边缘滤光片
边缘滤光片用两种材料构建一个在斜入射角下使用的短波通或长波通滤光片,使 s 偏振光与 p 偏振光的边缘位于同一波长。你给出边缘波长、入射角和材料;窗口找出能做到这一点的周期,预览完成的滤光片,并把它放入设计。
在 45° 下使用的四分之一波堆栈会分裂:它的 s 边缘与 p 边缘彼此分开,对非偏振光而言,边缘的陡度不会超过这一分裂。改变 (0.5H L 0.5H) 周期中两层的厚度都无法消除它。五层周期可以:
aA bB cA bB aA其中 A 与 B 是两种材料,a、b、c 是边缘波长处的四分之一波倍数。对某些 a 值,存在使 s 与 p 边缘在所选角度下重合的 b 与 c 值。窗口在一个 a 范围内搜索,并列出找到的周期。
边缘是该周期无限重复所成堆栈的截止带的边缘。对称周期的作用如同单层,当其特征矩阵的对角元 N11 落在 −1 到 1 之外时,光无法穿过许多个这样的周期;截止带在 N11 = ±1 处结束。这只是周期本身的性质。周期数、基底以及之后添加的任何匹配层都不会移动它。
完成的滤光片的边缘,即其透射率穿过 50 % 之处,紧靠截止带边缘,并随周期增加而向它靠拢。堆栈的 p 边缘比 s 边缘略缓,因此在周期较少且没有匹配层时,即使两个截止带从同一波长开始,两个 50 % 点也会相隔零点几纳米到几纳米。预览显示的是完成的滤光片,因此两者你都能看到。
短波通 / 长波通:边缘的哪一侧透射。对短波通,截止带位于边缘波长之上。
边缘 λ:两个截止带开始的波长。周期以此波长处的四分之一波写出。
入射角:在入射介质中使 s 与 p 重合的角度,从 0° 到 90°(不含)。在 0° 时 s 与 p 是同一列波,因此任何周期的边缘都重合;窗口此时给出普通的四分之一波周期,并缩放到使其截止带从边缘开始,两种排列都列出。短波通先列 (0.5L H 0.5L),长波通先列 (0.5H L 0.5H),这是在空气与玻璃之间匹配更好的排列。此时不使用 a 的范围。
周期数:滤光片包含的周期个数。它不改变搜索,只改变预览和应用的滤光片。
入射介质与基底:滤光片两侧的介质。搜索使用入射介质;基底用于预览并写入设计。
材料 A 与材料 B:两种材料。窗口首次打开时取设计正面镀膜中折射率最低与最高的材料;若不足两种,则取 SiO2 与 TiO2。
窗口在每次打开之间记住通带类型、角度、周期数、两种材料以及 a 的范围,首次打开时为 0° 与 10 个周期。边缘波长与介质始终取自设计。设计中找不到的已记住材料会被设计自身的那一对材料取代。
a 起、a 止、a 步长:外层的搜索范围。起点不小于 0,终点大于起点且不超过 2,步长不小于 0.0001。a 增加略大于 2 的量,相当于在每个外层中加入该角度下的半个波长,会再次得到相同的 b 与 c,所以范围止于 2。默认的 0.1 到 1、步长 0.05 不到一秒即可完成;0 到 2、步长 0.0001 需要几分钟。
对每个 a 值,窗口找出使 s 与 p 截止带边缘在边缘波长处重合的 b 值,并对每个 b 找出把边缘放到那里的 c。它把周期正反两种排列都试一遍:A 在外与 B 在外,并只保留 s 与 p 截止带都位于滤光片所截止一侧的周期。
搜索取每种材料在边缘波长处的折射率,并把膜层视为无损耗。当某材料在该处有吸收时,窗口会说明;搜索只用其 n,预览则使用完整的 n 与 k。离开边缘波长后,真实材料的折射率会变化,预览会显示这一点,而表中的截止带宽度不会。
窗口打开时即开始搜索。更改搜索所用的设置后,请再次按搜索。搜索在后台运行,按停止可结束它。
找到的每个周期占一行:外层材料、a、b、c、从边缘起的 s 截止带与 p 截止带宽度,以及从边缘到任一偏振的下一个截止带的通带宽度。所有宽度以纳米为单位,按边缘波长处的折射率计算;∞ 表示后面没有截止带。
最佳周期列在第一行并被选中。非偏振光只在两个截止带都覆盖的地方被截止,所以 s 与 p 截止带中较窄的那个就是滤光片的截止带,各周期按这一宽度从宽到窄排列。宽度相同时,通带较宽者在前。点击另一行即可预览并应用该周期。
表格下方的图显示完成的滤光片在入射角下 s、p 及其平均的透射率,并标出边缘波长。表格与图共用空间;拖动两者之间的分隔条可给任一方更多空间。
公式框以膜系公式记法给出所选周期,其中 H 是边缘波长处折射率较高的材料,L 是另一种。对内置的 SiO2 与 TiO2,边缘在 510 nm、在空气中以 45° 入射、19 个周期时,它是 (0.4H 0.593622L 0.294978H 0.593622L 0.4H)^19。选中即可复制,或按在膜系公式中打开,在那里继续工作,公式、材料、介质和边缘波长都已填好,例如在其两侧添加匹配层。
底部按钮的作用与膜系公式中相同。替换用滤光片取代所选面的镀膜,追加把它加在已有镀膜之外,新建设计用它创建一个新设计。替换还会把设计的参考波长设为边缘波长、把基底设为此处所选,入射介质则成为正面镀膜的入射介质或背面镀膜的出射介质。两个周期相接处,它们的外层是同一种材料,在设计中合为一层,厚度为两者之和。
搜索不考虑通带中的波纹,波纹取决于周期的等效导纳与介质的匹配程度。要使其平滑,可用精炼优化滤光片,只放开两端的几层,其余全部锁定。
- H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 5th ed., §7.2.2(对称周期), §9.5.1, Eq. 9.21(中等入射角下的边缘滤光片)。
- A. Thelen, “Nonpolarizing edge filters,” J. Opt. Soc. Am. 71, 309-314 (1981).