对于斜入射滤光片的分析

对于斜入射滤光片的分析

【摘要】窄带滤光片广泛应用于各种技术领域。而在入射光倾斜入射到窄带

滤光片时，由于偏振光的中心波长出现分离，会导致其偏振分离和偏振相关损耗

迅速增加，严重影响光通信系统的性能。在必有倾斜入射光通过滤光片的试验系

统中，研究和分析其偏振相关损耗在选择滤光片时具有很重要的意义。

【关键词】窄带滤光片；斜入射；偏振相关损耗

1.前言

光学薄膜中的窄带滤光片在光纤通信系统中的应用十分广泛，它具有通带

窄、插入损耗低、温度稳定性好等诸多优异的特性。窄带滤光片的作用是利用光

的干涉原理，通过调整干涉光的相位差，在频域上获得不同的光偏振分布，从而

得到所希望的以波长调整为目的滤光片。窄带滤光片一般都是用于正入射的，往

往直接固化在准直器上使用。但是随着科学技术的发展，人们需要一系列用于斜

入射的窄带滤光片。然而斜入射时窄带滤光片的偏振相关损耗增加，其峰值和带

宽会向短波方向移动，且光强分布出现展宽和扩束现象，严重影响光通信系统的

性能。本文分析了偏振分离现象出现的原因和其与滤光片等效折射率的关系，并

对高斯光束斜入射至窄带滤光片后的透射光强分布特性进行了理论分析。

2.窄带滤光片的结构及原理

多腔窄带滤光片是利用多光束干涉原理制成的一种从白光中过滤出波段范

围很窄的近单色光的多层膜系。它的基本结构由高、低折射率膜层交替叠加的反

射层和间隔层组成。对于高低折射率的膜层，每层膜的光学厚度都是中心波长的

1/4整数倍[1]。如图1所示。当光入射到高折射率层时，反射光没有相移；当入

射到低折射率层时，由于层厚1/4波长的奇数或偶数倍，反射光也相应经历180。

的奇数或偶数倍相移，因而经低折射率层反射的光经相移后与高折射率层的反射

光通向或反向地叠加，反映在光强上出现相长和相消的结果。这样在中心波长附

近，各层反射光经叠加相消，在滤光片前段面形成很强的透射光[2]。

3.倾斜光射入窄带滤光片对光波长的影响

窄带滤光片被广泛应用于各种技术领域。在某些系统中，必有倾斜入射光入

射通过滤光片。当入射角增大到一定程度时，滤光片的光学特性会产生两个显著

的变化。首先，其通带位置即峰值波长会向短波移动；其次，s偏振光和p偏振

光的特性产生分离，导致峰值和带宽发生改变。

3.1 中心波长移动的原因

光束正入射时，此时。设单层薄膜透射的中心波长为。则由有效相位厚度可

得出：

上两个图为正入射中心波长1550nm分别正入射，倾斜入射滤光片的透射率

曲线。可以清楚地看到倾斜入射后通带向短波方向移动。

3.2 间隔层的选择对波长的影响

对于具有相同结构间隔层的多腔窄带滤光片，间隔层选用不同折射率的材

料，在倾斜入射时其投射特性也有着不同的变化。在相同的入射角度下通带向短

波移动的距离不等。将整个膜系视为一个等效折射率为N的薄膜时，由Snell定

律可知有关系式成立，为入射介质（空气）的折射率，为入射角，为该薄膜的折

射角，将其与式（3）联立可得：

由式（6）和（7）经计算可以得出，在同样的级次下，高折射率材料间隔层

的等效折射率大于低折射率材料间隔层的有效折射率，那么在相同的入射角度

下，使用高折射率材料间隔层的膜系向短波方向的位移小。

4.倾斜光射入窄带滤光片对透射光强的影响

随着入射角度的增加，窄带滤光片的透射光斑除了会因滤光片基底的厚度产

生一定的光路位移外，透射光强分布也会发生一定的变化，这将影响到器件的性

能和接收装置的设计，所以有必要对窄带滤光片斜入射时的透射光强分布进行一

定的分析。

4.1 光强分布变化的原因

对于使用单一折射率材料作为间隔层的膜系，其两个偏振分量的中心波长会

随着角度的增加而出现分离现象。随着分离的增大，平均光的透射波形会出现衰

减，产生较大的偏振相关损耗。这是因为，正入射时P和S偏振分量的等效折

射率是相同的。但是随着入射角的增大，薄膜对S和P偏振光等效为不同的折

射率。对于高折射材料：；

对于低折射率材料：。所以高折射率材料作为间隔层时；低折射率材料作为

间隔层时。故若能在间隔层中同时使用高低折射率材料，就有可能调节其等效折

射率，使得倾斜入射时成立。此外，随着入射角度的增加，高低折射率材料膜的

等效折射率之比P分量小于S分量[6]。所以滤光片P偏振分量的带宽逐渐增加，

S偏振分量的带宽逐渐减小，平均光的带宽位于两个偏振分量的带宽之间。

4.2 角度与光强分布的关系

透射光束的强度振幅分布[7]为：

其中为透射光束中的场分布，。w（z）为光斑相对于束腰中心传输距离为z

后高斯光束等相位面上的光斑半径，R（z）为光斑相对于束腰中心传输了距离

为z后的高斯光束等相位曲率半径。其中，为倾斜入射的角度。

对于多腔窄带滤光片正入射时，此时，如图4所示，透射波长的光强能量集

中，不会出现任何位移和光斑变形的状况，多次透射的光束之间产生干涉效应，

形成高透射率的窄带波长。

当斜入射角度增大时，多次反射引起的透射光强分布将逐渐分离，同时引起

干涉效应逐步降低，透射光斑在滤光片旋转方向上出现展宽和扩束现象，同时透

射峰值也会出现一定程度的位移。如图5所示。当入射角度进一步加大时，透射

光强可能呈现多峰值的不规则形状，峰值强度逐渐减小，最后趋于一个常量。这

是由于透射光经过不同次数反射后，在空间上的分离随着斜入射角度的增加而明

显加大。当入射角度增大到一定程度时，这些透射光束在空间上已产生分离现象，

相互之间相干叠加作用已经很小。

对于间隔层结构不同的多腔窄带滤光片，各腔间的间隔层具有不同的等效折

射率，所以在倾斜入射时会因其各间隔层的等效折射率变化不均等而出现失谐现

象。在相同的入射角度下，各腔的透射曲线向短波移动的距离不等，导致透射特

性进一步恶化，峰值和带宽也发生变化。而对于多腔间隔层结构相同的窄带滤光

片，情况相对较好。

5.结论

所以在倾斜入射时，选择滤光片要基于以下因素考虑。首先要保证多腔间的

间隔层结构一致，其次同时使用高低折射率材料作为间隔层调节其等效折射率，

经过计算可以得到一定的搭配比例使得偏振分量的中心波长基本重合。

参考文献

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