專利名稱：通道通帶相對位置可獨(dú)立調(diào)整的一通帶二通道濾光片的制作方法
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(jì)方法，具體涉及一種通道通帶濾光片的設(shè)計(jì)。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(gè)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(jì)出通道相對位置可調(diào)整的濾光片。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的雙對稱結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的位置的獨(dú)立調(diào)整。
2、Rugate類型的多通道帶通濾光片從設(shè)計(jì)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?yàn)镽ugate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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jī)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(jìn)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(diǎn)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(gè)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)。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(jì)窄帶濾光片的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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，只是透過峰的峰位和截止帶的位置發(fā)生相應(yīng)移動(dòng)。
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(dú)立調(diào)整各通道的相對位置，從而限制了雙通道及多通道濾光片的應(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一個(gè)通帶兩個(gè)通道，又能夠獨(dú)立調(diào)整各個(gè)通道和通帶位置的通道通帶濾光片。
本發(fā)明提出的相對位置可調(diào)整的通道通帶濾光片，是以Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的一種全新的設(shè)計(jì)方法，它在Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用三對稱結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。
Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)中，如果間隔層兩側(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(shí)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(shí)，整個(gè)膜系的透射率T達(dá)最大值由Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)我們可以看出，在此對稱結(jié)構(gòu)中，間隔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形成通道。由此可見，一個(gè)對稱結(jié)構(gòu)就可以形成一個(gè)獨(dú)立的通道系列，通道的數(shù)目和位置隨間隔層的厚度變化而變化?？梢栽O(shè)想，要實(shí)現(xiàn)通道和通帶位置的獨(dú)立調(diào)整，我們要用三對稱結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。這是一種完全不同于傳統(tǒng)的雙通道通帶濾光片的設(shè)計(jì)方法。
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)的材料組成具有雙對稱結(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。首先由高低折射率材料構(gòu)成兩個(gè)Fabry---Perot濾光片對稱結(jié)構(gòu)，然后由這兩個(gè)結(jié)構(gòu)又組成一個(gè)新的對稱結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)稱為雙對稱結(jié)構(gòu)。三對稱結(jié)構(gòu)就是在雙對稱的基礎(chǔ)上，用耦合層將兩個(gè)相同的雙對稱結(jié)構(gòu)耦合在一起，兩個(gè)雙對稱結(jié)構(gòu)關(guān)于耦合層對稱，形成新的對稱結(jié)構(gòu)，稱之為三對稱結(jié)構(gòu)。調(diào)整三對稱結(jié)構(gòu)中七個(gè)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(gè)Fabry---Perot對稱結(jié)構(gòu)的中間層的厚度均為cH，稱之為中間層c，兩個(gè)Fabry----Perot結(jié)構(gòu)之間的中間層的厚度為dL，稱之為中間層d，兩個(gè)雙對稱結(jié)構(gòu)的耦合層厚度為eL，稱之為e層。