專利名稱：寬截止帶雙通道帶通濾光片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種光學(xué)濾光片器件，具體涉及一種雙通道窄帶通濾光片，應(yīng)用于光學(xué)探測、光學(xué)測量及空間技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的雙通道帶通濾光片一般有以下兩種1、基于Fabray-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的雙通道帶通濾光片最典型的雙通道帶通濾光片為Fabray---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，該結(jié)構(gòu)可以得到具有雙通道透過特性的帶通濾光片，但由于全介質(zhì)多層反射膜只在有限的區(qū)域是有效的，因此該濾光片透射峰值兩邊會出現(xiàn)旁通帶。因此，它的透射峰值兩邊不會有很寬的截止帶。
2、Rugate類型的雙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類型的雙通道帶通濾光片是最誘人的了，因?yàn)镽ugate濾光片具有完美的數(shù)學(xué)變換形式。但是由于該類型的雙通道帶通濾光片所采用的介質(zhì)要求為折射率漸變材料，不僅在鍍制技術(shù)上，而且在理論設(shè)計(jì)上，Rugate類型的雙通道帶通濾光片要比多層介質(zhì)MPF困難多了。至今還沒有人鍍制該類型的雙通道帶通濾光片。
基于Fabray-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的雙通道帶通濾光片很難在通帶兩邊得到較寬的截止帶，從而限制了雙通道濾光片的應(yīng)用光譜范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既具有高的峰值透過，透過峰兩端又有寬的截止帶的雙通道窄帶通濾光片結(jié)構(gòu)及其制備方法。
本發(fā)明的寬截止帶雙通道帶通濾光片，是基于光子晶體理論而提出的一種全新的窄帶濾光片結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，依次包括如下四個步驟(a)利用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求的禁帶寬度；(b)在異質(zhì)結(jié)中引入缺陷；(c)調(diào)整缺陷的物理參數(shù)，使在需要的波長處有高的透過率。
(d)利用電子束蒸發(fā)設(shè)備鍍制寬截止帶雙通道窄帶通濾光片如圖1所示，其中A、B、C分別為具有不同晶格常數(shù)的一維光子晶體，這一結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；在本發(fā)明中異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)所包含的一維光子晶體分別為(1H 1L)4，(1.2H 1.2L)4，(1.4H 1.4L)4，(1.6H 1.6L)4，(1.8H 1.8L)9。1H、1L分別為高低折射率材料的1/4波長光學(xué)厚度，1H＝nHdH＝1L＝nLdL＝λ/4，λ＝332nm，nH＝2.2、nL＝1.44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。該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的光譜滿足在400-680nm為不透過。
為了改變異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的傳輸特性，可以在其中引入缺陷態(tài)，這樣就得到了具有缺陷的一維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。利用傳輸矩陣方法對光譜特性進(jìn)行計(jì)算，本發(fā)明中引入的缺陷態(tài)分別為(0.5H 0.5L)，(4.6H 5.2L 5.8H 6L)，(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)。
從而組成本發(fā)明的整個膜系結(jié)構(gòu)(1H 1L)2(0.5H 0.5L)(1H1L)2(0.5H 0.5L)(1.2H 1.2L)4(1.4H 1.4L)4(4.6H 5.2L 5.8H 6L)(1.6H 1.6L)4(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)(1.8H 1.8L)9(1.9H 1.9L)2。該膜系是一種既有寬截止帶又有高峰值透過率的雙通道帶通濾光片。制備過程中，其膜厚的控制可以用晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明中，兩種不同介電常數(shù)的材料可選用SiO2和TiO2組合及ZnS和MgF2組合。
本發(fā)明是一種采用全介質(zhì)材料的雙通道窄帶濾光器件。它采用具有摻雜的一維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，利用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的帶隙特點(diǎn)得到寬的截止帶；由于引入的缺陷對異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能帶的調(diào)制，所以通過引入缺陷態(tài)可在寬的截止帶中得到兩個窄的透過峰。它克服了傳統(tǒng)窄帶濾光片不能在一個寬截止帶中得到窄帶濾光的缺點(diǎn)。通過調(diào)整缺陷的物理參數(shù)，如位置、物理厚度等，可以得到所需要的透過波長。
本發(fā)明的寬截止帶雙通道帶通濾光片成功的抑制了透射峰兩端的旁通帶，具有優(yōu)良的光學(xué)性能，可用于光學(xué)探測儀器、空間技術(shù)等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明的具有缺陷態(tài)的一維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
圖2為本發(fā)明的雙通道帶通濾光片的透射譜線。
圖3為現(xiàn)有技術(shù)的Fabray---Perot結(jié)構(gòu)雙通道帶通濾光片的透射譜線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)的。
