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文档简介
光学薄膜技术
Optical
ThinFilms
Technology
第二章光学薄膜典型膜系设计Optical
ThinFilms
2光学薄膜典型膜系设计二.高反射膜HighReflectiveCoatings(HR)三.中性分束膜BeamSplitterCoatings(BS)四.干涉截止滤光片CutoffFilter五.带通滤光片
BandPassFilter一.减反射膜Anti-reflectiveCoatings(AR)*规整膜系:各层薄膜的光学厚度为设计波长四分之一的整数倍设计波长(参考波长、中心波长)膜系:G/M2HL/AS/(HL)4H/AG代表基底H(L、M)代表高(低、中)折射率膜层并且光学厚度为设计波长的四分之一A代表出射介质(一般为空气)光学膜系基本知识非规整膜系:膜系中某一层薄膜的光学厚度不是设计波长的四分之一整数倍。膜系:G/M1.8HL/A*2.1减反射膜Anti-reflection(AR)光学元件表面反射造成的问题光能量损失,使成像的亮度降低;杂散光造成像的衬度降低,分辨率下降。**2.1.1单层减反射膜从前面对单层介质膜的分析讨论可知:(1).只要n1<ns,就有R≤RS
,这层膜就有减反射效果,也就是减反射膜。(2).若,n1<ns,同时即λ0/4n1基底ns入射媒质
n0≡入射媒质n0新基底Y=n12/nsR=(n0-Y)2/(n0+Y)2单层介质膜实现零反射(理想减反射)的条件:*c.当时,膜层有效光学厚度为,越大,对应的波长越短。单层AR膜的光谱特点:单层减反射膜G/L/A1.52/1.38/1对常用的多数基底材料,满足的膜料并不存在,所以
很难实现零反射。
V形减反射效果,只能在某个孤立波长点实现最小反射,色中性差;*(1).双层AR:G/HL/A2.1.2双层减反射膜目的:克服单层膜存在的两个问题.当:n0基底ns假想基底零反射条件*缺点:通带越来越窄(和单层膜比较),色中性差的问题更严重了。G/HL/A1.52/1.7,1.38/1双层λ0/4膜堆的光谱特点:优点:最小反射率可为零*(2).AR:G/2HL/A特点:
可得到W形透射光谱曲线。n0λ0/4n1
n1
λ0/2n2基底nsA.与无关。即:
B.存在C.*nH1=1.60nH2=1.85nH3=2.0nH4=2.5*
为了降低W形反射率的凸峰,同时保持半波长层对光谱的平滑作用,可将半波长层分成两个折射率稍微不同的四分之一层。中心波长反射率从1.26%降至0.38%。中心波长反射率从1.26%降至0左右。W形(a)(b)(c)*缺点:明显的反射峰(中心波长)λ0/2-λ0/4双层AR的光谱特点:G/2HL/A*2.1.3多层减反射薄膜的设计目的:实现更宽波段更低的剩余反射率。母膜系存在两个缺点解决了不能实现零反射的问题增加了带宽,色中性差的问题得到改善多层减反射膜的基础就是该三层减反射膜。更多层的减反射膜大多是以此为雏形改良发展而成。*2.1.3多层减反射薄膜的设计减反射薄膜的设计存在两个缺点(1)λ0/4单层AR解决了不能实现零反射的问题(2)λ0/4-λ0/4-双层AR增加了带宽,色中性差的问题得到改善(3)λ0/2-λ0/4-双层AR不能实现零反射的问题色中性差(4)λ0/4-λ0/2-λ0/4-三层AR同时解决以上两缺点(5)
超宽带减散射薄膜*2.1.3多层减反射薄膜的设计*4005006007008000.01.02.03.04.05.0G/A
R%Wavelength/nmG/L/A*
由图可见:对于G/M2HL/A结构的膜系a.中心波长处(g=1),三层膜中有一层虚设层2H,致使对在λ0的有效膜堆是
显然,此值小于膜堆的R值;
b.对g≠1的其它相当宽的波数段,
R值比任何一种两层膜都低。注意:在薄膜光学中,为了使一次具体的计算结果不被局限在一个特定的波段,引入了一个中间变量——相对波数g
。*层数
厚度导纳
特性单层λ0/4n1零反射条件:双层λ0/4λ0/4λ0/4λ0/2n1n2n1n2零反射条件:或
,V型膜λ/2虚设,在λ0反射率等于λ0/4单层;可有二个零反射波长,W型膜三层λ0/4λ0/2λ0/4n1n2n3宽带低反射,W型膜用于ns<
1.65
减反射膜小结*nsn0n1n2n3R1R2法-珀干涉仪的透射率(W型的原因)α是以λ0/4为单位的间隔层厚度,(对于λ0/2厚度,α=2)θ=kπ时,T的最大值为T0,且当R1=R2时,T0的最大值为1。*ns=1.52n0=1n1=1.38n2=2.05n3=1.71R1R2Rmin=1-T0=2.55×10-5例:*n3=1.71n3=1.62*2.1.4.四层及以上减反膜的设计通常遇到的问题:a.三层膜系的增透波段不够宽,或剩余反射率还太高;
b.满足设计要求的三种材料无法找全。
解决的办法:
a.优化三层母膜系G/M2HL/A中每层膜的折射率和
厚度,直至满足要求;可能出现现有膜料无法实现的问题。
b.以G/M2HL/A为母膜系,将折射率设为定值,调整膜层的厚度,并允许增加膜层层数,直到满足要求。可能出现层数多以及极薄层的问题。*C替代层技术
等效定律任意一个周期性对称膜系都存在一个单层膜与之等效。等效折射率就是基本周期的等效折射率;等效相位厚度等于基本周期的等效相位厚度的周期数倍。*G/MH1H2H3L/A
nM=1.63,nH1=1.95,nH2=2.32,nH3=1.87,NL=1.38nH1=1.950.379H20.215L0.379H2nH3=1.870.288L0.384H20.288LG/M0.379H20.215L0.379H2
H2
0.288L0.384H20.288L
L/AG/1.04M0.364H20.21L2.63H20.253L0.368H21.14L/A例如:*G/MH1H2H3L/AG/1.04M0.665H20.04L3.3H20.19L0.45H21.08L/A超宽带减反射薄膜*2.1.5高折射率基底的减反射膜递减法膜层厚度均为1/4波长;折射率从基底到空气依次减小;K层膜实现k个波长位置的零反射时的条件;反射点的波长位置分别为:**随堂测试1.在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜,对于4000nm的光波,理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为:
,需要镀制的薄膜光学厚度为
nm。2.对于S/HL/A膜系,基底的折射率为ns,H的折射率为nH,L的折射率为nL,入射介质折射率为n0,问该说层膜在中心波长λ0处实现零反射率的条件是:
。
谢谢!*光学薄膜膜系设计2.2高反射薄膜潘永强教授1.金属反射膜常用的材料有:铝(Al)、银(Ag)、金(Au)等铝(Al):是唯一一种从紫外到红外波段都具有高反射率的金属材料;在大气中,铝膜表面能生成Al2O3保护层解决办法:Al+MgF2(紫外);Al+SiO(SiO2、Al2O3)(可见红外波段)银(Ag):在可见和红外波段都具有高的反射率;倾斜使用时,引入的偏振效应小。暴露于空气中极易氧化而失去光泽;与玻璃、SiO、MgF2等附着力较差。解决办法:Al2O3+Ag+Al2O3+SiOx
与基底之间的过渡层与保护层之间的过渡层2.2.1金属高反膜金(Au):在红外波段的反射率很高,常用作红外反射镜;与玻璃的附着力较差,常用Cr\Ni作为过渡层。解决方法:Ni(Ni-Cr)+Au+(一对TiO2/SiO2)或Bi2O3与基底之间的过渡层保护层*金属反射膜的光谱特性AuAgAlCu1*金属反射膜的特点A.高反射区宽;
B.偏振效应轻微;
C.膜层与基底附着性能差距很大:
Al与玻璃附着力强;
Au,Ag与玻璃附着力差;
D.膜层化学稳定性差,易被环境气体腐蚀;
E.机械性能差——软。优点缺点*2.2.2介质高反射膜在基底上沉积一层高折射率的薄膜,可有效地提高反射率。ns=1.52n1=2.15n0n0单层膜可实现的高反射率一般不会超过50%。*(1).周期性膜堆(HL)的反射率入射光在光疏媒质中前进,遇到光密媒质界面反射时,在反射过程中产生半波损失
-π-π-3π-3πHLH0123K-1K-kπ-kπH...…反射干涉加强:….r0r1r2r3
……rk-1rkk奇数k偶数
G/(HL)SH/A
G/(HL)s/A
G/(LH)SL/A
G/(LH)s/A周期性膜堆(HL)-高反射率?-另一种解释*膜系:G/(HL)SH/A=G/H(LH)S/A,中心波长为λ0,此时有:垂直入射时中心波长λ0的反射率为:高反射膜基本结构:
G/(HL)SH/A.
G/(LH)SL/A.
吸收小(2).高反射膜基本结构*2△g:随着层数的增加,反射率稳定增加的高反射带。*G/(HL)4H/AG/(HL)8H/AG/(HL)16H/AG/(HL)32H/A*(3).周期性膜堆(HL)s的高反射带(位置)由两层膜组成的基本周期的多层膜的特征矩阵为:每个基本周期(HL)的特征矩阵为:*重要结论满足:
的波长λ位于高反射带内;高反射带以g=1,3,5,..为中心,半宽度为△g的一系列波数区间.的波长λ位于高透射带内;高透射带以g=2,4,6,...为中心的一系列波数区间.的波长λ是高反射带与高透射带的拐点波长,即:截止波长。*(HL)SH
周期性多层膜的光谱特性
——透、反射光谱是相对波数的周期函数
a.在波段,高透、高反带相间周期出现;在波段,不再有高反带出现。
b.高反带中心波数为1,3,5,……;高透带中心波数为2,4,6,.…..。*(4).周期性膜堆(HL)s的高反射带(宽度)令:可得满足δ的方程为:*结论(1):在膜料一定的情况下,所有高反射带的波数宽度相等;令高反射带的边界为:高反射带的波数宽度:设截止波长为λe,相应的位相厚度为δe.**结论(2):高反射带的波数宽度仅仅与两种膜料的折射率有关;折射率差值越大,高反射带越宽。*结论(3):各高反射带的波长宽度并不相等,波数越大对应的高反射带波长宽度越窄。波数g表示的高反射区:1±Δg;1-Δg~1+Δg3±Δg;3-Δg~3+Δg5±Δg;5-Δg~5+Δg…...波长宽度相应的波长范围:高反射带的波长宽度:**A.当时,
当时,注意:B.只与有关,
而还与高反射带的中心波长有关。即:*
由得:
显然,,;S,。说明:由于工艺原因,实用的高反射膜系G/H(LH)S/A,其与G/(LH)S/A膜系有完全相同的通带,高反射带和带宽;只是
稍有差别.(5).G/(LH)S/A膜系高反带中心波长的Rk奇数k偶数G/H(LH)S/A*(当a<<1时)If1/Y=a,thenG/(HL)sH/AG/(LH)sL/A反射率和透射率*1).多个中心波长不同的(HL)S膜堆迭加。
例:G/H1(LH)17(LH)27/A,
这两个膜堆所用材料相同,中心波长分别为
和形成覆盖全可见光区的宽带高反射。(6).高反射带的展宽*Gl0.8[H(LH)7]1.2[H(LH)7]lA,Gl0.8[H(LH)7]L1.2[H(LH)7]lA,两个高反射膜堆都是奇数层*G/0.9[H(LH)4]1.1[H(LH)4]/A*G/0.9[H(LH)4]L1.1[H(LH)4]/A*例题玻璃基底上(1.52),镀制高反膜(中心波长500nm),要求峰值反射率达到99.999%,若选择高折射率材料为TiO2(2.15),低折射率MgF2(1.38),则最少做多少层薄膜,反射带的带宽为多少?G/(HL)SH/A*解:k奇数k偶数*谢谢!光学薄膜技术
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潘永强教授第二章光学薄膜膜系设计Optical
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2光学薄膜典型膜系设计二.高反射膜HighReflectiveCoatings(HR)三.中性分束膜BeamSplitterCoatings(BS)四.干涉截止滤光片CutoffFilter五.带通滤光片BandPassFilter一.减反射膜Anti-reflectiveCoatings(AR)
2.3中性分束膜
定义:在一定波段内,把一束光按一定透反比(T/R)分成光谱成分相同的两束光。零件结构:平板;胶合立方棱镜。特点:在可见光波段,各波长具有相同的透射比和反射比。膜系类型:金属;金属+介质;全介质。3*金属分束膜
特点:偏振小、中性好,Ag,Cr,Ni80Cr20
问题:吸收大,分光效率低,R+T仅60%—70%
优点:中性好,光谱范围宽,膜系简单2.3.1金属分束膜*G/Cr(15nm)/A*G/Cr(16nm)Ni(6nm)/A*
这种具有吸收的薄膜分光镜的透射率与光线的入射方向无关,但反射率与入射光的方向有关。
通常,光线从空气侧入射时,分光镜的反射率高,所以,在使用分光镜时,一定要注意正确的使用方向。吸收小,分光效率高*理论基础:
金属膜对光的吸收不仅与金属自身的性质有关,还与金属周围介质的性质有关。方法:
在金属膜两边设计匹配膜堆,诱导出金属膜的最大可能透射能力——势透射率。2.3.2介质-金属分束膜**金属分束膜的吸收损失与分光膜周围的介质有关,改变周围的介质,可以减小吸收损失GlZnS-Ag-ZnSlA可见光的中性1:1分光,R+T~90%.厚度为:280,1.2,120*
介质中性分束膜的本质是:
前面所讲的周期性多层介质膜系(HL)S,而且工作波段也是膜系的反射带,分束膜只不过将层数少,反射率降低就行
。特点:分光效率高(无吸收),偏振效应明显,分光特性色散明显。2.3.3介质分束膜*1.平板型:
G/H/A;G/HLHL/A;G/2LHLHL/A。2.棱镜型:
G/HLH/G;G/HLHL/G;G/LHLHL/G。说明:a.
b.H,L均指工作时的有效光学厚度
显然,介质分束膜就是周期性多层膜的又一种应用。2.3.3介质分束膜**单层分光膜G/H/AG/TiO2/A*
平板型介质分束膜多层分光膜G/HLHL/A入射角45度多层分光膜G/2LHLHL/A**棱镜介质分束膜S/HLHL2H/SS/HLHL/SS/2LHLHL/SS/LH(2/3)L1.5HL2H/S2.3.4偏振中性分光膜偏振中性分光膜:利用斜入射时光的偏振效应来实现50/50的中性分光。两点说明:1)偏振中性分光膜只适应于自然光和圆偏振光的中性分束;2)偏振中性分光膜分出的两束光,光强相等,但偏振状态不同,是两束振动方向互相垂直的线偏振光。因此,也将其称为偏振分光(束)膜。**偏振中性分光膜—布儒斯特角原理-回顾RsRpn1,n2界面反射率随入射角的变化1.0R0.50θB0306090θ1增加S偏振光的反射率Rp=0的条件:所以有:又因为:消去θ2,得Rp=0的入射角θ1=θBθB叫布儒斯特角或偏振角。*增加S偏振光的反射率对于P偏振,所有膜层的修正导纳相同立方棱镜偏振分束膜必要而非充分条件;充分条件:Rs100%H,L同时满足布儒斯特角,折射定律:(HL)sH如何实现偏振中性分光膜?充要条件
**若:nH=2.3,nL=1.38或:布儒斯特角原理偏振中性分光膜—立方棱镜如果:n0=1,则有**多层分光膜G/(HL)8/G45度入射基片折射率1.66,2.3,1.35**小结:零件结构:平板;胶合立方棱镜。膜系类型:金属;金属+介质;全介质。偏振中性分光膜*随堂练习1.偏振中性分光膜分出的两束光,
相等,但
不同,是两束振动方向互相垂直的线偏振光。2.立方棱镜偏振分光膜形成的必要条件和充分条件各是什么?并说明充分条件的依据和实现方法。谢谢!**第二章光学薄膜膜系设计2.4截止滤光片潘永强教授**截止滤光片某一波长范围的光束高透射,而偏离这一波长的光束骤陡然变化为高反射(抑制)的波段选择截止滤光片。分类:短波通:短波区高透,长波区高反;长波通:长波区高透,短波区高反。结构形式上分类吸收型薄膜干涉型吸收与干涉组合型一、定义及特性参数*长波通滤光片抑制短波波段,透射长波波段*短波通滤光片抑制长波波段,透射短波波段*截止滤光片的特性参数1.截止波长;2.高透射带的光谱宽度,平均透射率,最小允许透射率;3.反射带光谱宽度,平均反射率,最大允许透射率;4.过渡区曲线陡度/过渡区的波长宽度。*
周期性膜系(HL)s
用作截止滤光片的可能性
——通带与阻带
——通带光学性能及存在的问题(HL)s干涉截止滤光膜系设计的主要任务就是消除和减小通带波纹。二、基本膜系结构*为基本周期的对称膜系,就可以直接用等效折射率的概念进行分析了。改进结构:在(HL)SH或(LH)SL的两侧各加一个膜层。
——干涉截止滤光片的基本膜系结构:
——通带光学性能
与(HL)S具有相同的高反射带和高透射带分布,而且,高反射带的宽度也与(HL)SH的相同。*
三、对称多层膜系的性能-等效特性1.等效特性:
具有对称结构的多层膜可等效成一个单层膜。等效的单层膜称为等效膜层。注意:a“等效界面”——等效介质——等效导纳
——基底与任意多层膜组合导纳相对应。
b“等效膜层”
——等效折射率(位相厚度)
——不含基底的对称结构多层膜与有确定折射率和厚度的单层膜相对应。
c“等效”是数学的,也是光学效果的。*1).单层介质膜的数学特性A.有确定的B.特征矩阵,而且是实数;是纯虚数;
—单位模矩阵。2.对称结构多层膜等效成单层膜原因*2).对称结构的多层膜的数学特征以最简结构(pqp)为例:可以得出:
M11=M22,而且是实数;
M12,M21是纯虚数;,
M11M22-M12M21=1
因此,膜系(pqp)在数学上与一个单层介质膜等同。*3).等效折射率和等效位相厚度设:(pqp)的等效层的折射率为E,位相厚度为Г由可得:应用:
利用给定折射率np和nq的三层组合pqp可以合成具有要求的折射率E和位相厚度Г的膜层,并导出位相厚度δp和δq的解。*(pqp)m的等效层的折射率为Em,位相厚度为都是波长的函数(pqp)的等效层的折射率为E,位相厚度为Г*结论性说明:A.对称周期性膜系(pqp)m的等效折射率和等效位相厚度与基本周期(pqp)的等效折射率和等效位相厚度的关系为:B.可以证明:只在满足的波段是实数;在满足和的波段是虚数,不存在,或无穷。
真正的等效层只在满足的波段存在。*3.对称膜系的光谱特性1).满足的波段,均为实数,
为高透射区——通带;
2).满足的波段,均为虚数,
为高反射区——阻带;
3).满足的波长是通带与阻带的
过渡波长——截止波长。
注:在和的波段,不能用表征和计算原膜系的光谱性能。*1).阻带及阻带反射率
a.
由可推知:阻带出现在g=1,3,5,……为中心的波段;
b.由可得出:阻带宽度
c.阻带内:
d.过渡区的曲线陡度随的增大,或周期数m的增加,而变陡。*2).通带及通带透射率
a.由可推知:通带出现在g=2,4,6,……为中心的波段;
b.通带内:由于,其等效单层膜有:*
显然,随波长的变化情况,将决定膜系通带内反射率随波长的变化特性。对称多层膜在透射带内能够代换成一个单层膜,所以膜系透射带内的反射率将在两个数值之间振荡,即在
注意*四、通带波纹的压缩“波纹”—通带内的反射率极大值群。
1.波纹产因:由于和都是波长的函数,
a.满足的波长点将出现反射次峰;
b.反射次峰的高低为位相耦合**很明显,次峰的高低取决于值趋近于的程度。
显然,反射次峰的出现,是由于位相耦合和折射率失配同时存在而造成的。折射率失配R2越趋向于R1R2越大*2.消除/压缩“波纹”原则:使产生反射次峰的两个条件中任意一个被破坏即可。方法:1.选取一个对称组合,使其通带内的等效折射率接近基底的折射率,即使R1接近R2。(条件:基片的折射率小,反射损耗不大)通常受到现有薄膜材料的限制。2.在对称膜系的每一侧加镀匹配层。
3.自动合成法。*2.消除/压缩“波纹”方法一:**在截止区,E=0or∞FornH=2.35,nL=1.45g=0,E=E==1.84g=2,E==2.99E==1.14短波通*膜系适合于短波通滤光片膜系适合于长波通滤光片*长波通截止滤光片短波通截止滤光片*方法二:n0n1En3ns基本思想:
由于单层膜只可能一个零反射点,故常用多层膜或相似的基本周期匹配。减反射膜*方法二:增加折射率匹配层消波纹
例:在膜系中增加匹配层后,新膜系通带性能提高。**五、截止滤光片的中心波长λ0?λ0=450nmλ0=750nm*1.分色镜(彩色分光膜)三基色分色;消红,消蓝。2.
宽带通滤光片“短波通”+“长波通”3.太阳能利用
A.热镜:对阳光(0.35~3μm)高透过,对室温辐射(3~50μm)高反射。
B.太阳隔热膜:可见光0.4-0.75μm高透,热辐
射波段
(大于0.75μm)高反。六、
截止滤光片的应用4.CCD摄像系统中的红外截止滤光片——隔离红外噪声六、
截止滤光片的应用IR-cut*119第二章光学薄膜膜系设计2.5带通滤光片潘永强教授**带通滤光片的定义及特性参数
λ0——(峰值波长)中心波长Tmax——(峰值透射率)中心波长的透射率2△λ——(通带宽度)透射率为峰值透射率一半的波长宽度2△λ/
λ0——相对宽度带通滤光片:在一定的波段范围内,只有中间一小段是高透射率的通带,而在通带的两侧是高反射率(高抑制)的截止带的波段选择性透射滤光片。*长波通+短波通
这种结构得到的光谱特性是:可以获得较宽的截止带和较深的截止度,但不容易获得很窄的通带,所以常用于获得宽带通滤光片。带通滤光片的两种结构形式:F-P干涉滤光片光谱特性是:可以获得很窄的通带,但截止带宽度通常也比较窄,截止度也不深,所以大多数情况下都需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增加截止深度。*2.5.1F-P干涉仪和窄带滤光片(1)F-P干涉仪由两个反射率为R1,R2,间隔为d的反射板组成,透射光强的空间分布为:其中:*(2)全薄膜F-P干涉仪
包括间隔层在内的所有功能元件全部由薄膜组成。例:G(HL)82H(LH)8G.全薄膜F-P干涉仪与空气间隔的F-P干涉仪的唯一区别:两反射板之间的间隔层厚度与波长同量级,
即:Nd~λ。*2.5.2基本原理和特性参数
窄带通干涉滤光片就是F-P干涉仪。窄带通干涉滤光片的透射特性:其中:
-----通带中心波长透过率/最大透过率(1)最大透射率*影响的因素:a.如果:吸收和散射均为零,而且R1=R2,那么T0=
1;b.如果:吸收和散射均为零,但是,R1≠R2,那么T0≠
1,*影响的因素:C.如果反射膜有吸收、散射损失,假定反射膜仍是完全对称的,用R12、T12和A12分别表示两反射膜的反射率、透射率以及吸收和散射损失。由于R12+T12+A12=1,峰值透射率可以写成:
这也足以说明F—P滤光片对膜层的吸收、散射损失是极其敏感的。这说明:反射膜的透射率愈低或吸收、散射愈大,则峰值透射率愈低.
A+S~0.5%,R~98.8%,Tmax~50%;A+S~1%,R~98.8%,Tmax~30%.*(2)通带中心波长----透射率极大值的位置
由
当时,
——
由间隔层厚度确定。
注意:
a.m是以为单位的间隔层厚度;
b.m
也是该滤光片可产生的窄通带的个数。G/(HL)8
2H(LH)8/G*(3)通带宽度由定义:可推得:显然:
a.R1、
R2越高,通带越窄;
b.提高m数(增加间隔层的厚度),通带将变窄。但是,一般情况下m不大于4。*2.5.3不同膜系结构的带通滤光片全介质型:全介质单半波型全介质多半波型“金属--介质”型:“诱导”型*(1)全介质单半波型
G/(HL)s[m(2H)](LH)s/AG/(HL)sH[m(2L)]H(LH)s/A
特点:
a.A,S很小,R1,R2很高,∴
b.通带波形近似为三角形;
c.通
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