滤光片
一、定义
通过所需波长的光波，过滤掉不需要波长光波的一种光学器件。
用来选取所需辐射波段的光学器件。
滤光片的一个共性，就是没有任何滤光片能让天体的成像变得更明亮，因为所有的滤光片都会吸收某些波长，从而使物体变得更暗。
二、原理
滤光片是在塑料或玻璃基材中加入特种染料或在其表面蒸镀光学膜制成,用以衰减（吸收）光波中的某些光波段或以精确选择小范围波段光波通过，而反射（或吸收）掉其他不希望通过的波段。
通过改变滤光片的结构和膜层的光学参数，可以获得各种光谱特性，使滤光片可以控制、调整和改变光波的透射、反射、偏振或相位状态。
三、透射率
透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。
被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片等。
若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。
为了表示透明体透过光的程度，通常用入射光通量与透过后的光通量之比z来表征物体的透光性质，z被称为光的透射率。
四、光学薄膜
1、光学薄膜干涉原理
光是一种电磁波。
可以设想光源中的分子或原子被某种原因激励而振动, 这种振动导致分子或原子中的电磁场发生电磁振动。
可以证明, 电场强度与磁场强度两者有
单一的对应关系，同时在大多光学现象中电场强度起主导作用，
所以我们通常将电场振动称为光振动，这种振动沿空间方向传播
出去就形成了电磁波。
电磁波的波长λ、频率f、传播速度v三者之间的关系为：
v=λ f
各种频率的电磁波在真空中的速度都是一样的，即3 ×1 08m
/s ，常用C 表示。
但是在不同介质中，传播速率是不一样的。
假设某种频率的电磁波在某一介质中的传播速度为v，则C 与v
的比值称为这种介质对这种频率电磁波的折射率。
频率不同的电磁波，它们的波长也不同。
波长在400到760 nm 这样一段电磁波能引起人们的视觉，称为可见光。
普通光源如太阳、白炽灯等内部大量振动中的分子或原子彼此独立，各自有自己的振动方向、振幅及发光的起始时间。
每个原子每一次振动所发出的光波只有短短的一列，持续时间约为10- 8秒。
我们通常观察到的光都是光源内大量分子或原子振动辐射出来的结果，而观察不到其作为一种波动在传播过程中所能表现出来的特征——干涉、衍射和偏振等现象。
这是因为实现光的干涉是需要条件的，即只有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的两列光波才是相干光波，
这样的两列波辐射到同一点上，彼此叠加，产生稳定的干涉抵
消(产生暗影)或者干涉加强( 产生比两束光能简单相加更强的
光斑) 图像，才是我们观察到的光的干涉现象。
光学薄膜可以
满足光干涉的这些条件。
如图1所示，它表示一层镀在基底( n2)
上的折射率为n1厚度为d1的薄膜，假定n1 < n2，n0为入射
介质的折射率。
入射光束I 中某一频率的波列W 在薄膜的界
面1 上反射形成反射光波W 1，透过界面的光波穿过薄膜在界
面2 上反射后再次穿过薄膜，透过界面1 在反射空间形成反
射波W 2。
W 1和W 2是从同一波段中分离出来的，所以频率相同，振动方向相同，所不同的是W 2比W 1 多走了往返两次薄膜厚度的路径，从而造成了它们的相位差。
入射光I 中相同频率的其他波列同样也有着相同的相位差。
对于入射光中其它频率的光也有着类似的讨论。
所以在薄膜的界面1 与界面2 上形成的两束反射光I1 与I2 是相干光，在它们相遇区域中会产生光的干涉现象。
如果我们忽略光在薄膜内的多次反射，只考虑这两束光的干涉，那么W 1 和W 2所经过的路径之差是薄膜厚度( d1) 的两位。
当薄膜的折射率n1 与厚度d1 的乘积( n1d1 称为光学厚度) 是某一参考光波波长的四分之一时，两束光的光程差是二分之一波长(2 n1d1= 2 ×λ/4 = λ/2 )，即相位差为π( 2σ1= 2×( 2π/λ)n1d1= π) 。
