專利名稱：一種多頻銳角空間濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)濾光片領(lǐng)域，更具體的說是一種能夠同時實現(xiàn)頻域濾光和空域濾光的濾光片。
背景技術(shù)：
光子晶體是由不同折射率材料周期排列而成的新型人造材料。其概念最早在1987年提出，目的是控制材料中原子的自發(fā)輻射和在材料中實現(xiàn)光子局域。由于它具有奇特的光學(xué)性質(zhì)，近來受到世界上越來越多科學(xué)家的關(guān)注，成為世界前沿的研究課題之一。
從折射率周期性變化的維度來劃分，光子晶體可以分為一維、二維和三維光子晶體。從結(jié)構(gòu)及計算方法來看，一維光子晶體實際上就是傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜。但是從物理思想的來源來說，一維光子晶體跟傳統(tǒng)光學(xué)薄膜也具有不同點。光子晶體是由固體物理學(xué)中的半導(dǎo)體類比而來，固體物理學(xué)最重要的能帶是由晶體中周期排列原子的周期性勢場作用產(chǎn)生的，即固體物理學(xué)的物理思想本質(zhì)就是原子的周期性排列，利用類比很容易解釋光子晶體的物理本質(zhì)就是光學(xué)材料的周期性排列。由此可見，一維光子晶體是由固體物理學(xué)中的周期性理論導(dǎo)出，而傳統(tǒng)光學(xué)薄膜則主要由多光束干涉理論導(dǎo)出。對同樣一種物體兩種不同描述概念的并存有利于兩者的共同發(fā)展，一是由于傳統(tǒng)薄膜的成熟工藝，為一維光子晶體的發(fā)展提供了有力的工具；二是由于光子晶體相關(guān)概念的引入，給傳統(tǒng)光學(xué)薄膜的設(shè)計提供了更為廣闊思路，而且光子晶體相關(guān)概念的引入，也為傳統(tǒng)薄膜現(xiàn)象提供了更為本質(zhì)的物理解釋，如傳統(tǒng)Fabry-Perot(F-P)薄膜型窄帶濾光片具有比較窄頻的透射峰，其物理本質(zhì)就是下面將要介紹到的周期性結(jié)構(gòu)中引入缺陷導(dǎo)致在禁帶中出現(xiàn)頻率寬度很窄的缺陷態(tài)—窄帶透射峰。
光子帶隙是光子晶體最基本的性質(zhì)之一?！肮庾訋丁钡母拍罱栌昧税雽?dǎo)體晶體中“電子帶隙”的表述。固體物理學(xué)的研究表明，晶體中周期排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢場使得某些頻率的電子不能在晶體中傳輸，這些被禁止的頻率段稱為電子帶隙。當(dāng)光學(xué)材料的介電常數(shù)在空間呈光波長量級的周期性分布時，對于某些頻率的光子同樣不能在該晶體中傳輸，這些被限制的頻率段稱為光子帶隙，所以光子晶體又被稱為“光子帶隙材料”。如果光子晶體原有的周期性或?qū)ΨQ性受到局部破壞，即在光子晶體中引入一定程度的缺陷，在其光子帶隙中就會出現(xiàn)缺陷態(tài)，與缺陷態(tài)頻率相對應(yīng)的光將會被局域在缺陷位置附近，從而使得該處的光場得到極大地增強。一般來說，缺陷態(tài)的頻率寬度很小，態(tài)密度較大。合適地選擇缺陷的結(jié)構(gòu)參數(shù)，就可以對缺陷態(tài)、光子傳播進(jìn)行預(yù)期的控制。類似于三維周期結(jié)構(gòu)中點缺陷、線缺陷、面缺陷概念，一維周期結(jié)構(gòu)中的缺陷被形象地稱為缺陷層。在一維光子晶體中引入破壞其周期性的缺陷層，禁帶中就會形成缺陷態(tài)，有廣泛用途的窄帶通濾波器中的F-P型傳統(tǒng)光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)是帶有缺陷結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，其窄帶透射峰就是一維光子晶體禁帶中缺陷層形成的頻率寬度很小的缺陷態(tài)。帶缺陷一維光子晶體禁帶中缺陷態(tài)的數(shù)目、強度、位置等都可以通過調(diào)節(jié)缺陷層物理幾何參數(shù)而得到調(diào)制，由于帶缺陷一維光子晶體在其禁帶中會出現(xiàn)頻率寬度很小、態(tài)密度較大的缺陷態(tài)，所以用帶缺陷一維光子晶體制作窄帶濾光片成為其應(yīng)用研究之一。
在已有的關(guān)于濾光片的研究中，把濾光片分為兩大部分頻域濾光片和空域濾光片。頻域濾光片是指對不同頻率成分光具有不同強度透射性能的濾光片；空域濾光片是指對不同空間方向的各成分光具有不同強度透射性能的濾光片。
