專利名稱：相對位置可獨立調(diào)整的通道通帶濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)濾光片器件設(shè)計方法，具體涉及一種既有通道又有通帶的濾光片的設(shè)計。在光學(xué)儀器、天文、遙感等方面有應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的多通道帶通濾光片一般有以下兩種1、基于Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的多通道帶通濾光片最典型的多通道帶通濾光片為Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)。該濾光片為一對稱結(jié)構(gòu)，兩端為反射層，中間為間隔層，經(jīng)過反射層的多次反射，通過恰當(dāng)選取間隔層的物理厚度，該結(jié)構(gòu)可以得到具有多通道透過特性的帶通濾光片，但由于所有通道的位置都與這一個間隔層的厚度有關(guān)系，這些通道的位置變化是相干的。因此，無法用此結(jié)構(gòu)設(shè)計出通道相對位置可調(diào)整的濾光片。
2、Rugate類型的多通道帶通濾光片從設(shè)計的角度來講，也許有著連續(xù)折射率結(jié)構(gòu)的Rugate類型的多通道帶通濾光片是最吸引人的，因為Rugate濾光片具有完美的數(shù)學(xué)變換形式。但是由于該類型的多通道帶通濾光片所采用的介質(zhì)要求為折射率漸變材料，因此盡管在理論上能夠進行設(shè)計，但在鍍制技術(shù)上，要比多層介質(zhì)多通道帶通濾光片困難得多。
1987年S.John和E.Yablonovitch等人分別提出了光子晶體的概念。由于一維光子晶體在結(jié)構(gòu)上類似于光學(xué)多層介質(zhì)膜，因此從光子晶體的角度出發(fā)，通過對一維光子晶體光譜的形成機理，一維光子晶體中的電磁模密度和光子態(tài)密度的分析與研究，形成了許多新的技術(shù)。在一維光子晶體中插入缺陷層后引起晶體中光子態(tài)密度的變化，改變了一維光子晶體的禁帶特性，并可以在光子禁帶中形成通道。在此基礎(chǔ)上，王利等人對一維光子晶體的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)進行了研究。將兩種不同介電常數(shù)的材料組成具有不同晶格常數(shù)的一維光子晶體，通過缺陷層的偶合組成具有摻雜的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并利用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的帶隙特點得到寬的截止帶。由于雜質(zhì)對異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能帶的調(diào)制，所以通過摻雜可在寬的截止帶中得到兩個窄的通帶。它克服了傳統(tǒng)窄帶濾光片不能在一個寬截止帶得到窄帶濾光的缺點。并且通過調(diào)整缺陷層的位置以及大小，在寬禁帶的背景上得到更多的透過通道。
采用光子晶體概念設(shè)計窄帶濾光片的一個優(yōu)點是可以預(yù)先設(shè)計工作波段。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，只是透過峰的峰位和截止帶的位置發(fā)生相應(yīng)移動。
基于Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的多通道帶通濾光片以及上述的一維光子晶體的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)難以獨立調(diào)整各通道的相對位置，且無法實現(xiàn)通道與通帶共存，從而限制了通道帶通濾光片的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既具有通道與通帶，又能夠獨立調(diào)整通道與通帶位置的多通道通帶濾光片。
本發(fā)明提出的通道和通帶位置可獨立調(diào)整的通道通帶濾光片，是以對稱多層介質(zhì)膜系為基礎(chǔ)的一種新的設(shè)計方法。
在此結(jié)構(gòu)中，如果中間層兩側(cè)媒質(zhì)的導(dǎo)納相同，則透射率T為T=T1T2(1-R1R2)211+4R1R2(1-R1R2)sin212(φ1+φ2-2δ)---(1)]]>其中T1、T2、R1、R2分別為選定膜層兩側(cè)的透射率和反射率，φ1、φ2分別為兩反射膜層的反射相移。