分別調(diào)整c、d和e層的厚度就可以獨(dú)立地調(diào)整三個(gè)通道的位置。該膜系可通過加入匹配膜層來進(jìn)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)的一通帶二通道窄帶濾光器件。它采用基于Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具的三對稱結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)一個(gè)通帶和兩個(gè)通道位置的獨(dú)立連續(xù)變化；通過調(diào)整中間層c、d和e的厚度，可分別使一個(gè)通帶和兩個(gè)通道的位置獨(dú)立連續(xù)地變化，適當(dāng)調(diào)整中間層的厚度，可以得到通帶和通道位置獨(dú)立連續(xù)變化的一維光子晶體。


圖1為本發(fā)明Fabry-Perot結(jié)構(gòu)的通道位置與缺陷層厚度的關(guān)系。
圖2a為本發(fā)明的基于Fabry-Perot結(jié)構(gòu)的雙對稱結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b為本發(fā)明的基于Fabry-Perot結(jié)構(gòu)的三對稱結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的三對稱結(jié)構(gòu)中c＝1.5L、d＝0.2L固定而e發(fā)生變化時(shí)候的三通道帶通濾光片的通道變化。
圖4為本發(fā)明的三對稱結(jié)構(gòu)中c＝1.5L、e＝0.8L固定而d發(fā)生變化時(shí)候的雙通道帶通濾光片的通道變化。
圖5為本發(fā)明的三對稱結(jié)構(gòu)中d＝0.4L、e＝0.8L固定而c發(fā)生變化時(shí)候的雙通道帶通濾光片的通道變化。
圖6為本發(fā)明的三對稱結(jié)構(gòu)中當(dāng)c、d和e交替變化的時(shí)候，通道的位置發(fā)生交替移動(dòng)。
具體實(shí)施例方式
由圖1中可看到，隨著中間層c厚度的增加，通道位置向長波方向移動(dòng)。然而通道之間的相對間隔始終相同，無法改變。
在圖3中，隨著e由0.5L增加到0.8L，右邊的通道由684.89nm移動(dòng)到716.26nm，然而左邊的通道和通帶始終在原先的位置保持基本不動(dòng)。
圖4中，隨著d由0.15L增加到0.4L，中間的通道由631.11nm移動(dòng)到670.19nm，然而左側(cè)的通帶和右側(cè)的通道始終在原先的位置保持基本不動(dòng)。
圖5中，隨著c由1.5L增加到1.9L，右側(cè)的通道由546.99nm移動(dòng)到583.66nm，然而左邊的兩個(gè)通道始終在原先的位置保持基本不動(dòng)。
圖6中，由c＝1.5L、d＝0.2L、e＝0.5L開始，c、d和e交替增加，直到c＝1.6L、d＝0.4L、e＝0.8L。由圖可以看出，改變一個(gè)參數(shù)，可以對其中的一個(gè)通道進(jìn)行控制，而并基本不影響另外一個(gè)通道的位置。
濾光片的通帶通道位置設(shè)計(jì)及調(diào)整的具體方法如下
設(shè)計(jì)三對稱結(jié)構(gòu)的雙通道濾光片，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Fabry-Perot結(jié)構(gòu)間隔層兩側(cè)的反射膜堆的單層厚度。以圖3所示的設(shè)計(jì)為例，在此設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)波長為600nm，濾光片的膜層結(jié)構(gòu)為(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)3eL(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)31/2cL，其中c、d和e表中間層的厚度，c層、d層和e層在膜系中的位置見圖2b。截止帶位置確定后，再根據(jù)所需要的三個(gè)通道的位置，來確定c、d和e的大小；先確定通帶1，通過計(jì)算(HL)3HcLH(LH)3結(jié)構(gòu)的間隔層兩側(cè)反射層通帶1所在波長的反射相移，由式(2)求得c的大小。確定通道2的和通道3用同樣的方法，不過計(jì)算反射相移時(shí)所計(jì)算的對象不同，通過計(jì)算(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)3結(jié)構(gòu)的間隔層兩側(cè)反射層在通道2所在波長的反射相移，代入式(2)求得d的大小，從而可以確定通道2的位置。通過計(jì)算(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)3eL(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)3結(jié)構(gòu)的間隔層兩側(cè)反射層在通道3所在波長的反射相移，由式(2)求得e的大小來確定通道3的位置。由計(jì)算機(jī)模擬可以發(fā)現(xiàn)，通帶1的位置主要由c的大小來決定，通道2的位置主要由d的大小來決定，通道3的位置主要有e層的大小來決定，且通帶和通道的位置可連續(xù)變化。由于計(jì)算c和d時(shí)為簡化計(jì)算，計(jì)算對象是(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)3和Fabry-Perot結(jié)構(gòu)而非整個(gè)雙對稱膜系。因此可在計(jì)算機(jī)上對c和e層進(jìn)行調(diào)整，使通帶1和通道2的位置與設(shè)計(jì)吻合。設(shè)計(jì)的所有膜層的厚度均已確定，所用材料可以根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)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)整間隔層的位置、大小，得到具有所需通道參數(shù)的濾光片。