實(shí)施例一所選材料為TiO2、SiO2，其折射率分別為2.2和1.44。當(dāng)材料給定，1/4周期結(jié)構(gòu)的光子晶體禁帶寬度是一定的，但其位置會隨著膜層厚度的改變而移動。根據(jù)傳輸矩陣法，選擇各組成光子晶體的材料厚度，使各組成光子晶體的禁帶相互疊加，覆蓋400-680nm的波長范圍。從而得到異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(1H 1L)4(1.2H 1.2L)4(1.4H 1.4L)4，(1.6H 1.6L)4(1.8H 1.8L)9。其中，1H、1L分別為高低折射率材料的1/4波長光學(xué)厚度，1H＝nHdH＝1L＝nLdL＝λ/4，λ＝332nm，nH＝2.2、nL＝1.44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，薄膜的軟膜系材料可以用ZnS和MgF2組和。
為了得到在480nm和528nm兩個波長處有透過峰，在上述的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中引入缺陷，缺陷的位置和厚度根據(jù)傳輸矩陣法進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明引入三個缺陷分別為(0.5H 0.5L)，(4.6H 5.2L 5.8H 6L)，(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)。
本發(fā)明的整個膜系結(jié)構(gòu)為(1H 1L)2(0.5H 0.5L)(1H 1L)2(0.5H0.5L)(1.2H 1.2L)4(1.4H 1.4L)4(4.6H 5.2L 5.8H 6L)(1.6H 1.6L)4(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)(1.8H 1.8L)9(1.9H 1.9L)2。光譜曲線如圖2所示，峰位分別為480nm、528nm，峰值透過率均大于90％，半寬度小于2nm、背景透過率小于0.5％的超寬截止帶窄帶濾光片。
而傳統(tǒng)的采用相同的材料的Fabray-Perot截止濾光片，其透過率譜線如圖3所示，峰值位置兩端透過率小于1％的截止帶寬度為60nm。與傳統(tǒng)的窄帶濾光片相比，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的雙通道帶通濾光片片成功地抑制了透射峰值位兩邊的旁通帶，具有優(yōu)良的光學(xué)性能。
實(shí)施例二本發(fā)明膜系結(jié)構(gòu)的制備是在電子束鍍膜機(jī)上實(shí)現(xiàn)。鍍膜開始時，用酒精乙醚對基底(K9玻璃)進(jìn)行清洗，并將表面擦干凈，鍍膜時將基底加熱到200℃～300℃，最佳溫度為250℃，調(diào)整工件架的轉(zhuǎn)速到20轉(zhuǎn)/分，真空度低于3.0×10-3Pa，利用鍍膜機(jī)內(nèi)電子槍對鍍膜材料進(jìn)行加熱，第一層先鍍制TiO2，物理厚度為37.7nm；第二層鍍制SiO2，物理厚度為57.6nm。第三層以后每層膜的物理厚度按本發(fā)明膜系結(jié)構(gòu)所給出的光學(xué)厚度進(jìn)行換算。交替的在基底上鍍制TiO2，SiO2兩種材料。鍍制完成后，讓其自然冷卻到室溫，從真空室取出即可。
權(quán)利要求
1.一種寬截止帶雙通道帶通濾光片，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(1H 1L)2(0.5H 0.5L)(1H 1L)2(0.5H 0.5L)(1.2H 1.2L)4(1.4H1.4L)4(4.6H 5.2L 5.8H 6L)(1.6H 1.6L)4(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)(1.8H 1.8L)9(1.9H 1.9L)2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬截止帶雙通道帶通濾光片，其特征在于薄膜的軟膜系材料可以用ZnS和MgF2組和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬截止帶雙通道帶通濾光片，其特征在于寬截止帶雙通道帶通濾光片兩端的寬截止帶采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)包含的一維光子晶體分別為(1H 1L)4，(1.2H 1.2L)4，(1.4H 1.4L)4，(1.6H 1.6L)4，(1.8H 1.8L)9。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬截止帶雙通道帶通濾光片，其特征在于寬截止帶雙通道帶通濾光片的透過峰由引入缺陷來實(shí)現(xiàn)；引入的缺陷分別為(0.5H 0.5L)，(4.6H 5.2L 5.8H 6L)，(4.5H 6.15L1.7H 1.7L)。
5.一種寬截止帶雙通道帶通濾光片的制備方法，其特征在于寬截止帶雙通道帶通濾光片的的制備是采用電子束鍍膜機(jī)；鍍膜開始時，用酒精乙醚對基底(K9玻璃)進(jìn)行清洗，并將表面擦干凈，鍍膜時將基底加熱到200℃~300℃，調(diào)整工件架的轉(zhuǎn)速到20轉(zhuǎn)/分，真空度低于3.0×10-3Pa，利用鍍膜機(jī)內(nèi)電子槍對鍍膜材料進(jìn)行加熱，第一層先鍍制TiO2，物理厚度為37.7nm；第二層鍍制SiO2，物理厚度為57.6nm；第三層以后每層膜的物理厚度按本發(fā)明膜系所給出的光學(xué)厚度進(jìn)行換算；交替的在基底上鍍制TiO2，SiO2兩種材料；鍍制完成后，讓其自然冷卻到室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬截止帶雙通道帶通濾光片的制備方法，其特征在于鍍膜時基板加熱的最佳溫度為250℃。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種寬截止帶雙通道帶通濾光片的設(shè)計(jì)思路和具體的制備方法，以及在此設(shè)計(jì)思想下所計(jì)算出的雙通道帶通濾光片的光學(xué)性能等。本發(fā)明的寬截止帶雙通道帶通濾光片成功的抑制了透射峰兩端的旁通帶，同時具有高的峰值透過率，具有優(yōu)良的光學(xué)性能?？捎糜诠鈱W(xué)探測儀器、空間技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號G02B5/20GK1556420SQ200410015649
公開日2004年12月22日 申請日期2004年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月6日
發(fā)明者王占山, 王利, 吳永剛 申請人:同濟(jì)大學(xué)