我们将这时的两束反射光波示意地画在图2 中，可以观察到此时的干涉是相消干涉。
如果我们选择薄膜的折射率等于基底折射率的平方根，即n1= n21/2，那么两束反射光的振幅相等，两束光完全相消。
由于反射光的强度是反射振幅的平方，所以合成的反射光强度为零，也就是完全消除了表面的反射光。
对于不是参考波长的其他波长，两束反射光的光程差不再是二分之一波长，所以就不会观察到这种完全相消的效果，会有不同程度的剩余反射。
由于这种薄膜具有减少光学表面反射率的作用，所以我们常称之为减反射膜。
将多种不同折射率、不同厚度的薄膜组合在一起，就形成一个比上面单层膜更为复杂的分层结构的多层膜系，膜系的合理组合会使光在其上面反射、透射、偏振等特征发生变化。
通过现代计算机技术可以方便地计算各种光学薄膜的各种性能，或者根据人们的需求设计出满足要求的膜系来。
现代复杂光学薄膜的膜系结构可能多达几百层。
2、光学的薄膜的种类
光学薄膜是由膜的分层介质构成通过界面传播光束的一类光学介质材料，现已广泛应用于光学和光电子技术领域制造各种光学仪器。
目前常用的光学薄膜有：高反射膜；减反射膜；滤光膜；滤色膜；增透膜；聚光膜；扩散膜；偏光膜等等。
(一) 传统光学薄膜
传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。
光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线等，当光波投射到物体上时，有一部分在它表面上被反射，其余部分经折射进入到该物体中，其中有一部分被吸收变为热能，剩下的部分透射。
传统光学薄膜有反射膜、增透膜、滤光膜、纳米光学薄膜、偏振膜、分光膜和位相膜等。
1）反射膜
反射膜又叫增反膜，当两列波的相位差正好是波长的整数倍时，两列波是相互加强的，所以，薄膜起到增反的效果，这就要求薄膜的厚度正好是所需要增反的光线的半个波长整数倍。
常用镀多层薄膜的方法来增加反射效果以弥补单层膜发射效果不佳的缺点。
当采用多层膜时，薄膜的厚度也要做相应的调整。
许多光学系统需要增反膜，甚至要求反射率高达99.9%。
反射膜的用处是多方面的，激光器中反射镜的表面都镀有增反膜，以提高其反射率；宇航员的头盔和面甲，其表面上镀一层增反膜，以削弱红外线对人体的透射。
2）增透膜
增透膜又叫减反膜，在各种光学器件、平板显示器、热反射镜、太阳能电池等领域应用非常广泛，在现代光学薄膜生产中占有十分重要的地位，其生产总量超过所有其他光学薄膜。
当两列波的相位差正好是半个波长的奇数倍时，两列波是相互削弱的。
所以薄膜起到增透的效果，这就要求薄膜的厚度正好是所需要增反的光线的1/4波长的奇数倍。
减反膜在现代光学薄膜生产中占有十分重要的地位，其生产总量超过所有其他光学薄膜。
减反膜的研究依赖于其制备工艺，高质量的减反膜有利于其物理的研究和应用的发展。
3）纳米光学薄膜
纳米光学薄膜是解决电磁污染和雷达隐身的关键因素之一，能提高电子系统的电磁兼容性和隐身装备的突防能力。
目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合吸波材料。
它是将薄膜的厚度做到纳米级得到的，具有一般光学薄膜所没有的特性。
通过改变制备原料和制备工艺,更多有着更好性能的纳米光学薄膜将被制备出来并用于实际应用中。
（二）新型光学薄膜
现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光电器件，光通信器件上也得到广泛的应用。
近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高，从而发展了一系列新型光学薄膜及其制备技术，并为解决光学薄膜产业化面临的问题提供了全面的解决方案，包括高强度激光器、金刚石及 类金刚石膜、软X 射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜等。