通常說的薄膜濾光片是指頻域濾光片。已有的薄膜頻域濾光片根據(jù)濾波特性的不同可以分為截止濾光片與帶通濾光片兩大類。長波通、短波通濾光片是截止濾光片的兩大分類。根據(jù)截止波長的不同可以設(shè)計很多實際應(yīng)用的濾光片，比如常見的薄膜彩色分光元件、反熱鏡和冷光鏡都屬于截止濾光片帶通濾光片，根據(jù)具體應(yīng)用可以對其通帶特性進(jìn)行實際的設(shè)計，普遍應(yīng)用的有窄帶濾光片、矩形多半波帶通濾光片、紅外帶通濾光片等等。在目前成熟的薄膜理論及工藝條件下，上述各種類型的頻域濾光片都能夠較容易地設(shè)計及鍍制。
空域濾光主要指角度濾光，它對不同角度入射的光具有不同的透射率。空域濾光最早可以追溯到光濾的角度選擇性，其角度選擇性是指法向兩側(cè)具有相同入射角度的光具有不同的透射能力。在一些特殊的光探測場合，空域濾光是不可忽視的重要環(huán)節(jié)。比如一個典型的空間濾波實例-雙透鏡針孔系統(tǒng)，它使光束聚焦后通過針孔，光路中的有害光噪音因聚焦點偏離針孔位置不能通過針孔而實現(xiàn)空間濾波，從而為系統(tǒng)消除噪音。
如果濾光系統(tǒng)能同時具備頻域濾光與空域濾光能力，則濾光系統(tǒng)的噪聲特性將有很大程度的提高，這為一些性噪比要求很高的光探測場合獲得更好的噪聲特性提供了一種方法。如大氣或空間通信、制導(dǎo)武器抗干擾等實際應(yīng)用中，為了制造靈敏度高、噪聲特性好、體積小、重量輕、利于集成的光信號接收器，可以采用具有空間濾波性能的窄帶濾波器來實現(xiàn)較高的性能要求。
目前已報道的能實現(xiàn)空間光濾波功能的設(shè)計很少，而且在已報道的設(shè)計中一般存在制作復(fù)雜或效果不明顯等缺陷。比如利用硅材料構(gòu)成的三維周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)角度濾光，其角寬度可以通過改變結(jié)構(gòu)的厚度和/或者改變硅的阻抗達(dá)到，但該結(jié)構(gòu)對p偏振的角度選擇性不明顯，而且該三維周期結(jié)構(gòu)的制作相對一維結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。又如利用傾斜柱狀結(jié)構(gòu)的金屬膜進(jìn)行角度濾波，這種方法的效果是兩種偏振的透射率都不高，p偏振光不同角度的最大透射率比僅約為3，即不同角度的透射率沒有突變?，F(xiàn)有也有理論設(shè)計的由兩個摻雜一維光子晶體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時兼具了頻域光濾和空域光濾功能，該結(jié)構(gòu)角度濾光性能較好，由于該數(shù)值模擬得出的結(jié)構(gòu)對制備精度要求極高，在一般的鍍膜儀器設(shè)備很難鍍制。通過耦合兩個不同摻雜的一維光子晶體而具有空間濾波能力的濾光片實現(xiàn)了設(shè)計與鍍制，但是該結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)單個頻率的空間濾波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠同時實現(xiàn)多個頻域濾光和空域濾光的濾光片，并且膜層結(jié)構(gòu)簡單，能夠適用于現(xiàn)有光學(xué)鍍膜機。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)其發(fā)明目的。
本發(fā)明公開了一種多頻銳角空間濾光片，其濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)SαM1(LH)S(LH)SαM2(HL)S|A，其中G代表基片，A代表空氣，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，s為鍍膜周期數(shù)，M1、M2分別代表兩個間隔層，或稱為缺陷層，α為間隔層的光學(xué)厚度，其中M1采用高折射率材料H，M2采用低折射率材料L。所述高折射率材料H選用TiO2，折射率nH＝2.35，或Si，折射率nH＝3.4，低折射率材料L選用SiO2，nL＝1.45。鍍膜周期數(shù)s在3～8之間選擇，間隔層的光學(xué)厚度α在5～80之間選擇。
