專利名稱：相對位置可調(diào)諧的二維通帶通道濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種光學濾光片器件設(shè)計方法，具體涉及一種二維雙通道濾光片的設(shè)計。在光學儀器、天文、遙感等方面有應用前景。
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標準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標準具結(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)點是可以預先設(shè)計工作波段。原因是光子晶體具有“標度不變性”，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)生相應移動。
基于Fabry-Perot標準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，從而限制了雙通道濾光片的應用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既具有通帶通道，又能夠在同一個濾光片上獨立調(diào)整各個通道位置的二維通帶通道窄帶濾光片。
本發(fā)明提出的通道相對位置可調(diào)諧的二維通帶通道濾光片，是以Fabry---Perot標準具結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的一種全新的設(shè)計方法，它在Fabry---Perot標準具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用雙對稱結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
Fabry---Perot標準具結(jié)構(gòu)中，如果間隔層兩側(cè)媒質(zhì)的導納相同，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φ1+φ2-2δ＝2kπ (k＝±1，2，3) (2)時，整個膜系的透射率T達最大值由Fabry---Perot標準具結(jié)構(gòu)可以看出來，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)密度和電磁波膜的變化，其兩側(cè)的反射層的多次反射而形成通道。由此可見，一個對稱結(jié)構(gòu)就可以形成一個獨立的通道系列，通道的數(shù)目和位置隨間隔層的厚度變化而變化。而利用基于Fabry---Perot標準具的雙對稱結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整幾個缺陷層厚度可以實現(xiàn)雙通道相對位置的獨立調(diào)整。但由于此雙對稱結(jié)構(gòu)的缺陷層厚度為常數(shù)，因此膜系一旦制作完畢，則兩個通道的位置也就確定了下來，再也無法進行調(diào)整。因此在保證雙對稱的基礎(chǔ)上，另膜系的幾個缺陷層的厚度隨位置的變化而改變，這樣通過移動入射光束與慮光片的相對位置就可以對通道的位置進行調(diào)整。
基于這種設(shè)計思想，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波長光學厚度對應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Fabry---Perot濾光片對稱結(jié)構(gòu)，然后由這兩個結(jié)構(gòu)又組成一個新的對稱結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)稱為雙對稱結(jié)構(gòu)。其中，膜系的缺陷層的厚度不是常數(shù)，通過刻蝕或者在鍍制過程中加入補償板來改變中間層厚度，使得缺陷層的厚度隨著位置的變化而改變，本發(fā)明以缺陷層為立體直角三角形來進行說明。本發(fā)明稱中間的一個缺陷層為D層，其余四個缺陷層為C層，四個C層的厚度變化始終關(guān)于D層保持對稱。本發(fā)明以缺陷層為立體直角鍥形來進行說明。C層和D層都為鍥形，且兩個鍥形在膜平面內(nèi)保持垂直在坐標平面上，C層的厚度隨X軸的增加而增加，D層的厚度隨著Y軸的增加而增加。這樣就可以通過移動入射光束與基板的相對位置來對雙通道慮光片中的任何一個通道的位置進行獨立的調(diào)諧。
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)的二維雙通道窄帶濾光器件。它采用基于Fabry---Perot標準具的雙對稱結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)二維方向上兩個通道系列位置的獨立連續(xù)變化；在保證雙對稱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改變?nèi)毕輰覥和D的厚度，可以在同一個濾光片上實現(xiàn)對雙通道中的任何一個通道的位置進行獨立的調(diào)諧。由于設(shè)計中缺陷的厚度變化在納米量級而濾光片的尺度在厘米量級，因此我們假設(shè)中間層厚度的變化并不改變?nèi)肷涔馐娜肷浣牵慈肷涔馐鶠榇怪比肷洹Ｓ捎谥虚g層厚度的變化會導致通道寬度的大小會與入射光束的大小之間相互關(guān)聯(lián)，為了簡化計算，假設(shè)入射光束大小可以忽略不計。


圖1本發(fā)明所設(shè)計的對稱膜系結(jié)構(gòu)的縱切面局部示意圖和缺陷層的結(jié)構(gòu)示意圖。C層的厚度隨X軸的增加而增加，D層的厚度隨著Y軸的增加而增加。
