專利名稱：濾波范圍430～630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體領(lǐng)域，具體涉及實(shí)現(xiàn)對選定頻率単色光高透過的ー維光子晶體光學(xué)濾波器及其該濾波器的制作方法。
背景技術(shù)：
自1987年E. Yablonovitch在研究如何抑制自發(fā)輻射時(shí)和S. John在研究光子局域時(shí)分別獨(dú)立提出光子晶體的概念以來，光子晶體的結(jié)構(gòu)、制備和量子電動(dòng)力學(xué)特性研究開始備受人們關(guān)注并得到廣泛的研究。早期大部分的研究工作都是集中在ニ維和三維光子晶體，直到1998年Fink，Winn，Chigrin等人的工作才開始了ー維光子晶體的研究。一維光子晶體結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，同時(shí)也具備高維光子晶體的性質(zhì)，得到了廣泛的應(yīng)用。光子晶體禁帶形成是因?yàn)槠湔凵渎蕠?yán)格周期性分布，這種嚴(yán)格的周期性結(jié)構(gòu)一旦受到破壞，光子晶體的傳輸特性將發(fā)生改變。常見的ー維光子晶體濾波器都是采用摻雜結(jié)構(gòu)的光子晶體，有意地引入特定的摻雜缺陷改變光子晶體嚴(yán)格周期結(jié)構(gòu)，由此種光子晶體制成的濾波器結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，濾波器效果不明顯，不能夠廣泛制作，并加以推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供采用簡單的無摻雜光子晶體結(jié)構(gòu)，只是改變了一次鍍膜順序，大大降低了加工難度和對精度的要求。根據(jù)需要透過的単色光頻率選擇合適的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)単色光透過的濾波器，對選定頻率単色光透過率達(dá)到100%的濾波效果，采用簡單的無摻雜光子晶體結(jié)構(gòu)，只是改變了一次鍍膜順序，大大降低了加工難度和對精度的要求。根據(jù)需要透過的単色光頻率選擇合適的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單色光透過的濾波器，對選定頻率単色光透過率達(dá)到100%的濾波效果。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是濾波范圍43(T630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器，濾波器包括光子晶體層和鏡頭玻璃，光晶晶體層設(shè)置在鏡頭玻璃表面，光子晶體層由10層A介質(zhì)層和10層B介質(zhì)層相互交替疊加構(gòu)成(AB)5 (BA)5型復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述的A為砷化鎵，B為ニ氧化娃，其中(AB)5表不5層A介質(zhì)和B介質(zhì)交替疊加構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)層，其中A介質(zhì)層的厚度為38. 118nm,B介質(zhì)層的厚度為59. 9nm,該復(fù)合介質(zhì)層設(shè)置在光子晶體層的內(nèi)側(cè)，并與鏡頭玻璃連接；其中(AB)5表示5層A介質(zhì)和B介質(zhì)交替疊加構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)層，其中A介質(zhì)層的厚度為38. 118nm,B介質(zhì)層的厚度為59. 9nm,該復(fù)合介質(zhì)層設(shè)置在光子晶體層外側(cè)。本發(fā)明所述的A介質(zhì)層的折射率為％ = ,B介質(zhì)層的折射率為ち=2.22 ,A介
質(zhì)層的厚度為ひ=兒,4ち，B介質(zhì)層的厚度為= If 4 ,中心波長取532nm。濾波范圍43(T630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器的制作方法，
步驟一、取一個(gè)鏡頭玻璃作為基板，將基板雙面拋光，備用；步驟ニ、將加工好的基板表面進(jìn)行清潔化處理，采用酸性清洗液和去離子水分別清洗基板，然后將基板置于熱板上烘干，溫度65°，時(shí)間10分鐘；
步驟三、將基板放入真空鍍膜機(jī)中，在其ー個(gè)表面上進(jìn)行A介質(zhì)的鍍膜，神化鎵折射率nA = 3.4’中心波長取532nm時(shí)，其鍍膜厚度為= 綱,レ 即38. 118nm，鍍膜后干燥冷卻30