當(dāng)本發(fā)明作為一種兩頻銳角率濾光片時，高折射率材料H選用Si，低折射率材料L選用SiO2，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為9，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)49H(LH)4(LH)49L(HL)4|A。當(dāng)本發(fā)明作為一種三頻銳角率濾光片時，高折射率材料H選用Si，低折射率材料L選用SiO2，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為14，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)414H(LH)4(LH)414L(HL)4|A。當(dāng)本發(fā)明作為一種四頻銳角率濾光片時，高折射率材料H選用Si，低折射率材料L選用SiO2，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為21，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)421H(LH)4(LH)421L(HL)4|A。當(dāng)本發(fā)明作為一種八頻銳角率濾光片時，高折射率材料H選用Si，低折射率材料L選用SiO2，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為51，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)451H(LH)4(LH)451L(HL)4|A。
在目前成熟的薄膜理論及工藝條件下，上述各種實際應(yīng)用濾光片都能夠較容易地設(shè)計、鍍制。傳統(tǒng)光學(xué)薄膜的各種光學(xué)特性都與入射角度具有很大關(guān)系，如普通的多半波帶通濾光片在大角度入射情況下就會出現(xiàn)偏振分離，這樣造成的偏振分離在實際應(yīng)用中需要一些特殊的設(shè)計來減弱或消除；又如具有窄帶濾波能力的普通F-P型濾光片，其透射峰頻率會隨入射角度(入射角度指入射光線與界面法線的夾角)的增大而紫移，而且這種透射峰中心頻率隨入射角度變化而偏移的現(xiàn)象比較明顯，對一般的帶通F-P型濾光片入射角度90°的角度改變可以帶來透射峰中心頻率0.05-0.1ω0的偏移，這樣的濾光片缺陷就是在透射某個角度入射的信號光的同時，也會透射其它角度入射的不同頻率成分的非信號光，系統(tǒng)會有較大的噪聲。本發(fā)明通過耦合兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的F-P型一維光子晶體設(shè)計而成的一維光子晶體結(jié)構(gòu)濾光片能較好的解決上述問題，由于該結(jié)構(gòu)的濾光片具有很好的空域濾光能力，因而可以很大程度地消除噪聲。光法向入射該濾光片時，P與S偏振光的透射率都達(dá)到95％以上，而當(dāng)入射光偏離法向方向一定角度時，P與S偏振光的透射率都基本下降到0，通光角度被限制在法向方向的±3°范圍內(nèi)。
波分復(fù)用是實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行侄危@一點在光通信的實際應(yīng)用中已經(jīng)得到明顯的體現(xiàn)。如果濾光片能夠?qū)Χ鄠€頻率實現(xiàn)空間濾波，則該種濾光片不僅可以提高系統(tǒng)噪聲性能，而且為提高系統(tǒng)處理速度、擴大系統(tǒng)容量提供了一種可能方案。一維光子晶體多摻雜結(jié)構(gòu)具有多通道(頻率)濾波特性，但是這些結(jié)構(gòu)的多頻率透射峰也會隨著入射角度的變化而發(fā)生移動，即沒有角度濾波的能力，不能實現(xiàn)空間濾波。現(xiàn)有雖然也有具有空間濾波和頻率濾波雙功能濾光片，但是只能實現(xiàn)單個透射峰的角度選擇能力，不允許一個角度同時實現(xiàn)多個頻率的空間濾波。本發(fā)明設(shè)計的一維光子晶體結(jié)構(gòu)濾光片則兼有多頻率濾波及空間濾波能力，即能對多個頻率同時實現(xiàn)角度濾波，而且各頻率的角度濾波能力性能良好。光法向入射時，各頻率的P與S偏振光的透射率都達(dá)到95％以上，各頻率信號光通光角度被限制在法向方向的±3°范圍內(nèi)，各頻率信號光透射頻率寬度被限制在±0.001ω0范圍內(nèi)。
本發(fā)明提出多頻率空間濾波的概念，并且基于一維光子晶體與光學(xué)薄膜理論，通過耦合兩個不同缺陷的一維光子晶體，理論上設(shè)計出能夠?qū)Χ鄠€頻率同時實現(xiàn)空間濾波的濾光片。該結(jié)構(gòu)的濾光片只允許入射光中選定的某些頻率成分在法向透射，而不滿足該條件的其他光在很窄角度范圍及很窄的頻帶內(nèi)透射率衰減到極小，偏離法向及透射頻率的光在一個寬的頻帶內(nèi)被完全反射。由于其透射角度小，我們可以形象的稱之為“多頻銳角”透射濾光片。該結(jié)構(gòu)濾光片具有噪聲特性好、角度濾光性能好、體積小、重量輕等特點，特別適用于要求具備較高探測器靈敏度、信噪比和對多個光信號同時操作的場合，如在大氣光通信、太空光通信、制導(dǎo)武器抗干擾等場合具有潛在的應(yīng)用前景。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步。