本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)就是一個(gè)通帶和二個(gè)通道的位置由三個(gè)參數(shù)c、d和e三個(gè)參數(shù)來控制，位置可以獨(dú)立變化。
1、通帶1和通道2位置不變的情況下調(diào)整通道3的位置以下模擬計(jì)算設(shè)計(jì)波長λ均為600nm，均以結(jié)構(gòu)為(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)3eL(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)31/2L的一維光子晶體為例，當(dāng)c和d確定的時(shí)候通帶1和通道2的位置基本不發(fā)生變化，通道3的位置隨e的改變而連續(xù)變化。當(dāng)c＝1.5、d＝0.2，e分別等于0.5、0.6、0.7、0.8、的時(shí)候，通道位置的變化如圖3所示。
2、通帶1和通道3位置不變的情況下調(diào)整通道2的位置當(dāng)c和e確定的時(shí)候通帶1和通道3的位置并不發(fā)生變化，通道2的位置隨d的改變而連續(xù)變化。當(dāng)c＝1.5、e＝0.8，d分別等于0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4的時(shí)候，通道位置的變化如圖4所示。
3、通道2和通道3位置不變的情況下調(diào)整通帶1的位置當(dāng)d和e確定的時(shí)候通道2和3的位置并不發(fā)生變化，通帶1的位置隨c的改變而連續(xù)變化。當(dāng)d＝0.4、e＝0.8，c分別等于1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、的時(shí)候，通帶位置的變化如圖5所示。
4、通帶通道交替變化當(dāng)c、d和e交替變化的時(shí)候，通帶或通道的位置發(fā)生交替移動(dòng)，以圖6為例，由c＝1.5L、d＝0.2L、e＝0.5L開始，c、d和e交替增加，直到c＝1.6L、d＝0.4L、e＝0.8L。改變一個(gè)參數(shù)，可以對其中的一個(gè)通帶或通道進(jìn)行控制，而并基本不影響另外一個(gè)通帶或通道的位置。
5、在設(shè)計(jì)的最后，如果發(fā)現(xiàn)通帶或通道有微小偏移，可以利用計(jì)算機(jī)模擬對c、d和e層厚度微調(diào)進(jìn)行修正，主要是通過對偏移通帶或通道的控制層進(jìn)行微調(diào)以修正通道位置，如通帶1的控制層是c層，以此類推。
權(quán)利要求
1.一種通道和通帶相對位置可獨(dú)立調(diào)整的一通帶二通道濾光片，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Fabry-Perot結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的三對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)為(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)3eL(HL)3HcLH(LH)3dL(HL)3HcLH(LH)31/2cL
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通道通帶相對位置可獨(dú)立調(diào)整的一通帶二通道濾光片，其特征在于通帶和通道的位置由c、d和e三個(gè)參數(shù)來控制，可以獨(dú)立變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通道通帶相對位置可獨(dú)立調(diào)整的一通帶二通道濾光片，其特征在于通帶和通道的位置，可以利用計(jì)算機(jī)模擬對c、d和e層厚度進(jìn)行微調(diào)修正。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠獨(dú)立調(diào)整通道通帶濾光片中一個(gè)通帶和兩個(gè)通道相對位置的設(shè)計(jì)方法，采用了基于Fabry－Perot標(biāo)準(zhǔn)具的三對稱結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的窄帶濾光片不同，它通過分別改變幾個(gè)中間層的厚度來對一個(gè)通帶和二個(gè)通道的位置進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)整，克服了通道和通帶位置調(diào)整所引起的位置相干現(xiàn)象。本發(fā)明介紹了濾光片具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及在此設(shè)計(jì)下所計(jì)算出的一通道二通帶濾光片的光譜特性。所設(shè)計(jì)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(hào)G02B5/20GK1588138SQ20041006727
公開日2005年3月2日 申請日期2004年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者田國勛, 吳永剛, 王占山, 林小燕 申請人:同濟(jì)大學(xué)