分鐘，然后在基板鍍有a介質(zhì)膜層的表面進(jìn)行B介質(zhì)的鍍膜，ニ氧化硅的折射率乃j = 2.22,中心波長取532nm時(shí)，其鍍膜厚度為■& =即59. 9nm，鍍膜后干燥冷卻30分鐘；
步驟四、按照步驟三的方法交替進(jìn)行A介質(zhì)和B介質(zhì)鍍膜，直至鍍好4層A介質(zhì)膜層和4層B介質(zhì)膜層，在基板上形成結(jié)構(gòu)為fi召J1的光子晶體復(fù)合鍍膜層；
步驟五、在光子晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)鍍膜為fif Jf的基板結(jié)構(gòu)上繼續(xù)進(jìn)行A介質(zhì)神化鎵的鍍膜，厚度為38. 118nm,干燥冷卻30分鐘，在基板上形成結(jié)構(gòu)為fAB^i的光子晶體復(fù)合鍍膜層；
步驟六、在基板上光子晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)鍍膜為fi忍的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行B介質(zhì)ニ氧化硅的鍍膜，厚度為119. 8nm，在基板上形成結(jié)構(gòu)為5的光子晶體復(fù)合鍍膜層；
步驟七、按照步驟三的方法交替進(jìn)行A介質(zhì)和B介質(zhì)鍍膜，直至鍍好5層A介質(zhì)膜層和4層B介質(zhì)膜層，在基板上形成結(jié)構(gòu)為▲的光子晶體復(fù)合鍍膜層，制得表面設(shè)有
(AB)5( Iijj光子晶體結(jié)構(gòu)的濾波器。本發(fā)明的有益效果是
I、采用簡單的無摻雜光子晶體結(jié)構(gòu)，只是改變了一次鍍膜順序，大大降低了加工難度和對精度的要求。根據(jù)需要透過的単色光頻率選擇合適的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)単色光透過的濾波器，對選定頻率単色光透過率達(dá)到100%的濾波效果。2、無摻雜光子晶體結(jié)構(gòu)改變了有意地引入特定的摻雜缺陷改變光子晶體嚴(yán)格周期結(jié)構(gòu)，可完全制得光子晶體禁帶變化制作特定頻率的ー維光子晶體濾波器。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2結(jié)構(gòu)(的透過率隨波長變化曲線；
圖3結(jié)構(gòu)filj/M〗的透過率隨波長變化曲線； 圖中1、光子晶體層，2、玻璃鏡頭。具體實(shí)施方法
如圖所示，濾波范圍43(T630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器，濾波器包括光子晶體層I和鏡頭玻璃2，光晶晶體層I設(shè)置在鏡頭玻璃2表面，光子晶體層I由10層A介質(zhì)層和10層B介質(zhì)層相互交替疊加構(gòu)成(AB) 5 (BA) 5型復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述的A為神化鎵，B為ニ氧化硅，其中(AB) 5表示5層A介質(zhì)和B介質(zhì)交替疊加構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)層，其中A介質(zhì)層的厚度為38. 118nm,B介質(zhì)層的厚度為59. 9nm,該復(fù)合介質(zhì)層設(shè)置在光子晶體層I的內(nèi)側(cè)，并與鏡頭玻璃連接；其中(AB)5表示5層A介質(zhì)和B介質(zhì)交替疊加構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)層，其中A介質(zhì)層的厚度為38. 118nm,B介質(zhì)層的厚度為59. 9nm,該復(fù)合介質(zhì)層設(shè)置在光子晶體層2外側(cè)。所述的A介質(zhì)層的折射率為％ = 3.4, B介質(zhì)層的折射率為％ = 2.22’ A介質(zhì)層的厚度為な=1/4%，B介質(zhì)層的厚度為= Ii 4m￡,中心波長取532nm。濾波范圍43(T630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器的制作方法，
步驟一、取一個(gè)鏡頭玻璃作為基板，將基板雙面拋光，備用；
步驟ニ、將加工好的基板表面進(jìn)行清潔化處理，采用酸性清洗液和去離子水分別清洗基板，然后將基板置于熱板上烘干，溫度65°，時(shí)間10分鐘；
步驟三、將基板放入真空鍍膜機(jī)中，在其ー個(gè)表面上進(jìn)行A介質(zhì)的鍍膜，神化鎵折射率nA = 3,4,中心波長取532nm時(shí)，其鍍膜厚度為OE = 細(xì)％ 即38. 118nm，鍍膜后干燥冷卻30
分鐘，然后在基板鍍有A介質(zhì)膜層的表面進(jìn)行B介質(zhì)的鍍膜，ニ氧化硅的折射率= 2.22’中心波長取532nm時(shí)，其鍍膜厚度為■& = 1/4 ,即59. 9nm，鍍膜后干燥冷卻30分鐘；