1.是一種能夠同時實現(xiàn)多個頻域濾光和空域濾光的濾光片；2.光法向入射該濾光片時，P與S偏振光的透射率都達(dá)到95％以上，而當(dāng)入射光偏離法向方向一定角度時，P與S偏振光的透射率都基本下降到0；3.通光角度被限制在法向方向的±3°范圍內(nèi)；4.各頻率信號光透射頻率寬度被限制在±0.001ω0范圍內(nèi)；5.該結(jié)構(gòu)濾光片具有噪聲特性好、角度濾光性能好；6.能夠適用于現(xiàn)有的鍍膜設(shè)備，且鍍膜過程控制簡單，成本低，具有很高的實用性，能夠廣泛推廣；7.具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點，適用面廣，特別是信噪比和對多個光信號同時操作的場合。


圖1為光晶體的理論模型結(jié)構(gòu)；圖2為全介質(zhì)F-P型一維光子晶體缺陷態(tài)數(shù)目與缺陷層厚度的關(guān)系；圖3為本發(fā)明的膜層結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實施例1在不同角度的透射曲線；圖5為實施例1的透射譜；
圖6為實施例2在不同角度的透射曲線；圖7為實施例2的透射譜；圖8為實施例3在不同角度的透射曲線；圖9為實施例3的透射譜；圖10為實施例4的透射。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
首先對本發(fā)明進(jìn)行理論說明。
在
背景技術(shù)：
中描述的光子晶體從折射率周期性變化的維度來劃分，光子晶體可以分為一維、二維和三維光子晶體，分別如圖1中的(a)、(b)和(c)所示。本論文主要研究實現(xiàn)窄帶濾波功能的一維光子晶體。在一維光子晶體中引入破壞其周期性的缺陷層，禁帶中就會形成缺陷態(tài)，有廣泛用途的窄帶通濾波器中的F-P型傳統(tǒng)光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)是帶有缺陷結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，其窄帶透射峰就是一維光子晶體禁帶中缺陷層形成的頻率寬度很小的缺陷態(tài)。帶缺陷一維光子晶體禁帶中缺陷態(tài)的數(shù)目、強度、位置等都可以通過調(diào)節(jié)缺陷層物理幾何參數(shù)而得到調(diào)制，由于帶缺陷一維光子晶體在其禁帶中會出現(xiàn)頻率寬度很小、態(tài)密度較大的缺陷態(tài)，所以用帶缺陷一維光子晶體制作窄帶濾光片成為其應(yīng)用研究之一。
(一)一維光子晶體實現(xiàn)多個窄頻缺陷態(tài)1.概述類似于三維周期結(jié)構(gòu)中點缺陷、線缺陷、面缺陷概念，一維周期結(jié)構(gòu)中的缺陷被形象地稱為缺陷層。禁帶內(nèi)形成多個窄頻缺陷態(tài)還可以通過調(diào)節(jié)缺陷層光學(xué)厚度來實現(xiàn)?？紤]全介質(zhì)一維光子晶體結(jié)構(gòu)(HL)SαM(LH)S或者(LH)SαM(HL)S，選定nH、nL、nM后，改變?nèi)毕輰?間隔層)M的光學(xué)厚度α可以在禁帶內(nèi)形成多窄頻缺陷態(tài)透射峰，如圖2所示，A為結(jié)構(gòu)(HL)33M(LH)3透射譜，B為結(jié)構(gòu)(HL)39M(LH)3透射譜，C為結(jié)構(gòu)(HL)315M(LH)3透射譜，其中nH＝3.4，nL＝1.45，nM＝1.97。由于這種全介質(zhì)帶缺陷一維光子晶體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)薄膜光學(xué)中的F-P結(jié)構(gòu)類似，我們形象地稱這種帶缺陷一維光子晶體為F-P型一維光子晶體。
2.F-P型一維光子晶體中缺陷層對缺陷態(tài)的影響在上面提到F-P型一維光子晶體結(jié)構(gòu)可以在其禁帶內(nèi)出現(xiàn)多個缺陷態(tài)，對其可以做如下的理論解釋。為理解F-P型一維光子晶體結(jié)構(gòu)如何實現(xiàn)多缺陷態(tài)透射峰，有必要首先研究其禁帶寬度。F-P型一維光子晶體本質(zhì)是帶缺陷的一維光子晶體，忽略該結(jié)構(gòu)缺陷對禁帶寬度的影響，則上述F-P型一維光子晶體結(jié)構(gòu)的禁帶，也即一維光子晶體(HL)2S的禁帶。一維光子晶體(HL)2S等效于薄膜光學(xué)中的 周期膜系，則由薄膜理論，F(xiàn)-P型一維光子晶體的禁帶寬度可以表示為Δfλ4=2Δgf0---(1)]]>其中f0為中心頻率，Δg=2πarcsinηH-ηLηH+ηL,]]>Δg為通帶寬度。