由式(1)可知，若兩反射膜層的T1、T2、R1、R2和反射相移φ1、φ2不變，這時能改變的量是選定膜層的有效位相厚度δ(δ=2πλnd).]]>當(dāng)φ1+φ2-2δ＝2kπ(k＝±1，2，3)(2)時，整個膜系的透射率T達最大值。
在此對稱結(jié)構(gòu)中，中間層的插入引起了光子晶體中光子態(tài)密度和電磁波模的變化，其兩側(cè)的反射層的多次反射而在光譜特性曲線中形成通道。保持膜系的對稱性在膜系的兩側(cè)引入新的膜層結(jié)構(gòu)來形成一個新的通帶。形成通道通帶濾光片。基于這種設(shè)計思想，我們采用了將兩種不同介電常數(shù)的材料組成具有對稱結(jié)構(gòu)的濾光片。如圖1所示，其中H、L，分別為高低折射率材料的1/4波長光學(xué)厚度，H＝nHdH＝L＝nLdL＝λ/4，nL＝1.44、nH＝2.3分別為兩種材料的折射率；dH、dL分別為與1/4波長光學(xué)厚度對應(yīng)的兩種材料的物理厚度。調(diào)整雙對稱結(jié)構(gòu)中五個中間層的厚度，可以改變?yōu)V光片透射譜中通道和通帶的相對位置。其中兩個對稱結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)四個中間層的厚度均為cH，稱之為中間層c，對稱結(jié)構(gòu)中心中間層的厚度為dL，稱之為中間層d，調(diào)整c和d就可以獨立地調(diào)整通道和通帶的位置。該膜系可通過加入匹配膜層來進行優(yōu)化。
本發(fā)明中，兩種不同介電常數(shù)的材料可選用SiO2和TiO2等。
本發(fā)明是一種采用全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的通道通帶濾光器件。它采用對稱結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)通道和通帶位置的獨立連續(xù)變化；通過調(diào)整中間層c和d的厚度，可使兩個通道系列的位置獨立地變化，適當(dāng)調(diào)整中間層的厚度，可以得到位置獨立連續(xù)變化的通道通帶一維光子晶體。以下均以通道通帶一維光子晶體為例進行說明。


圖1為本發(fā)明的對稱膜系結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明在通道位置不變的情況下，適當(dāng)改變c和d，產(chǎn)生的通帶位置的調(diào)整。
圖3為本發(fā)明在通帶位置不變的情況下，適當(dāng)改變c和d，產(chǎn)生的通道位置的調(diào)整。
圖4為本發(fā)明適當(dāng)?shù)恼{(diào)整c和d的值，產(chǎn)生的通道和通帶位置的交替變化，具體實施方式
圖2所示幾組圖形的c和d的值分別為c＝1.4H、d＝0.8L，c＝1.5H、d＝0.7435L，c＝1.6H、d＝0.698L，c＝1.7H、d＝0.659L，c＝1.8H、d＝0.624L。隨著c由1.4增加到1.8適當(dāng)調(diào)整d，左邊的通帶位置逐步右移，而右邊的通道始終在原先的位置保持不動。
圖3所示的幾組圖形中保持c＝1.4H不變，隨著d的值由0.2L增加到0.7L，左邊的通帶位置保持基本不動。而右邊的通道逐步向右移動。
如圖4所示，這幾個通道通帶光譜特性圖對應(yīng)的c和d的值分別是c＝1.5H、d＝0.4L，c＝1.5H、d＝0.5L，c＝1.6H、d＝0.472L，c＝1.6H、d＝0.6L，c＝1.7H、d＝0.5677L，c＝1.7H、d＝0.7L，c＝1.8H、d＝0.662L，c＝1.8H、d＝0.8L，c＝1.9H、d＝0.755L，隨著c和d的不同的變化組合，可以使通道和通帶的位置發(fā)生交替變化。
濾光片的雙通道位置設(shè)計及調(diào)整的具體方法如下設(shè)計對稱結(jié)構(gòu)的通道帶通濾光片，首先根據(jù)所需的截止帶的位置，確定晶格常數(shù)的大小即對稱結(jié)構(gòu)中間層兩側(cè)的反射膜堆的單層光學(xué)厚度。以圖2所示的設(shè)計為例，在此設(shè)計中，截止帶寬度為260nm，波長為600nm，濾光片的膜系結(jié)構(gòu)為(HL)2cH(LH)2L(HL)2cH(LH)2dL(HL)2cH(LH)2L(HL)2cH(LH)2，其中c和d表示中間層的厚度。截止帶位置確定后，再根據(jù)所需要的通道和通帶的位置，來確定c和d的大小；先確定通道，通過計算對稱結(jié)構(gòu)的中間層d兩側(cè)反射層在通道所在波長的反射相移，由式(2)求得d的大小。