闪电探测用超窄带通滤光片的研制

　　1　引　言

　　由于闪电每年都会造成很大的直接人员伤亡和经济损失,而且随着人类航天活动的日益增多,闪电给航天飞行器的发射和运行所带来的巨大危害也日益显现出来。因此,国际上对于闪电的探测已于20世纪60年代全面展开。最近的探测方案也从最初的高空照相转变为根据闪电特征信号进行探测的方法[1～4]。但是,由于背景辐射(包括太阳光)远大于闪电信号(>100∶1),闪电信号往往被淹没在强大的背景辐射之中,很难实现对闪电的探测。为了实现这一目标,首先需要在光学系统的适当位置使用超窄带通滤光片,在获取闪电特征峰位信号的同时滤去周围大量的背景辐射,从而提高闪电探测的信噪比。因此,超窄带通滤光片是闪电探测中必不可少的一部分。

　　常规的超窄带通滤光片设计多采用类似于F-P(Fabry-Perot)干涉仪的结构,即在两个(λ/4膜系构造的高反射层间夹一间隔层的设计[5]。这种设计可以给出带宽非常窄的滤光片,但它对膜系中厚度的涨落非常敏感。只要膜厚出现微小的涨落,就会使滤光片的性能明显退化,因而对膜厚的控制精度要求很高[6]。现在光通信DWDM系统[7,8]的控制精度很高,可以满足这种滤光片的镀制需求。虽然以上方式可以获得带通很窄的超窄带通滤光片,但其高反区域的宽度有限,尤其是DWDM高反区域的宽度非常窄,只能满足一些特殊应用需求。而对于闪电探测这种需要有尽可能宽的高反区域来抑制强大背景辐射的情况,则显得无能为力。

　　为此,现将光子晶体中Anderson局域模的概念引入到滤光片的设计中来,提出采用非规整膜系替代常规的两个λ/4膜系以及间隔层的设计来构造超窄带通滤光片,即膜系中膜厚相对于λ/4膜系等规整的周期膜系有一个随机的涨落[9]。这种膜系同样可以给出带宽非常窄的滤光片,而且高反区域大大加宽,同时降低了滤光片对膜厚涨落的敏感度,降低了对膜厚控制精度的要求。

　　2　超窄带通滤光片的设计[10]

　　2.1　超窄带通滤光片的设计

　　闪电的特征光谱如图1所示,其分布很不均匀,主要由几个辐射峰组成,其中最强、最锐的一个特征峰位于777.4nm处。因此,把超窄带通滤光片的带通峰位设计在此处,现具体以二氧化硅(SiO2,n=1.44,k=1×10-5)和五氧化二钽(Ta2O5,n=2.16,k=1×10-6)这两种吸收小的材料来设计。根据已知材料的折射率,定出各层介质材料λ/4处的物理厚度di=777.4/(4ni),其中ni为第i层介质的折射率。然后对di进行随机变化,由此获得各层介质厚度的初始值。再结合预先设置的超窄带通滤光片的目标透射谱曲线,经过随机探索式的优化后,就可以获得符合设计要求的超窄带通滤光片,总层数为41层,其透射谱如图2所示。777.4nm处的透过率高于97%,半峰宽(full width at half maximum,简称FWHM)为0.7nm,相对半峰宽δλ/λ为9×10-4。除此峰之外,整个透射谱在670nm～915nm之间的透过率都低于1%,到950nm时的透过率也不超过1.2%。因此,高反区域为670nm～915nm,其宽度达245nm,覆盖波段宽度Δλ/λ为0.32。