由上式易知F-P型一維光子晶體的禁帶寬度與構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)的材料相對折射率 有關(guān)， 越大，則禁帶寬度越寬。
數(shù)學(xué)形式上考慮F-P型一維光子晶體的缺陷態(tài)波長公式 很容易得到各法向透射率極值點的頻率間隔為Δf=c2nMdM]]>(c為真空中光速)，當(dāng)F-P型一維光子晶體法向透射率極值點的頻率間隔小于該F-P型一維光子晶體的禁帶寬度時，即Δf<Δfλ4,]]>禁帶內(nèi)將出現(xiàn)兩個以上缺陷態(tài)。由此可以想象，如果Δf<1mΔfλ4,]]>則在禁帶內(nèi)會出現(xiàn)m個缺陷態(tài)。在F-P型一維光子晶體缺陷層兩側(cè)反射膜系確定之后，其禁帶寬度也就確定了，如果改變?nèi)毕輰拥奈锢砗穸?，也就是改變了各法向透射率極值點的頻率間隔Δf，從而可以通過缺陷層物理厚度的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)缺陷態(tài)數(shù)目的調(diào)節(jié)，如圖2所示通過加大缺陷層的物理厚度使得在禁帶內(nèi)出現(xiàn)多個窄頻缺陷態(tài)。
綜上所述，F(xiàn)-P型一維光子晶體缺陷層物理厚度影響著禁帶內(nèi)缺陷態(tài)的位置及數(shù)目。為了在禁帶內(nèi)出現(xiàn)較多的缺陷態(tài)，一方面我們可以選擇大折射率差的材料來獲得盡可能寬的禁帶寬度；另一方面我們可以減小F-P型一維光子晶體各缺陷態(tài)的頻率間隔，即取較大的缺陷層厚度。
3.F-P型一維光子晶體缺陷態(tài)的半寬度F-P型一維光子晶體缺陷態(tài)半寬度為2Δλ0.5=2λ0mπsin-1(1-R1R22R1R2)---(3)]]>可見F-P型一維光子晶體通帶的半寬度與兩反射膜系的反射率有很大關(guān)系，反射率越高，其缺陷態(tài)頻率寬度越窄。根據(jù)反射膜的性質(zhì)可以知道，要F-P型一維光子晶體的缺陷態(tài)變窄，可以通過增大兩反射膜系的層數(shù)來實現(xiàn)，即增大結(jié)構(gòu)中S的值。
如果兩個反射膜系是對稱的，而且反射膜系的反射率足夠高時，則缺陷態(tài)半寬度可以近似的直接用結(jié)構(gòu)參數(shù)表達(dá)[3] 上式中，x為結(jié)構(gòu)中除掉缺陷層，高折射率層的膜層數(shù)目，由上式可知道，對于結(jié)構(gòu)(LH)SαM(HL)S，在結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，增大高低折射率材料的折射率差也可以壓縮通帶寬度。
綜上所述，增大兩反射膜系的層數(shù)，即增大(LH)SαM(HL)S結(jié)構(gòu)中S的值，可以很大程度上壓縮通帶寬度；增大高低折射率材料的折射率差也可在一定程度上壓縮通帶寬度。
4.F-P型一維光子晶體缺陷態(tài)頻率隨入射角度增大的紫移性質(zhì)由(2)式可以定性的發(fā)現(xiàn)，隨著入射角度的增大，缺陷態(tài)波長將變短，即缺陷態(tài)頻率隨入射角增大有紫移效應(yīng)。下面定量地分析紫移效應(yīng)的影響因素。(2)式用圓頻率可表示為
c為真空中光速，θM為缺陷層中的折射角，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，反射相移1，2為入射角與頻率的函數(shù)。如果兩反射膜系為對稱膜系，則1＝2＝(ω，θ)，由斯涅耳定律n0sinθ0＝nMsinθM(6)上式n0和θ0分別是入射介質(zhì)的折射率和入射角，代入式(5)得 當(dāng)入射角發(fā)生變化時，缺陷態(tài)頻率隨之發(fā)生變化，根據(jù)式(7)可以得出 由(8)式可知，入射角變化時，缺陷態(tài)頻率的偏移量與缺陷層的物理厚度、缺陷層的折射率、兩反射膜系的相移對角度的響應(yīng)性質(zhì)等有關(guān)。數(shù)值計算表明膜系M1|(LH)S|A、M2|(HL)S|A的反射相移對角度具有相同的響應(yīng)性質(zhì)，即缺陷層分別為αM1、αM2的兩類F-P型一維光子晶體反射膜系反射相移對角度具有相同的響應(yīng)性質(zhì)，記M1(ω，θ)、M2(ω，θ)分別為(HL)SαM1(LH)S、(LH)SαM2(HL)S的反射膜系的反射相移，則兩者反射膜系的反射相移對角度的響應(yīng)具有如下性質(zhì) (8)(9)式表明，對于兩個缺陷層折射率不同或厚度不同而其它結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的全介質(zhì)F-P型一維光子晶體結(jié)構(gòu)，如(HL)SαM1(LH)S與(LH)SαM2(HL)S，當(dāng)入射角度變化相同時，兩者相應(yīng)缺陷態(tài)頻率的偏移不同，如圖4，圖6和圖8所示。
