/ mN Nd sin si n
c) FPI không gian không khí
4.2.10 Bộ lọc Giao thoa
Bộ lọc giao thoa được sử dụng để truyền chọn lọc trong một phạm vi phổ hẹp. Bức xạ tới với bước sóng bên ngoài vùng truyền này được phản xạ hoặc hấp thụ. Một phân biệt giữa bộ lọc đường và các bộ lọc dải thông.
Hình 4.58. Lớp phủ chống phản xạ: (a) một lớp, (b) lớp phủ đa lớp
lớp phủ
chống phản xạ
không khí
Một bộ lọc đường cơ bản là một etalon Fabry-Perot với một quang trình nd rất nhỏ giữa hai bề mặt phản xạ. Sử dụng kỹ thuật hai lớp phủ phản xạ cao (hoặc lớp phủ bạc hoặc lớp phủ điện môi nhiều lớp) được phân cách bởi một lớp hấp thu nano với một chiết xạ thấp (Hình 4.60). Ví dụ, cho nd = 0,5μm cực đại hệ số truyền tỷ lệ theo chiều dọc thu được từ (4.62a) λ1 = 1μm, λ2 = 0,5μm, λ3 = 0,33μm, vv.. Trong vùng nhìn thấy bộ lọc này chỉ có một đỉnh truyền λ = 500 nm, với một nửa độ rộng phụ thuộc vào hệ số tinh tế
*
/ 1
F R R (Hình 4.38).
Các bộ lọc giao thoa được đặc trưng bởi các đại lượng sau đây: • Bước sóng λm tại đỉnh hệ số truyền;
• Cực đại hệ số truyền
• Các yếu tố tương phản, trong đó cung cấp cho tỷ lệ cực đại và cực tiểu của hệ số truyền; • Độ rộng tần Δν = ν1 – ν2 với T(ν1) = T(ν2) = Tmax/2.
Hệ số truyền cực đại theo (4.61) là 2 2
ax 1
m
T T R . Sử dụng bạc mỏng hoặc vỏ nhôm với
R = 0,8; T = 0,1; và A = 0,1, hệ số truyền của bộ lọc chỉ Tmax = 0,25 và các hệ số tinh tế F*
= 15. Đối với ví dụ của chúng ta, điều này có nghĩa là một nửa độ rộng 660cm-1 ở một vùng phổ 104cm-1. Tại λ = 500 nm tương ứng với một vùng phổ của 250 nm và nửa độ rộng một khoảng 16 nm. Đối với nhiều ứng dụng phổ trong laser, đỉnh hệ số truyền của các bộ lọc giao thoa với các lớp phủ kim loại hấp thụ thấp là không chấp nhận được. Người ta phải sử dụng lớp phủ hấp thụ nhiều lớp điện môi (Hình 4.60b) tự do với hệ số phản xạ cao, cho phép một hệ số tinh tế lớn và do đó độ rộng tần nhỏ hơn và một đỉnh một hệ số truyền lớn hơn (Hình 4.61).
Hình 4.60a, b. Bộ lọc giao thoa của loại Fabry-Perot: (a) với hai lớp đơn của bạc, (b)
với lớp phủ điện môi nhiều lớp lớp chia tách
nền thủy tinh
lớp
bạc
lớp hấp thụ
Ví dụ 4.16
Với R = 0,95, A = 0,01 và T = 0,04, theo (4.61), ta có được một đỉnh truyền 64%, tăng lên theo A = 0,005, T = 0,045 đến 81%. Độ tương phản trở thành ax min *2 2 / 1 1 4 / 1520 m T T I I F F
. Với độ dày nd = 5μm của lớp được chia tách, vùng phổ tự do là δν = 3.1013Hz = 25nm tại λ = 500 nm.
Một hệ số tinh tế cao hơn F* do hệ số phản xạ lớn hơn của những phim phản xạ không chỉ làm giảm độ rộng tần mà còn làm tăng yếu tố tương phản phản. Với R = 0,98 → F = 4R/(1-
R)2 = 9,8.103, có nghĩa là cường độ truyền cực tiểu là chỉ có khoảng 10-4 đỉnh truyền. Độ rộng tần có thể được giảm bằng cách sử dụng hai bộ lọc giao thoa trong dãy. Tuy nhiên, nó thích hợp hơn để xây dựng một bộ lọc kép bao gồm ba mặt phản xạ, cách nhau bởi hai lớp hấp thụ nano cùng độ dày quang học. Nếu độ dày của hai lớp này được tạo khác nhau một chút, kết quả dải thông một bộ lọc có một đường cong hệ số truyền nhưng dốc cho cả hai bên. Bộ lọc giao thoa thương mại hiện đang có sẵn với một đỉnh truyền ít nhất 90% và độ rộng tần ít hơn 2nm [4.49, 4.55]. Bộ lọc đặc biệt dải thông hẹp thậm chí còn đạt 0,3nm, tuy nhiên đỉnh hệ số truyền giảm.
Bước sóng λm của đỉnh hệ số truyền có thể có giá trị thấp hơn bằng bộ lọc giao thoa, làm tăng góc tới α, xem (4.62a). Tuy nhiên, phạm vi điều chỉnh hạn chế bởi vì hệ số phản xạ của lớp phủ nhiều lớp cũng phụ thuộc vào góc α và nói chung tối ưu hóa cho α = 0. Đối
Hình 4.61. Hệ số truyền
phổ của bộ lọc giao thoa.
Đường cong nét liền: bộ lọc đường. Đường congnét đứt: bộ lọc dải thông. Lưu ý thang logarit
bộ lọc
dải thông
bộ lọc đường
với ánh sáng tới khác nhau, độ rộng tần truyền tăng theo các góc khác nhau. Từ (4.62a), ta có được các bước sóng λ(α) của một bộ lọc nghiêng
Ví dụ 4.17
λ0 = 1500 nm, n = 1,5, 150o 0, 25rad λ(α) = 1389 nm Δλ =λ0 −λ(α) = 111nm Trong vùng tử ngoại, sự hấp thụ của hầu hết các vật liệu sử dụng cho các bộ lọc giao thoa lớn, phản xạ chọn lọc của bộ lọc giao thoa có thể được sử dụng để đạt được độ rộng tần hẹp với các mất mát thấp (Hình 4.62). Chi tiết xem [4.48-4.55].
Trong phổ huỳnh quang ở mức độ thấp hoặc quang phổ Raman, ánh sáng tán xạ của tia laser mạnh thường chồng lên đường huỳnh quang. Bộ lọc giao thoa đặc biệt có sẵn trong đó có một hệ số truyền cực tiểu hẹp ở bước sóng laser (bộ lọc chặn dòng) nhưng hệ số truyền cao trong vùng phổ khác.