基于旋光色散效应的石英晶体旋光光学滤波器

摘要

旋光光学滤波器是一种重要的光学调谐元件，它是由n个旋光角的比值为1：2：4：8：……：2n-1的旋光器依次放置在n＋1个方位角成比例的偏振片之间构成，只需通过改变滤波器中每级出射偏振片的方位角就可以对出射光进行调谐。这种滤波器具有制作方便，价格低廉，透射率高且没有使用波段限制等优点。本文在对国外有关旋光光学滤波器的研究状况进行充分调研之后，利用具有旋光色散特性的石英晶体作为滤波器中的旋光器，对石英晶体旋光光学滤波器进行了研究。分析了这种新型石英晶体旋光光学滤波器的滤波原理；从石英晶体旋光光学滤波器的透射比公式入手，推导出用于描述石英晶体旋光光学滤波器滤波效果的各个特征参量的计算公式；从理论和实验上研究了影响单级和多级石英晶体旋光光学滤波器滤波效果的各个因素，为制备性能优良的新型石英晶体旋光光学滤波器进行了探索性的研究。 全文主要包括以下几个部分。 第一章序论部分。对光学滤波片的发展以及旋光光学滤波器的研究现状进行了概述，并对本论文的工作进行了说明。 第二章各种滤光片的基本理论部分。对用于描述滤光片滤波性能的特征参量和滤光片的分类进行了简单介绍，并详细介绍了几种典型滤光片的滤波原理。 论文的第三章和第四章是本文的核心部分，也是本论文的创新点。 第三章对石英晶体旋光光学滤波器的滤波原理进行了详细的研究。在本章中我们首先分析了石英晶体的旋光色散效应；推导出单级和多级石英晶体的透射比公式，做出透射曲线。通过透射曲线我们可以看出：多级石英晶体旋光光学滤波器的透射主峰波长和自由光谱范围由最薄石英晶体决定，通带半宽度由最厚石英晶体决定。然后从单级和多级石英晶体旋光光学滤波器的透射比公式入手推导出了用于描述滤波器滤波性能的各个特征参量(透射主峰波长、自由光谱范围、通带半宽度)的计算公式，通过公式可以看出，特征参量的值与滤波器的级数和滤波器中最薄石英的厚度存在直接的联系。因此对于确定的滤波器设计(已知n、d1)我们可以计算出各个特征参量的值，进而描述滤波器的滤波效果。而对于一定的滤波要求(透射主峰波长、自由光谱范围、通带半高宽)也可以设计出相应的滤波器。最后针对倍频技术中存在的问题，设计了一种用于倍频激光的晶体旋光光学滤波器；分析了其滤波原理，并对石英晶体的厚度误差对滤波器滤波性能的影响进行了讨论，证明石英晶体的厚度误差对滤波效果的影响不大，是一种用于倍频激光的理想滤波器。 第四章是石英晶体旋光光学滤波器性能测试。在本章中我们首先对石英晶体、偏光镜和光学胶合剂的透射光谱进行了测量。然后按照石英晶体旋光光学滤波器的设计原理，加工制作了不同厚度和厚度比的单级和多级石英晶体旋光光学滤波器，测量其透射曲线。通过将实验透射曲线和理论曲线以及计算公式的计算结果进行比较，证明了我们对滤波器性能的理论分析及公式的正确性。在实验的过程中我们还发现滤波器中石英晶体的厚度比是一个影响滤波器滤波效果的重要因素。最后针对1064nm和1181nm光的腔外二倍频设计制作了用于倍频激光的石英晶体旋光滤波器，并对其滤波效果进行了测量，结果证明滤波后，出射光中已显示不出基频光的存在，保证了倍频激光的单色性。 此外，我们还介绍了实验中所用仪器——岛津UV-3101PC分光光度计的基本结构和工作原理，并且设计了一种用于测量石英晶体光轴方向厚度的光谱测量方法。这种方法大大提高了测量精度，进而保证了滤波器的滤波效果且不会对晶体表面造成损伤。通过误差分析得出了提高测量精度的方法，为测试结果的可靠性提供了保证。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第二章滤光片的基本理论

§2.1滤光片的一般理论及其分类

§2.1.1性能参量

§2.1.2滤光片的分类

§2.2选择吸收滤光片

§2.2.1有关吸收的定律

§2.3色散滤光片

§2.3.1 Christiansen滤光片

§2.3.2 Brumberg和Hammer滤光片

§2.4多光束干涉(薄膜)滤光片

§2.4.1多光束干涉原理

§2.4.2法布里—珀罗干涉滤波片

§2.5双折射滤光片

§2.5.1双折射滤光片原理

§2.5.2可调谐式双折射滤光片

§2.5.3低损耗双折射滤光片

第三章石英晶体旋光光学滤波器理论分析

§3.1石英晶体的旋光色散效应

§3.1.1晶体的旋光效应

§3.1.2石英晶体的旋光性色散

§3.2单级石英晶体旋光光学滤波器原理分析

§3.3多级石英晶体旋光光学滤波器原理分析

§3.4石英晶体旋光光学滤波器的滤波特性

§3.4.1透射主峰波长λK和自由光谱范围△λFSR,K

§3.4.2通带半宽度△λHW,K

§3.4.3设计实例

§3.5用于倍频激光的晶体旋光光学滤波器

§3.5.1原理分析

§3.5.2用于三倍频滤波的旋光滤波器

§3.5.3石英晶体厚度误差对滤光性能影响

第四章石英晶体旋光光学滤波器性能测试

§4.1测试系统

§4.2石英晶体旋光器的加工制作

§4.2.1石英晶体厚度测量

§4.2.2测量原理

§4.2.3测试方法与误差分析

§4.3石英晶体、偏光镜及光学胶合剂的透射光谱测量

§4.4石英晶体旋光光学滤波器的组装与测试

§4.4.1单级石英晶体旋光光学滤波器的透射光谱测量

§4.4.2多级石英晶体旋光光学滤波器的透射光谱测量

§4.5用于倍频激光的石英晶体旋光光学滤波器性能测试

全文总结

参考文献：

在校期间发表的学术论文

致 谢