(二)多頻率空間濾光片結(jié)構(gòu)的設(shè)計綜合(一)中1，2，3，4四點，我們可以設(shè)計法向多頻率具有角度濾波性能的濾光片結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是把兩個F-P型一維光子晶體結(jié)構(gòu)(HL)SαM1(LH)S與(LH)SαM2(HL)S進(jìn)行耦合而得，其中兩個結(jié)構(gòu)的反射膜系參數(shù)相同，缺陷層的光學(xué)厚度一樣，但是其折射率不同。耦合結(jié)構(gòu)如圖3所示，該耦合結(jié)構(gòu)模型的表達(dá)式為(HL)SαM1(LH)S(LH)SαM2(HL)S。
由(一)中2可知，法向入射時兩種結(jié)構(gòu)會在相同頻率位置出現(xiàn)缺陷態(tài)，當(dāng)入射光偏離法向時，兩種結(jié)構(gòu)的各缺陷態(tài)位置都將移動，由(一)中4知，由于兩種結(jié)構(gòu)的缺陷層折射率不同，入射角在變化相同量的情況下兩種結(jié)構(gòu)的各缺陷態(tài)的偏移量會不相等。設(shè)FM1、FM2分別表示這兩個一維光子晶體，F(xiàn)M1、FM2在法向入射時具有相同的缺陷態(tài)頻率ωi(i標(biāo)注每個結(jié)構(gòu)的多缺陷態(tài))。而當(dāng)入射光偏離法向法向Δθ角度時，F(xiàn)M1各缺陷態(tài)頻率漂移量為 FM2各缺陷態(tài)頻率漂移量為 結(jié)合(9)式，F(xiàn)M1、FM2兩結(jié)構(gòu)各缺陷態(tài)頻率漂移量之差為δωi=|ΔωiM1-ΔωiM2|]]> 假設(shè)FM1、FM2兩結(jié)構(gòu)各缺陷態(tài)的半高透射頻寬為Δω0.5i，那么只要滿足δωi>Δω0.5i,]]>FM1、FM2的缺陷態(tài)都會落在彼此的禁帶范圍內(nèi)，這樣耦合結(jié)構(gòu)在入射光偏離法向一定的角度時各缺陷態(tài)透射峰消失，即具有角度濾波能力。為提高結(jié)構(gòu)的角度濾波性能，即在很小的Δθ范圍內(nèi)滿足條件δωi>Δω0.5i,]]>則由(一)中3知，通過加大F-P型一維光子晶體結(jié)構(gòu)反射膜系的層數(shù)實現(xiàn)。
由(一)中1可知，缺陷層的物理厚度影響著F-P型一維光子晶體禁帶內(nèi)缺陷態(tài)的數(shù)目，所以調(diào)節(jié)缺陷層的物理厚度就可以實現(xiàn)缺陷態(tài)數(shù)目的調(diào)節(jié)。
綜上所述，通過適當(dāng)選取(HL)SαM1(LH)S(LH)SαM2(HL)S結(jié)構(gòu)的參數(shù)就可以實現(xiàn)多頻率空間濾波，頻率數(shù)目以及濾光角度都可以通過調(diào)節(jié)該模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)。在下面的設(shè)計實例中通過調(diào)節(jié)缺陷層的物理厚度分別設(shè)計了兩頻率、三頻率、四頻率和八頻率的空間濾波片結(jié)構(gòu)。
(三)設(shè)計實例實施例1本實施例高折射率材料H選用Si，nH＝3.4，低折射率材料L選用SiO2，nL＝1.45，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為9，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)49H(LH)4(LH)49L(HL)4|A，可以實現(xiàn)兩頻率空間濾波。在法向入射時結(jié)構(gòu)(HL)49H(LH)4和(LH)49L(HL)4的兩個缺陷態(tài)處于相同頻率位置，因而耦合結(jié)構(gòu)在法向入射時出現(xiàn)兩個缺陷態(tài)透射峰。在16°入射時，兩種結(jié)構(gòu)(HL)49H(LH)和(LH)49L(HL)4的兩個缺陷態(tài)都處于對方禁帶中，如圖4，上、下圖分別表示各結(jié)構(gòu)在0°與16°入射情況下的透射曲線，圖中A表示結(jié)構(gòu)(HL)49H(LH)4(LH)49L(HL)4；B表示結(jié)構(gòu)(HL)49H(LH)4；C表示結(jié)構(gòu)(LH)49L(HL)4。耦合結(jié)構(gòu)對斜入射的響應(yīng)成為一個寬的帶隙，帶隙中不再有缺陷態(tài)透射峰。耦合結(jié)構(gòu)對角度與頻率的響應(yīng)如圖5所示，在0.85ω0-1.2ω0，0-60度范圍內(nèi)，只有0.91ω0，1.10ω0兩個頻率的光在法向入射時可以透過，每個缺陷態(tài)透光頻率寬度被限制在±0.0001ω0范圍內(nèi)，透光角度被限制在±3°范圍內(nèi)，最大透射率都超過95％。