確定通帶用同樣的方法，不過此時所計算的反射相移是由膜系(HL)2cH(LH)2產(chǎn)生的，即以左右兩側(cè)的某個c層為對稱中心的對稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。求得通帶所在波長的反射相移，通過式(2)求出c的大小。由計算機模擬可以發(fā)現(xiàn)，通道的位置主要由d的大小來決定，通帶的位置主要由c的大小來決定，且通道和通帶的位置可連續(xù)變化。由于計算c時為簡化計算，計算對象是(HL)2cH(LH)2對稱結(jié)構(gòu)而非整個對稱膜系。因此可在計算機上對c進行調(diào)整，使通帶的位置與設(shè)計要求相吻合。設(shè)計的所有膜層的厚度均已確定，所用材料可以根據(jù)實際條件進行選取。我們選取的是TiO2、SiO2，入射介質(zhì)為空氣ε＝1。TiO2、SiO2組成的介質(zhì)對為雜質(zhì)，利用傳輸矩陣法，通過調(diào)整中間層的厚度，得到具有所需通道和通帶參數(shù)的濾光片。
本發(fā)明的特點就是兩個通道的位置可由兩個參數(shù)c和d兩個參數(shù)來控制，可以獨立變化，可以在截止帶內(nèi)任意地調(diào)整兩個通道的位置。
1、通道位置不變的情況下調(diào)整通帶的位置以下均以結(jié)構(gòu)為(HL)2cH(LH)2L(HL)2cH(LH)2dL(HL)2cH(LH)2L(HL)2cH(LH)2的一維光子晶體為例，設(shè)計波長λ＝600nm，調(diào)整c和d的大小可以得到如圖2所示的變化情況，可以在通道位置不變的情況下調(diào)整通帶的位置。
2、通帶位置不變的情況下調(diào)整通道的位置調(diào)整c和d的大小可以得到如圖3所示的變化情況，可以在通帶的位置不變的情況下調(diào)整通道的位置。
3、通道和通帶的位置交替變化適當(dāng)?shù)恼{(diào)整c和d的值可以使通道和通帶的位置交替變化，如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種通道通帶相對位置可獨立調(diào)整的通道通帶濾光片，其特征在于薄膜的硬膜系材料為TiO2和SiO2組合，組成膜系的結(jié)構(gòu)為以對稱多層介質(zhì)膜系為基礎(chǔ)的雙對稱結(jié)構(gòu)濾光片膜層。結(jié)構(gòu)為(HL)ncH(LH)ncH(LH)ndL(LH)ncH(HL)ncH(LH)n。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對位置可獨立調(diào)整的通道通帶濾光片，其特征在于相對位置可獨立調(diào)整的通道通帶濾光片的通道和通帶透過峰的位置由結(jié)構(gòu)中的c層和d層的厚度來調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對位置可獨立調(diào)整的通道通帶濾光片，其特征在于為使通道和通帶的位置與設(shè)計吻合，c層和d層的準(zhǔn)確厚度通過計算機進行微調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠獨立調(diào)整濾光片中通道位置與通帶位置的設(shè)計方法，采用了基于Fabry－Perot標(biāo)準(zhǔn)具的對稱結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的窄帶濾光片和帶通濾光片不同，它通過分別改變幾個中間層的厚度來對通道的位置和通帶的位置進行獨立的調(diào)整，在實現(xiàn)通道與通帶共存的基礎(chǔ)上克服了兩者位置調(diào)整時的位置相干現(xiàn)象。本發(fā)明介紹了濾光片的設(shè)計思路和具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及在此設(shè)計下所計算出的通道通帶濾光片的光譜特性等。所設(shè)計的濾光片可應(yīng)用于光學(xué)探測儀器、空間技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號G02B5/20GK1629658SQ20041006705
公開日2005年6月22日 申請日期2004年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月11日
發(fā)明者吳永剛, 田國勛, 王占山, 林小燕 申請人:同濟大學(xué)