Интерферометр Фабри-Перо. Устройство интерференционных фильтров.

Светофильтрами называются устройства, меняющие спектральный состав или энергию падающей на них световой волны, не меняя (или почти не меняя) формы ее фронта. Основная характеристика светофильтра - пропускание Т = I/ , где I и - интенсивности прошедшего и падающего на него света.

· Фильтры называются серыми, или нейтральными, если их пропускание в исследуемом спектральном интервале не зависит от длины волны.

· Светофильтры, в которых пропускание в исследуемом спектральном интервале зависит от длины волны селективными. Селективные фильтры предназначаются либо для отделения широкой области спектра, либо для выделения узкой спектральной области.

· Светофильтры последнего типа называются узкополосными.

Для создания узкополосных светофильтров может быть использована многолучевая интерференция. Простейший интерференционный светофильтр представляет собой интерферометр Фабри - Перо с очень малым промежутком между зеркалами (от l/2 до нескольких длин волн).

Интерференционный светофильтр состоит из тонкого плоскопараллельного диэлектрического слоя с показателем преломления n, на обе поверхности которого нанесены отражающие слои с коэффициентом отражения R (рис.1). На выходе системы образуется бесконечная последовательность убывающих по амплитуде лучей с равной разностью хода между ними, которые интерферируют между собой.

Разность хода двух соседних интерферирующих лучей D определяется соотношением:

D =           (1)

где h - толщина диэлектрического слоя,q - угол падения света,q¢ - угол преломления, n - показатель преломления диэлектрика, n¢- показатель преломления окружающей среды(предполагается, что n¢=1)

В случае, если поглощение в интерферометре отсутствует, то его

пропускание описывается формулой Эйри:

   (2)

Максимумы интенсивности в проходящем свете будут расположены там, где D составляет целое число длин волн:

       (3)

При выполнении условия (3) система является прозрачной и может служить фильтром с максимумами пропускания при l = l0, l = l0/2, l = l0/3 и т.д., соответственно для m = 1, 2, 3,...

Фрагмент спектра пропускания интерференционного светофильтра при различных значениях коэффициента отражения R, приведен на рис.2, где l0=2nhcosq ’. Чем выше коэффициент отражения зеркал, тем селективнее фильтр, т.е. его пропускание быстрее падает с отступлением длины волны света от l0, l0/2, l0/3 и т.д. Фильтр, предназначенный для выделения первой, наиболее длинноволновой полосы пропускания, называется фильтром первого порядка (m = 1). Подбором h можно совместить один из максимумов с требуемым значением длины волны l0.

При этом возникает необходимость в подавлении коротковолновых максимумов пропускания с длинами волн l0/2, l0/3 и т.д. Обычно это легко осуществляется либо специальными абсорбционными фильтрами, либо поглощением материала подложки самого фильтра. Оставшийся максимум при достаточно высокой отражательной способности R зеркальных слоев может быть очень узок.

Фильтр второго порядка (m = 2), выделяющий длину волны l0/2, нуждается в подавлении одной полосы пропускания с длинноволновой стороны (l0) и коротковолновых полос (l0/3, l0/4 и т.д., рис.2). Можно создать фильтры и более высоких порядков.

Таким образом, комбинация интерферометра Фабри-Перо с очень маленькой оптической толщиной между отражающими поверхностями и фильтра, выделяющего широкую область спектра, обладает избирательной пропускающей способностью. Такая оптическая система называется интерференционным светофильтром.

Важными характеристиками светофильтра являются (рис.3):

- величина максимального пропускания Тmax;

 - длина волны максимума пропускания lmax;

- ширина полосы пропускания dl=l2 - l1, где l2 и l1 - длины волн, на которых пропускание уменьшается в два раза: Т =Тmax/2;

- фактор контраста, который дает отношение максимального и минимального пропусканий.

Ширина полосы пропускания интерференционного светофильтра намного меньше, чем у обычного абсорбционного фильтра (например, у цветного стекла), и может составлять до десятых долей нм при пропускании в максимуме в десятки процентов.