實施例2本實施例高折射率材料H選用Si，nH＝3.4，低折射率材料L選用SiO2，nL＝1.45，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為14，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)414H(LH)4(LH)414L(HL)4|A，可以實現(xiàn)三頻率空間濾波。如圖6所示，上、下圖分別表示各結(jié)構(gòu)在0°與16°入射情況下的透射曲線，圖中A表示結(jié)構(gòu)(HL)414H(LH)4(LH)414L(HL)4；B表示結(jié)構(gòu)(HL)414H(LH)4；C表示結(jié)構(gòu)(LH)414L(HL)4。在法向入射時結(jié)構(gòu)(HL)414H(LH)4和(LH)414L(HL)4的三個缺陷態(tài)處于相同頻率位置，因而耦合結(jié)構(gòu)(HL)414H(LH)4(LH)414L(HL)4在法向出現(xiàn)三個缺陷態(tài)透射峰，在16°入射時，結(jié)構(gòu)(HL)414H(LH)4和(LH)414L(HL)4的三個缺陷態(tài)都處于對方禁帶中，耦合結(jié)構(gòu)對斜入射光的響應(yīng)成為一個寬的帶隙，帶隙中不再有缺陷態(tài)透射峰。耦合結(jié)構(gòu)對角度與頻率的響應(yīng)如圖7所示，在0-55度，0.85ω0-1.2ω0范圍內(nèi)，只有0.87ω0，1.0ω0，1.13ω0三個頻率的光在法向入射時可以透過，每個缺陷態(tài)透光頻率寬度被限制在±0.0001ω0范圍內(nèi)，透光角度被限制在±3°范圍內(nèi)，最大透射率都超過95％，其它角度其頻率的光均被反射。
實施例3本實施例高折射率材料H選用Si，nH＝3.4，低折射率材料L選用SiO2，nL＝1.45，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為21，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)421H(LH)4(LH)421L(HL)4|A，可以實現(xiàn)四頻率空間濾波。如圖8所示，上、下圖分別表示各結(jié)構(gòu)在0°與16°入射情況下的透射曲線，圖中A表示結(jié)構(gòu)(HL)421H(LH)4(LH)421L(HL)4；B表示結(jié)構(gòu)(HL)421H(LH)4；C表示結(jié)構(gòu)(LH)421L(HL)4。法向入射時結(jié)構(gòu)(HL)421H(LH)4和(LH)421L(HL)4的四個缺陷態(tài)處于相同頻率位置，因而耦合結(jié)構(gòu)(HL)421H(LH)4(LH)421L(HL)4在法向出現(xiàn)四個缺陷態(tài)透射峰，在16°入射時，結(jié)構(gòu)(HL)421H(LH)4和(LH)421L(HL)4的四個缺陷態(tài)都處于對方禁帶中，耦合結(jié)構(gòu)對斜入射光的響應(yīng)成為一個寬的帶隙，帶隙中不再有缺陷態(tài)透射峰。耦合結(jié)構(gòu)對角度與頻率的響應(yīng)如圖9所示，在0-55度，0.85ω0-1.2ω0范圍內(nèi)，只有0.9ω0，1.0ω0，1.09ω0，1.17ω0四個頻率的光在法向入射時可以透過，每個缺陷態(tài)透光頻率寬度被限制在±0.0001ω0范圍內(nèi)，透光角度被限制在±3°范圍內(nèi)，最大透射率都超過95％，其它角度其頻率的光均被反射。
