入射角

在光学和物理学中，入射角 (AOI) 是入射波（如光线）与撞击点表面垂直线（法线）之间的夹角。

入射角是光学元件设计和应用中的一个关键参数，特别是薄膜干涉滤光片，因为它们的性能特征（如中心波长和透射效率）直接取决于这个角度。

关键概念

• 法线：在光线照射点的物体或光学元件表面，完全垂直 (90°) 的假想线。
• 0° 入射角（正入射）：入射光线沿法线传播，正面撞击表面的情况。这是大多数标准光学滤光片的标准设计条件。
• 非正入射：光线以非 0° 角撞击表面的任何情况。例如，旨在以 90° 角反射光的二向色镜通常相对于入射光束以 45° 入射角定向。

对光学滤光片的影响（“蓝移”）

对于薄膜干涉滤光片（例如带通、二向色、长通滤光片），改变入射角对光谱性能有显著影响。随着入射角从 0° 增加，滤光片的光谱响应会向更短的波长移动。这种现象通常被称为“蓝移”。

这种偏移的发生是因为倾斜滤光片会改变光通过其内部层的光程，从而改变决定哪些波长被透射或阻挡的建设性干涉和破坏性干涉模式。

• 偏移量：角度的微小变化（例如，高达 15°）会导致轻微偏移。大角度（例如，45°）会导致显著偏移，可能使滤光片的通带完全偏离目标波长。
• 偏振分裂：在较大角度（通常 >10°）下，s 偏振光和 p 偏振光的光谱特性开始出现差异。这可能导致带宽增宽、峰值透射率降低以及两种偏振态的不同截止/截止点。

在 0° 入射角（实心蓝线）下，滤光片完美透射 532 nm 光。当倾斜至 45° 入射角（虚线红线）时，中心波长下移至约 498 nm。因此，滤光片现在将阻挡其最初设计用于透射的 532 nm 光。

计算光谱偏移

对于准直光，倾斜滤光片导致的中心波长 (λ_c) 偏移可以通过以下公式近似计算：

λ_θ = λ_0 * √ [ 1 - (n_0 / n_eff)² * sin²(θ) ]

其中：

• λ_θ (Lambda theta)：在入射角 θ 下的新中心波长。
• λ_0 (Lambda 0)：在 0° 入射角（正入射）下的原始中心波长。
• θ (Theta)：入射角，单位为度。
• n_0：外部介质的折射率（对于空气或真空通常 ≈ 1.0）。
• n_eff：滤光片的有效折射率。这是滤光片涂层设计的属性，通常由制造商提供（典型值范围为 1.45 至 2.35）。

示例

1. 概念类比：弹跳的球

想象一下把球扔到平坦的墙上。

• 0° 入射角：如果将球垂直地扔向墙壁，它将沿同一路径直线弹回。
• 45° 入射角：如果以一定角度扔球，它会撞击墙壁并以相同的角度反向弹开。您的投掷与墙壁垂直线之间的角度就是入射角。

2. 技术示例：激光线滤光片的偏移

考虑一个设计用于正入射（0° 入射角）的标准532 nm 带通滤光片。如果将此滤光片以45° 角放置在光学设置中，其性能将发生变化。

参数：

• 原始波长 (λ_0) = 532 nm
• 角度 (θ) = 45°
• 有效折射率 (n_eff) = 2.0
• 空气折射率 (n_0) = 1.0

分步计算：

1. 计算正弦平方：45° 的正弦约为 0.707。将其平方得到 0.5。
2. 计算折射率比：(1.0 / 2.0) 的平方为 0.25。
3. 合并项：1 - (0.25 * 0.5) = 0.875。
4. 取平方根：0.875 的平方根约为 0.9354。
5. 最终结果：532 nm * 0.9354 = 497.6 nm
6. 结论：在 45° 入射角下，滤光片的中心波长从 532 nm 偏移到约 497.6 nm。因此，滤光片可能会阻挡其最初设计用于透射的 532 nm 激光。