圖2在X軸方向上適當?shù)囊苿尤肷涔馐?主要沿X軸方向移動，為了保證通道位置不發(fā)生變化可在Y軸方向上進行調(diào)整)，可以在通道的位置不變的情況下調(diào)整通帶的位置。圖示的幾組圖形的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在X軸方向上適當?shù)囊苿尤肷涔馐?，可以在通道位置不變的情況下調(diào)整通帶的位置。圖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。
圖4在濾光片上適當?shù)囊苿尤肷涔馐梢允雇ǖ篮屯◣У奈恢媒惶孀兓?主要是在X軸方向上和Y軸方向上進行交替移動，在移動過程中如果通帶發(fā)生漂移可在X軸方向上進行少量移動來對通帶位置進行修正，如果通道的位置發(fā)生變化可在Y軸上進行移動進行調(diào)整)，如圖4所示。這幾個通道通帶光譜特性圖對應的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，隨著入射光束在濾光片上的移動，可以使通道和通帶的位置發(fā)生交替變化。
具體實施例方式
濾光片的雙通道位置設(shè)計及調(diào)調(diào)諧的具體方法如下設(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厚度。以圖1所示的設(shè)計為例，在此設(shè)計中，截止帶寬度為260nm，設(shè)計波長為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)21/2cL，其中c和d表缺陷層C層和D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變化范圍，來確定c和d的變化范圍；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。因此入射光束在X軸方向上移動的時候，通道的位置可能會發(fā)生漂移可以在Y方向上對入射光束進行調(diào)整，使得通道的位置與需要吻合。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。
本設(shè)計的特點就是在保證雙對稱結(jié)構(gòu)不變的情況下，利用缺陷層的不均勻性使得在同一個濾光片上可實現(xiàn)對通帶通道濾光片中的任一個的位置進行獨立調(diào)諧。
本設(shè)計的特點就是不僅同時實現(xiàn)了通帶和通道，而且通帶或通道的位置可由兩個參數(shù)c和d兩個參數(shù)來控制，利用缺陷層的不均勻性可以在截至帶內(nèi)對濾光片透射光譜中的通帶和通道的位置進行獨立的調(diào)諧。
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)21/2cL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，可以在通道的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?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
1.一種通道相對位置可調(diào)諧的二維通帶通道濾光片，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)的雙對稱結(jié)構(gòu)濾光片膜層，結(jié)構(gòu)為(HL)2cH(LH)2L(HL)2cH(LH)2dL(HL)2cH(LH)2L(HL)2cH(LH)21/2cL。其中通過刻蝕或者在鍍制過程中采用補償?shù)霓k法，使得c層和d層的厚度在兩維方向上發(fā)生連續(xù)變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對位置可調(diào)諧的二維通帶通道濾光片，其特征在于薄膜的軟膜系材料可以用ZnS和MgF2組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對位置可調(diào)諧的二維通帶通道濾光片，其特征在于入射光束在的分別在不同方向上相對于濾光片移動的時候，可以分別獨立改變?nèi)肷潼cc層和d層的厚度，通帶通道濾光片的通帶和透過峰的位置由結(jié)構(gòu)中的c層和d層的厚度來控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對位置可調(diào)諧的二維通帶通道濾光片，其特征在于通過調(diào)整入射光束與濾光片的相對位置，可以在同一個濾光片上對通道和通帶的位置進行獨立的調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠在一個雙通道濾光片上獨立調(diào)整兩個通道相對位置的設(shè)計方法，采用了基于Fabry－Perot標準具的雙對稱結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的窄帶濾光片不同，它通過幾個中間層的厚度的連續(xù)變化來實現(xiàn)對兩個通道的位置進行獨立的連續(xù)的調(diào)整，克服了通道位置調(diào)整所引起的位置相干現(xiàn)象。本發(fā)明介紹了濾光片的設(shè)計思路和具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及在此設(shè)計思想下所計算出的雙通道帶通濾光片的光譜特性等。所設(shè)計的濾光片可應用于光學探測儀器、空間技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號G02B1/10GK1932558SQ200510029638
公開日2007年3月21日 申請日期2005年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者吳永剛, 田國勛, 王占山, 焦宏飛, 張莉, 戚同非 申請人:同濟大學