1）高强度激光器
上世纪80年代中后期，由于高效率、紧凑、长寿命、稳定和全固态的半导体二极管激光器的出现和发展，促使固体激光器进一步发展。
该激光器在科学研究、工业、医学和军事上有着广泛的应用前景。
因它使用了目前在激光中应用的各
类薄膜，也就推动了薄膜技术的发展。
随着激光技术的发展，光学薄膜的性能会越来越高，种类会越来越多，结构也将越来越新颖。
2）金刚石及类金刚石膜
金刚石膜或类金刚石膜是采用等离子体沉淀技术或离子束工艺制备的一种碳膜，这种碳膜电阻率可达到1210π cm ,折光率可达到1.9 2.0,在2 20m μ间没有严重的吸收带,莫氏硬度可达8级。
DLC (类金刚石)薄膜作为性能优良的红外光学材料,不仅可以用作超硬减反膜,而且可以用作各种镀膜元件高性能保护膜，它增强了镀膜元件的抗环境能力，因此 大大拓宽了镀膜元件的应用范围，在解决一些技术问题之后，便可制作出能满足各种红外光学仪器对不同环境要求的光学镀膜元件。
3）软X 射线多层膜
X 射线分为软X 射线和硬X 射线，软X 射线能量低、波长长，对人体危害大且不感光。
而硬X 射线能量大、波长短，对人体危害小、起感光作用。
当实现了X 射线激光的输出,使得X 射线激光光源的稳定性具有可能性,人们开始关注软X 射线激光的应用前景,这时软X 射线多层膜比以往任何时候都显得更为关键。
4）光通信用光学薄膜
在信息技术发展的过程中，推动了光电子技术在各个方面的发展，如光纤制造技术、半导体激光器、光纤放大器、光无源器件。
薄膜光学技术在目前光通信中起着重要的作用，在改进器件功能，改进光路的耦合效率，功能薄膜器件，如干 涉滤光片型WDM (波分复用)器件在某些系统中起关键性的作用。
随着光通技术的发展，使得目前光学薄膜正在跳出传统的范畴，开阔了光学薄膜技术发展的前景。
光学薄膜技术也渗透到许多光通信的无源器件中，可以预见，由于它的独特优势，光学薄膜器件将在光通信中占有更为重要的地位。
五、波长 目前能从紫外光到红外光任意波长﹑λ为 1～500埃的各种干涉滤光片。
金属－介质膜滤光片的峰值透射率不如全介质膜高，但后者的次峰和旁带问题较严重。
薄膜干涉滤光片中还有一种圆形或长条形可变干涉滤光片，适宜于空间天文测量。
此外，还有一种双色滤光片，它与入射光束成45°角放置，能以高而均匀的反射和透射率将光束分解为方向互相垂直的两种不同颜色的光，适合于多通道多色测光。
干涉滤光片一般要求垂直入射，当入射角增大时，向短波方向移动。
这个特点在一定范围内可用来调准中心波长。
由于、λ和峰值透过率均随温度和时间而显著变化﹐使用窄带滤光片时必须十分小心。
由于大尺寸的均匀膜层难于获得﹐干涉滤光片的直径一般都小于50毫米。
有人曾用拼合方法获得大到38厘米见方的干涉滤光片﹐装在英国口径 1.2米施密特望远镜上﹐用于拍摄大面积星云的单色像。
六、种类
滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。
光谱波段：紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片；
光谱特性：带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片；
膜层材料：软膜滤光片、硬膜滤光片；
硬膜滤光片不仅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光损伤阈值,所以它广泛应用于激光系统
当中，面软膜滤光片则主要用于生化分析仪当中。
带通型：选定波段的光通过，通带以外的光截止。
短波通型(又叫低波通)：短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。
比如红外截止滤光片，IBG-650。
长波通型(又叫高波通)：长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止比如红外透过滤光片，IPG-800.。
