其导纳为n-ik,且常有k n。考虑这一因素,由特征矩阵法易得: