專利名稱：寬截止帶窄帶濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種光學(xué)濾光片器件，具體涉及一種寬截止帶窄帶濾光片。
2、金屬誘導(dǎo)濾光片金屬誘導(dǎo)濾光片，也具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要是為了改善Fabray---Perot干涉濾光片透射峰值兩邊的旁通帶而設(shè)計(jì)的一種窄帶濾光片。利用金屬材料的吸收，并通過(guò)金屬層與介質(zhì)層的位相匹配達(dá)到對(duì)透射峰值兩邊旁通帶的抑制，從而得到透射峰值兩邊具有寬的截止帶的濾光片。要得到寬的截止帶必須加厚金屬層，但由于金屬的吸收特性，隨著金屬層的增厚，對(duì)入射光的吸收會(huì)增大，峰值透過(guò)率會(huì)減小。從而造成了寬截止帶與峰值高透過(guò)兩者的矛盾。
在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中很難同時(shí)得到既具有高的透過(guò)峰值又具有寬的截止帶，從而不能得到具有在寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的優(yōu)良性能的濾光片器件。
本發(fā)明提出的寬截止帶窄帶濾光片，是基于光子晶體理論而提出的一種全新的窄帶濾光片結(jié)構(gòu)。
在一維光子晶體中波矢k(p＝|k|)與品格常數(shù)d滿足cos(pd)=cos(p1d1)cos(p2d2)-12(ϵ1ϵ2+ϵ2ϵ1)sin(p1d1)sin(p2d2)]]>
ε1、ε2為兩種材料的介電常數(shù)，p1=ϵ1ωc,]]>p2=ϵ2ωc;]]>d1、d2分別為兩種材料的厚度，且d＝d1+d2。
由于具有不同晶格常數(shù)d的一維光子晶體具有不同的禁帶寬度，通過(guò)選取不同的d值，即改變兩種材料周期厚度d1、d2值，得到具有不同禁帶寬度的一維光子晶體，然后根據(jù)所需要的禁帶寬度，將具有不同的d1、d2值的一維光子晶體按照其所具有的光子禁帶所對(duì)應(yīng)的波段由短波向長(zhǎng)波進(jìn)行排列，在所需波段范圍內(nèi)得到一完全禁帶，并得到所需要的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；通過(guò)在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中摻入雜質(zhì)，對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的能帶進(jìn)行調(diào)制，改變完全禁帶，得到一窄的通帶。這是一種完全不同于傳統(tǒng)的窄帶濾光片設(shè)計(jì)。
基于這種設(shè)計(jì)思想，我們采用了將兩種不同介電常數(shù)的材料組成具有不同晶格常數(shù)d的一維光子晶體，組成具有摻雜的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如

圖1所示，其中A、B、C分別為具有不同晶格常數(shù)d的一維光子晶體，這一結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；為了改變異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的傳輸特性，可以在其中放置一雜質(zhì)帶，這樣就得到了具有摻雜的一維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。該膜系結(jié)構(gòu)就是一種具有超寬截止帶的窄帶濾光片。
本發(fā)明中，兩種不同介電常數(shù)的材料可選用ZnS和MgF2，或者TiO2、SiO2等。
本發(fā)明是一種采用全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬截止帶的窄帶濾光器件。它采用具有摻雜的一維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，利用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的帶隙特點(diǎn)得到寬的截止帶；由于雜質(zhì)對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能帶的調(diào)制，所以通過(guò)摻雜可在寬的截止帶中得到一窄的通帶。它克服了傳統(tǒng)窄帶濾光片不能在一個(gè)寬截止帶得到窄帶濾光的缺點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整雜質(zhì)的位置、大小可以得到所需要的透過(guò)波長(zhǎng)。
采用光子晶體概念設(shè)計(jì)窄帶濾光片的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以預(yù)先設(shè)計(jì)工作波段。原因是光子晶體具有“標(biāo)度不變性”，如果只改變晶格常數(shù)，而維持其他各項(xiàng)參數(shù)不變，則光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)的總體形狀不發(fā)生改變，只是透過(guò)峰的峰位和截止帶的位置發(fā)生相應(yīng)移動(dòng)。
本發(fā)明可用于各種光學(xué)儀器中，例如在光學(xué)分析儀器、光學(xué)探測(cè)器方面都有廣闊的應(yīng)用前景。
圖2為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的窄帶濾光片透射譜線。
圖3為Fabray---Perot結(jié)構(gòu)窄帶濾光片的透射譜線。
圖4為金屬誘導(dǎo)窄帶濾光片的透射譜線。
材料可以根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行選取。我們選取的是ZnS、MgF2，入射介質(zhì)為空氣ε＝1，在400nm-2000nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有一窄的透過(guò)峰，ZnS、MgF2組成的介質(zhì)對(duì)為雜質(zhì)，利用傳輸矩陣法，通過(guò)調(diào)整雜質(zhì)的位置、大小，得到了峰位為1413.8nm、透過(guò)率大于80％，半寬度小于2nm、背景透過(guò)率小于0.5％的超寬截止帶窄帶濾光片，其透過(guò)率曲線如圖2所示，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)為(0.6H 0.6L)3(0.7H 0.7L)12(0.8H 0.8L)12(0.9H 0.9L)12(1H 1L)12(1.2H 1.2L)12(1.4H1.4H)12(1.6H 1.6L)12(1.8H 1.8L)12(4.8H 5L)1(2.4H 2.4L)14(2.6H 2.6L)9其中H、L，分別為高低折射率材料的1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度，H＝nhdh＝L＝nldl＝λ/4，λ＝680nm，nh＝2.46、nl＝1.38分別為兩種材料的折射率；dh、dl分別為與1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度對(duì)應(yīng)的兩種材料的物理厚度。
而傳統(tǒng)的采用相同的材料的Fabray---Perot截止濾光片，其透過(guò)率譜線如圖3所示，峰值位置兩端透過(guò)率小于10％的截止帶寬度為413nm。金屬誘導(dǎo)濾光片的頭過(guò)率譜線如圖4所示，雖然透過(guò)峰值兩端背景透過(guò)率小于10％截止帶寬度為400-2000nm，但由于金屬的吸收，其峰值小于60％。與傳統(tǒng)的窄帶濾光片相比，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的窄帶濾光片成功地抑制了窄帶濾光片透射峰值位置兩邊的旁通帶，具有優(yōu)良的光學(xué)性能。
鍍膜開始時(shí)，用酒精乙醚對(duì)基底(K9玻璃)進(jìn)行清洗，并用脫脂棉將表面擦干凈，鍍膜時(shí)將基底加熱到300℃，真空度低于3.0×10-3Pa，利用鍍膜機(jī)內(nèi)電子槍對(duì)鍍膜材料進(jìn)行加熱，交替的在基底上鍍制高低兩種折射率材料。
兩種不同介電常數(shù)的材料也可選用TiO2和SiO2，制作步驟同上，同樣得到所需要的窄帶濾光片。
權(quán)利要求
1.一種寬截止帶窄帶濾光片，其特征在于由介電常數(shù)分別為ε1、ε2的兩種不同材料組成具有不同晶格常數(shù)d的一維光子晶體，并根據(jù)所需要的禁帶寬度，將具有不同材料厚度d1、d2值的一維光子晶體按照其所具有的光子禁帶所對(duì)應(yīng)的波段由短波向長(zhǎng)波排列，組成在所需波段范圍內(nèi)的一完全禁帶，得到異質(zhì)結(jié)構(gòu)；在該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中放置有一雜質(zhì)帶，構(gòu)成具有摻雜的一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中ε1≠ε2，d1+d2＝d。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的窄帶濾光片，其特征在于不同介電常數(shù)的材料選用ZnS、MgF2，或者TiO2和SiO2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用一維摻雜異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)從可見到紅外波段具有超寬截止帶窄帶濾光片。不同于傳統(tǒng)的窄帶濾光片，它可以同時(shí)得到高的峰值透過(guò)率和峰值兩端寬的截止帶。該發(fā)明介紹了該濾光片的設(shè)計(jì)思路和具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及在此設(shè)計(jì)思想下所計(jì)算出的窄帶濾光片的光學(xué)性能等。本發(fā)明設(shè)計(jì)的濾光片可應(yīng)用于光學(xué)分析儀器、光學(xué)探測(cè)儀器等各種光學(xué)儀器中。
文檔編號(hào)G02B5/20GK1455286SQ03116928
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2003年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
發(fā)明者王利, 王占山, 吳永剛 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)