步驟四、按照步驟三的方法交替進(jìn)行A介質(zhì)和B介質(zhì)鍍膜，直至鍍好4層A介質(zhì)膜層和4層B介質(zhì)膜層,在基板上形成結(jié)構(gòu)為的光子晶體復(fù)合鍍膜層；
步驟五、在光子晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)鍍膜為fif J4的基板結(jié)構(gòu)上繼續(xù)進(jìn)行A介質(zhì)神化鎵的鍍膜，厚度為38. 118nm,干燥冷卻30分鐘，在基板上形成結(jié)構(gòu)為J!的光子晶體復(fù)合鍍膜層；
步驟六、在基板上光子晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)鍍膜為的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行B介質(zhì)ニ氧化硅的鍍膜，厚度為119. 8nm，為兩層B介質(zhì)的厚度，即一次鍍下兩層的B介質(zhì)，在基板上形成結(jié)構(gòu)為的光子晶體復(fù)合鍍膜層；
步驟七、按照步驟三的方法交替進(jìn)行A介質(zhì)和B介質(zhì)鍍膜，直至鍍好5層A介質(zhì)膜層和4層B介質(zhì)膜層，在基板上形成結(jié)構(gòu)為的光子晶體復(fù)合鍍膜層，制得表面設(shè)有(Iijj光子晶體結(jié)構(gòu)的濾波器。本發(fā)明的真空鍍膜機(jī)采用DM-450型真空鍍膜機(jī)，鐘罩尺寸①450 mm X 540mm，極限真空彡6.5X10-4 Pa，抽氣時(shí)間真空度達(dá)到I. 3 X 10-3 Pa時(shí)，t彡50min。本發(fā)明的鍍膜方法可以由現(xiàn)代真空離子鍍法、真空磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉淀法、溶膠ー凝膠法以及熱壓技術(shù)在重鉛X線防護(hù)玻璃表層鍍膜實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明用傳輸矩陣法仿真了ー維光子晶體的傳輸特性曲線，在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種無摻雜結(jié)構(gòu)的光子晶體光學(xué)濾波器，該無摻雜結(jié)構(gòu)的光子晶體只是改變了一次鍍膜順序，但對光子晶體的周期結(jié)構(gòu)破壞性ー樣很大，產(chǎn)生了缺陷模。結(jié)構(gòu)分別為和(MgBA)5 ,仿真研究這種結(jié)構(gòu)的變化對光子晶體傳輸特性的影響。A為砷化鎵，B為ニ氧化硅折射率分另1J是れa = 3.4,% = 2,22,光子晶體介質(zhì)層厚度分別是j = 1ブ4も，1 = 1/4% 中心波長取532nm。仿真結(jié)果如附圖所示。從附圖2可明顯看到周期數(shù)為10的光子晶體嚴(yán)格周期結(jié)構(gòu)fif 在46(T630nm有明顯的光子禁帶，禁帶中頻段的光透過率幾乎為零，禁帶特征非常明顯。當(dāng)結(jié)構(gòu)改變一次鍍膜順序變?yōu)閰?，從附圖3可明顯看到光子晶體禁帶
中頻率等于中心波長:5] !■的位置上出現(xiàn)了缺陷模，透過率從O急劇增大為1，實(shí)現(xiàn)了對選定中心波長532nm的単色光濾過。傳輸矩陣法(Transfer Matrix Method, TMM)實(shí)質(zhì)是在空間中把麥克斯韋方程做有限差分，然后將其變成傳輸矩陣的形式。把求解光子晶體帶隙計(jì)算轉(zhuǎn)化為本征值求解問題。對Maxwell方程組做離散化，相鄰兩層空間的場之間的關(guān)系可以用ー個(gè)傳輸矩陣來表示。傳輸矩陣可以把一個(gè)層面上的電場和磁場與緊鄰的另ー個(gè)層面上的電場和磁場聯(lián)系起來，如此可以將其外推到整個(gè)光子晶體空間。從而計(jì)算出光子晶體的透射系數(shù)和反射系數(shù)。對于ー維光子晶體周期性結(jié)構(gòu)，有
權(quán)利要求
1.濾波范圍43(T630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器,其特征在于濾波器包括光子晶體層(I)和鏡頭玻璃(2)，光晶晶體層(I)設(shè)置在鏡頭玻璃(2)表面，光子晶體層(I)由10層A介質(zhì)層和10層B介質(zhì)層相互交替疊加構(gòu)成(AB)5 (BA)5型復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述的A為砷化鎵，B為ニ氧化娃，其中(AB)5表示5層A介質(zhì)和B介質(zhì)交替疊加構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)層,其中A介質(zhì)層的厚度為38. 118nm, B介質(zhì)層的厚度為59. 9nm,該復(fù)合介質(zhì)層設(shè)置在光子晶體層(I)的內(nèi)側(cè)，并與鏡頭玻璃連接；其中(AB)5表示5層A介質(zhì)和B介質(zhì)交替疊加構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)層，其中A介質(zhì)層的厚度為38. 118nm,B介質(zhì)層的厚度為59. 9nm,該復(fù)合介質(zhì)層設(shè)置在光子晶體層(2)外側(cè)。
