專利名稱：相對(duì)位置可獨(dú)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(jì)方法，具體涉及一種既有通道又有通帶的濾光片的設(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(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩端為反射層，中間為間隔層，經(jīng)過(guò)反射層的多次反射，通過(guò)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(guò)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(wú)法用此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出通道相對(duì)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(jì)的角度來(lái)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(guò)對(duì)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(duì)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(guò)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(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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)位置，且無(wú)法實(shí)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(dú)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(dú)立調(diào)整的通道通帶濾光片，是以對(duì)稱多層介質(zhì)膜系為基礎(chǔ)的一種新的設(shè)計(jì)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(mén)=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。
在此對(duì)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(duì)稱性在膜系的兩側(cè)引入新的膜層結(jié)構(gòu)來(lái)形成一個(gè)新的通帶。形成通道通帶濾光片。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)的材料組成具有對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)光學(xué)厚度對(duì)應(yīng)的兩種材料的物理厚度。調(diào)整雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)中五個(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(duì)位置。其中兩個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)四個(gè)中間層的厚度均為cH，稱之為中間層c，對(duì)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(dú)立地調(diào)整通道和通帶的位置。該膜系可通過(guò)加入匹配膜層來(lái)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)的通道通帶濾光器件。它采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)通道和通帶位置的獨(dú)立連續(xù)變化；通過(guò)調(diào)整中間層c和d的厚度，可使兩個(gè)通道系列的位置獨(dú)立地變化，適當(dāng)調(diào)整中間層的厚度，可以得到位置獨(dú)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(jìn)行說(shuō)明。


圖1為本發(fā)明的對(duì)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(shí)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(dòng)。
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(dòng)。而右邊的通道逐步向右移動(dòng)。
如圖4所示，這幾個(gè)通道通帶光譜特性圖對(duì)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(jì)及調(diào)整的具體方法如下設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)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(jì)為例，在此設(shè)計(jì)中，截止帶寬度為260nm，波長(zhǎng)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(lái)確定c和d的大??；先確定通道，通過(guò)計(jì)算對(duì)稱結(jié)構(gòu)的中間層d兩側(cè)反射層在通道所在波長(zhǎng)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(guò)此時(shí)所計(jì)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(gè)c層為對(duì)稱中心的對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。求得通帶所在波長(zhǎng)的反射相移，通過(guò)式(2)求出c的大小。由計(jì)算機(jī)模擬可以發(fā)現(xiàn)，通道的位置主要由d的大小來(lái)決定，通帶的位置主要由c的大小來(lái)決定，且通道和通帶的位置可連續(xù)變化。由于計(jì)算c時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算對(duì)象是(HL)2cH(LH)2對(duì)稱結(jié)構(gòu)而非整個(gè)對(duì)稱膜系。因此可在計(jì)算機(jī)上對(duì)c進(jìn)行調(diào)整，使通帶的位置與設(shè)計(jì)要求相吻合。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(duì)為雜質(zhì)，利用傳輸矩陣法，通過(guò)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(diǎn)就是兩個(gè)通道的位置可由兩個(gè)參數(shù)c和d兩個(gè)參數(shù)來(lái)控制，可以獨(dú)立變化，可以在截止帶內(nèi)任意地調(diào)整兩個(gè)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(jì)波長(zhǎng)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(duì)位置可獨(dú)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T(mén)iO2和SiO2組合，組成膜系的結(jié)構(gòu)為以對(duì)稱多層介質(zhì)膜系為基礎(chǔ)的雙對(duì)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(duì)位置可獨(dú)立調(diào)整的通道通帶濾光片，其特征在于相對(duì)位置可獨(dú)立調(diào)整的通道通帶濾光片的通道和通帶透過(guò)峰的位置由結(jié)構(gòu)中的c層和d層的厚度來(lái)調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對(duì)位置可獨(dú)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(jì)吻合，c層和d層的準(zhǔn)確厚度通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行微調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠獨(dú)立調(diào)整濾光片中通道位置與通帶位置的設(shè)計(jì)方法，采用了基于Fabry－Perot標(biāo)準(zhǔn)具的對(duì)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(guò)分別改變幾個(gè)中間層的厚度來(lái)對(duì)通道的位置和通帶的位置進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)整，在實(shí)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(shí)的位置相干現(xiàn)象。本發(fā)明介紹了濾光片的設(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)下所計(jì)算出的通道通帶濾光片的光譜特性等。所設(shè)計(jì)的濾光片可應(yīng)用于光學(xué)探測(cè)儀器、空間技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B5/20GK1629658SQ20041006705
公開(kāi)日2005年6月22日 申請(qǐng)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(guó)勛, 王占山, 林小燕 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)