基于薄膜干涉滤光片的线性调谐滤光器

　　1　引　言

　　薄膜干涉滤光片具有通带窄、插入损耗低、温度稳定性好等诸多优异的特性,已经得到了广泛应用[1,2]。应用之一是通过控制光束进入薄膜干涉滤光片的入射角,从而改变滤光片的峰值波长,由此实现可调谐滤波。依此原理设计的可调谐滤光器,由于结构简单、成本低,受到了人们的重视[3~5]。然而,在这种滤光器中,滤光片的峰值波长并不是随入射角而线性变化的,这样使调谐滤光器的峰值波长定位就比较复杂,需要结合实际测量,采用复杂的智能数字控制器来实现[6]。

　　针对上述问题,如果引入控制滤光片入射角的第三方变量,通过合理地设计机构,使得滤光片的峰值波长与该变量之间有良好的线性关系,将为滤光器的峰值波长定位带来很大的方便。本文提出的线性调谐滤光器就是基于这一思想。在具体设计中,利用步进电机控制滤光片的入射角,以步进电机的旋转角作为第三方线性控制变量。在对机构装置进行分析,确定出步进电机旋转角与滤光片入射角之间满足的依赖关系后,结合文献报道的三腔结构的薄膜干涉滤光片[7],通过传输矩阵方法,从理论上得出了滤光片峰值波长随步进电机旋转角变化的关系曲线。

　　2　系统设计

　　机构装置示意图如图1,它由步进电机、丝轴、滑块、杆和薄膜干涉滤光片等组成。步进电机带动与其相连的丝轴旋转,从而带动安装在丝轴上的滑块上、下移动,杆与滑块相连在一起,于是,杆绕旋转台O点旋转,从而使安装在旋转台上的薄膜干涉滤光片随着步进电机而旋转,实现了滤光片的入射角与步进电机的旋转角的转换。

　　图1中,光束沿水平方向入射,初始状态下,滤光片在位置C,它所在的平面与垂直方向的夹角为α,即光入射到滤光片上的初始入射角等于α。同时,初始状态下的滑块位于位置A,滑块与杆之间的夹角等于β。当滤光片从C旋转角度γ到达D时,滑块相应地从位置A移动距离X到达位置B,则滤光片旋转角γ与滑块移动距离X之间满足以下关系

　　其中h为丝轴的螺距。因此,通过机构装置实现了滤光片入射角θ0到步进电机旋转角σ的转换。

　　3　理论分析

　　文献[7]中滤光片的膜系结构为

　　其中H和L分别表示高低折射率层,G为基底,A为空气,其折射率分别为:nH=2·05,nL=1·458,nG=1·5,nA=1。设垂直入射时的峰值波长λ0=1563 nm,通过建立膜系的特征矩阵,利用成熟的方法[8],很容易得到峰值波长与入射角的对应关系曲线。具体结果由图2给出,其中三角和星号分别对应p偏振和s偏振状态,滤光片的入射角θ0变化范围为4·5°~17°。