2.如權(quán)利要求I所述的濾波范圍43(T630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器，其特征在干所述的A介質(zhì)層的折射率為 = ，B介質(zhì)層的折射率為ち= 2.22 ,A介質(zhì)層的厚度為，B介質(zhì)層的厚度為b = Af Ans，中心波長取532nm。
3.如權(quán)利要求I所述的濾波范圍43(T630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器的制作方法，其特征在干 步驟一、取一個(gè)鏡頭玻璃作為基板，將基板雙面拋光，備用； 步驟ニ、將加工好的基板表面進(jìn)行清潔化處理，采用酸性清洗液和去離子水分別清洗基板，然后將基板置于熱板上烘干，溫度65°，時(shí)間10分鐘； 步驟三、將基板放入真空鍍膜機(jī)中，在其ー個(gè)表面上進(jìn)行A介質(zhì)的鍍膜，神化鎵折射率ち=3.4，中心波長取532nm時(shí)，其鍍膜厚度為^ =即38. 118nm,鍍膜后干燥冷卻30分鐘，然后在基板鍍有A介質(zhì)膜層的表面進(jìn)行B介質(zhì)的鍍膜，ニ氧化硅的折射率ル= 2.22，中心波長取532nm時(shí)，其鍍膜厚度為b = 1/4. ，即59. 9nm，鍍膜后干燥冷卻30分鐘； 步驟四、按照步驟三的方法交替進(jìn)行A介質(zhì)和B介質(zhì)鍍膜，直至鍍好4層A介質(zhì)膜層和4層B介質(zhì)膜層，在基板上形成結(jié)構(gòu)為(AB),的光子晶體復(fù)合鍍膜層； 步驟五、在光子晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)鍍膜為(AB)i的基板結(jié)構(gòu)上繼續(xù)進(jìn)行A介質(zhì)神化鎵的鍍膜，厚度為38. 118nm，干燥冷卻30分鐘，在基板上形成結(jié)構(gòu)為(AB)iA的光子晶體復(fù)合鍍膜層； 步驟六、在基板上光子晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)鍍膜為的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行B介質(zhì)ニ氧化硅的鍍膜，厚度為119. 8nm，在基板上形成結(jié)構(gòu)為(AB)5B的光子晶體復(fù)合鍍膜層； 步驟七、按照步驟三的方法交替進(jìn)行A介質(zhì)和B介質(zhì)鍍膜，直至鍍好5層A介質(zhì)膜層和4層B介質(zhì)膜層，在基板上形成結(jié)構(gòu)為(AB)5(BA)5的光子晶體復(fù)合鍍膜層，制得表面設(shè)有(AB)5(BA)5光子晶體結(jié)構(gòu)的濾波器。
全文摘要
濾波范圍430~630nm的無摻雜層光子晶體光學(xué)濾波器，濾波器包括光子晶體層和鏡頭玻璃，光晶晶體層設(shè)置在鏡頭玻璃表面，光子晶體層由10層A介質(zhì)層和10層B介質(zhì)層相互交替疊加構(gòu)成(AB)5(BA)5型復(fù)合結(jié)構(gòu)，用傳輸矩陣法仿真了一維光子晶體的傳輸特性曲線，在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種無摻雜結(jié)構(gòu)的光子晶體光學(xué)濾波器，采用簡單的無摻雜光子晶體結(jié)構(gòu)，只是改變了一次光子晶體鍍膜順序，大大降低了加工難度和對精度的要求。根據(jù)需要透過的單色光頻率選擇合適的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單色光透過的濾波器，該一維光子晶體光學(xué)濾波器對選定頻率單色光透過率達(dá)到100%。成熟的鍍膜技術(shù)可以方便地將一維光子晶體膜系加工在光學(xué)透鏡表面，該發(fā)明可廣泛應(yīng)用于需要各種需要單色光透過的光學(xué)儀器。
文檔編號G02B5/20GK102645695SQ201210157929
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者喬曉嵐, 婁麗敏, 宋霄薇, 張瑞, 李萍, 楊曉利, 胡志剛, 雷萬軍 申請人:河南科技大學(xué)