實施例4本實施例高折射率材料H選用Si，nH＝3.4，低折射率材料L選用SiO2，nL＝1.45，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為51，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)451H(LH)4(LH)451L(HL)4|A，可以實現(xiàn)八頻率空間濾波。法向入射時結(jié)構(gòu)(HL)451H(LH)4和(LH)451L(HL)4的八個缺陷態(tài)處于相同頻率位置，因而耦合結(jié)構(gòu)(HL)451H(LH)4(LH)451L(HL)4在法向出現(xiàn)八個缺陷態(tài)透射峰，在16°入射時，結(jié)構(gòu)(HL)451H(LH)4和(LH)451L(HL)4的八個缺陷態(tài)都處于對方禁帶中，耦合結(jié)構(gòu)對斜入射光的響應(yīng)成為一個寬的帶隙，帶隙中不再有缺陷態(tài)透射峰。0.86ω0-1.14ω0范圍內(nèi)，只有八個頻率的光在法向入射時可以透過，每個缺陷態(tài)透光頻率寬度被限制在±0.0001ω0范圍內(nèi)，透光角度被限制在±3°范圍內(nèi)，最大透射率都超過95％，其它角度其頻率的光均被反射。
權(quán)利要求
1.一種多頻銳角空間濾光片，其特征是濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)sαM1(LH)s(LH)sαM2(HL)s|A，其中G代表基片，A代表空氣，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，s為鍍膜周期數(shù)，M1、M2分別代表兩個間隔層，α為間隔層的光學(xué)厚度，其中M1采用高折射率材料H，M2采用低折射率材料L。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多頻銳角空間濾光片，其特征是所述高折射率材料H選用TiO2或Si，低折射率材料L選用SiO2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多頻銳角空間濾光片，其特征是鍍膜周期數(shù)s在3～8之間選擇，間隔層的光學(xué)厚度α在5～80之間選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多頻銳角空間濾光片，其特征是高折射率材料H選用Si，低折射率材料L選用SiO2，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為9，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)49H(LH)4(LH)49L(HL)4|A。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多頻銳角空間濾光片，其特征是高折射率材料H選用Si，低折射率材料L選用SiO2，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為14，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)414H(LH)4(LH)414L(HL)4|A。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多頻銳角空間濾光片，其特征是高折射率材料H選用Si，低折射率材料L選用SiO2，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為21，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)421H(LH)4(LH)421L(HL)4|A。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多頻銳角空間濾光片，其特征是高折射率材料H選用Si，低折射率材料L選用SiO2，鍍膜周期數(shù)s為4，間隔層的光學(xué)厚度α為51，濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)451H(LH)4(LH)451L(HL)4|A。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)濾光片領(lǐng)域，目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠同時實現(xiàn)多個頻域濾光和空域濾光的濾光片，并且膜層結(jié)構(gòu)簡單，能夠適用于現(xiàn)有光學(xué)鍍膜機。其濾光片的鍍膜層結(jié)構(gòu)為G|(HL)
文檔編號G02B1/10GK1719288SQ20051003624
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月2日
發(fā)明者江紹基, 汪河洲, 劉艷, 李建榮 申請人:中山大學(xué)