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超窄带滤光片的应用以及原理

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随着人类航天活动的日益增多, 闪电给航天飞行器的发射和运行所带来的危害也日益显现出来, 因此 ,对闪电的探测非常必要 。由于闪电的信号具 有非常窄的光谱范围 ,所以闪电信号往往被淹没在 强大的背景辐射之中。要实现对闪电的有效探测, 必须在光学系统中使用超窄带滤光片 ,在获取闪电 特征峰位信号的同时滤去周围大量的背景辐射, 从 而提高闪电探测的信噪比。超窄带滤光片的应用以及原理

闪电的特征光谱如图 1所示 。主要由多个离 散的尖峰组成 ,其中峰值最强的一个特征峰中心波 长为 777. 4 nm ,因此 ,将闪电探测用超窄带滤光片的 中心波长设计为此波长, 滤光片的带宽则需要综合 考虑减少背景辐射对探测结果的影响以及获得足够 的闪电信号强度, 滤光片的带宽要求为 1 nm

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常规的超窄带滤光片结构设计一般采用类似于 Fabry- Perot 干涉仪的结构, 即在两个高反射膜系中 间夹一个间隔层( 腔) ,反射膜系由四分之一中心波 长的膜层组成 ,间隔层厚度为二分之一中心波长的 整数倍。这种最简单的单腔结构滤光片性能较差, 通带形状为三角形。为满足闪电探测使用要求, 超 窄带滤光片设计采用两腔或三腔结构 ,即利用耦合 层将多个单腔结构组合起来, 以得到接近矩形的通带。对于多腔结构, 滤光片的带宽主要决定于膜层 材料折射率、 膜系结构和周期数、 间隔层材料和结构 以及耦合层的材料和结构。在初步设计结果确定 后,通过调节间隔层和耦合层参数 ,可以对滤光片的 带宽进行微调以得到满足设计要求的结果。。

介质滤光片一个主要缺点是 ,随着入射角的变 化,中心波长将向短波方向发生漂移。图 5 所示为 一个双腔 Fabry-Perot 型滤光片的中心波长漂移与入 射角的关系 。可以看出, 采用高折射率材料作为间 隔层, 可以得到较小的中心波长漂移 , 因此, 在设计 时,应尽量采用高折射率材料作为间隔层,以得到尽 可能小的中心波长漂移。

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在斜入射的情况下, 超窄带滤光片的光谱特性 发生的另一个变化是 s 偏振光和 p 偏振光产生分 离。产生分离的原因主要有两个方面: 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 带宽度小于 p 偏振光 ; 另一方面 ,膜系在 s 偏振和 p 偏振情况下的等效折射率不同 ,使两个偏振分量的 峰值波长不再重合 。滤光片的带宽越窄, 这种分离 也越明显 。研究表明 ,在倾斜入射时,以高折射率材 料作为间隔层的滤光片, s偏振分量的中心波长比 p 偏振分量向短波方向的漂移量更大, 而以低折射率 材料作为间隔层的滤光片 ,则刚好相反 。因此 ,可以 预计, 如果间隔层同时由高、低折射率两种材料构 成,则可能使两种偏振分量的中心波长分离程度减 小。研究结果证明了这个假设 。


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