CN100373184C - 宽截止带双通道带通滤光片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种宽截止带双通道带通滤光片的设计思路和具体的制备方法，以及在此设计思想下所计算出的双通道带通滤光片的光学性能等。本发明的宽截止带双通道带通滤光片成功的抑制了透射峰两端的旁通带，同时具有高的峰值透过率，具有优良的光学性能。可用于光学探测仪器、空间技术等领域。

Description

宽截止带双通道带通滤光片及其制备方法
技术领域
本发明为一种光学滤光片器件，具体涉及一种双通道窄带通滤光片，应用于光学探测、光学测量及空间技术领域。
背景技术
传统的双通道带通滤光片一般有以下两种：
1、基于Fabray-Perot标准具的双通道带通滤光片
最典型的双通道带通滤光片为Fabray---Perot标准具结构。该滤光片为一对称结构，两端为反射层，中间为间隔层，经过反射层的多次反射，通过恰当选取间隔层，该结构可以得到具有双通道透过特性的带通滤光片，但由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效的，因此该滤光片透射峰值两边会出现旁通带。因此，它的透射峰值两边不会有很宽的截止带。
2、Rugate类型的双通道带通滤光片
从设计的角度来讲，也许有着连续折射率结构的Rugate类型的双通道带通滤光片是最诱人的了，因为Rugate滤光片具有完美的数学变换形式。但是由于该类型的双通道带通滤光片所采用的介质要求为折射率渐变材料，不仅在镀制技术上，而且在理论设计上，Rugate类型的双通道带通滤光片要比多层介质MPF困难多了。至今还没有人镀制该类型的双通道带通滤光片。
基于Fabray-Perot标准具的双通道带通滤光片很难在通带两边得到较宽的截止带，从而限制了双通道滤光片的应用光谱范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既具有高的峰值透过，透过峰两端又有宽的截止带的双通道窄带通滤光片结构及其制备方法。
本发明的宽截止带双通道带通滤光片，是基于光子晶体理论而提出的一种全新的窄带滤光片结构。
本发明通过以下技术方案实现，依次包括如下四个步骤：
(a)利用异质结结构设计满足要求的禁带宽度；
(b)在异质结中引入缺陷；
(c)调整缺陷的物理参数，使在需要的波长处有高的透过率。
(d)利用电子束蒸发设备镀制宽截止带双通道窄带通滤光片
如图1所示，其中A、B、C分别为具有不同晶格常数的一维光子晶体，这一结构称为异质结结构；在本发明中异质结结构所包含的一维光子晶体分别为：(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分别为高低折射率材料的1/4波长光学厚度，1H＝nHdH＝1L＝nLdL＝λ/4，λ＝332nm，nH＝2.2、nL＝1.44分别为两种材料的折射率；dH、dL分别为与1/4波长光学厚度对应的两种材料的物理厚度。该异质结结构的光谱满足在400-680nm为不透过。
为了改变异质结结构的传输特性，可以在其中引入缺陷态，这样就得到了具有缺陷的一维异质结结构。利用传输矩阵方法对光谱特性进行计算，本发明中引入的缺陷态分别为：(0.5H 0.5L)，(4.6H 5.2L 5.8H 6L)，(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)。
从而组成本发明的整个膜系结构：(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。该膜系是一种既有宽截止带又有高峰值透过率的双通道带通滤光片。制备过程中，其膜厚的控制可以用晶体振荡器来实现。
本发明中，两种不同介电常数的材料可选用SiO2和TiO2组合及ZnS和MgF2组合。
本发明是一种采用全介质材料的双通道窄带滤光器件。它采用具有掺杂的一维异质结结构，利用异质结结构的带隙特点得到宽的截止带；由于引入的缺陷对异质结结构能带的调制，所以通过引入缺陷态可在宽的截止带中得到两个窄的透过峰。它克服了传统窄带滤光片不能在一个宽截止带中得到窄带滤光的缺点。通过调整缺陷的物理参数，如位置、物理厚度等，可以得到所需要的透过波长。
本发明的宽截止带双通道带通滤光片成功的抑制了透射峰两端的旁通带，具有优良的光学性能，可用于光学探测仪器、空间技术等领域。
附图说明
图1为本发明的具有缺陷态的一维异质结结构。
图2为本发明的双通道带通滤光片的透射谱线。
图3为现有技术的Fabray---Perot结构双通道带通滤光片的透射谱线。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明是如何实现的。
实施例一
所选材料为TiO2、SiO2，其折射率分别为2.2和1.44。当材料给定，1/4周期结构的光子晶体禁带宽度是一定的，但其位置会随着膜层厚度的改变而移动。根据传输矩阵法，选择各组成光子晶体的材料厚度，使各组成光子晶体的禁带相互叠加，覆盖400-680nm的波长范围。从而得到异质结结构：(1H 1L)4、(1.2H 1.2L)4、(1.4H 1.4L)4、(1.6H 1.6L)4和(1.8H 1.8L)9。其中，1H、1L分别为高低折射率材料的1/4波长光学厚度，1H＝nHdH＝1L＝nLdL＝λ/4，λ＝332nm，nH＝2.2、nL＝1.44分别为两种材料的折射率；dH、dL分别为与1/4波长光学厚度对应的两种材料的物理厚度，薄膜的软膜系材料可以用ZnS和MgF2组和。
为了得到在480nm和528nm两个波长处有透过峰，在上述的异质结结构中引入缺陷，缺陷的位置和厚度根据传输矩阵法进行调整。本发明引入三个缺陷分别为：(0.5H 0.5L)、(4.6H 5.2L 5.8H 6L)和(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)。
本发明的整个滤光片膜系结构为：(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。光谱曲线如图2所示，峰位分别为480nm、528nm，峰值透过率均大于90％，半宽度小于2nm、背景透过率小于0.5％的超宽截止带窄带滤光片。
而传统的采用相同的材料的Fabray-Perot截止滤光片，其透过率谱线如图3所示，峰值位置两端透过率小于1％的截止带宽度为60nm。与传统的窄带滤光片相比，本发明所设计的双通道带通滤光片片成功地抑制了透射峰值位两边的旁通带，具有优良的光学性能。
实施例二
本发明膜系结构的制备是在电子束镀膜机上实现。镀膜开始时，用酒精乙醚对基底(K9玻璃)进行清洗，并将表面擦干净，镀膜时将基底加热到200℃～300℃，最佳温度为250℃，调整工件架的转速到20转/分，真空度低于3.0×10-3Pa，利用镀膜机内电子枪对镀膜材料进行加热，第一层先镀制TiO2，物理厚度为37.7nm；第二层镀制SiO2，物理厚度为57.6nm。第三层以后每层膜的物理厚度按本发明膜系结构所给出的光学厚度进行换算。交替的在基底上镀制TiO2，SiO2两种材料。镀制完成后，让其自然冷却到室温，从真空室取出即可。

Claims (4)

1.一种宽截止带双通道带通滤光片，其特征在于：
滤光片薄膜的硬膜系材料为TiO2和SiO2组合，组成膜系的结构为：(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 1.7H1.7L)(1.8H 1.8L)9(1.9H 1.9L)2，其中，(1H 1L)4、(1.2H 1.2L)4、(1.4H 1.4L)4、(1.6H 1.6L)4和(1.8H 1.8L)9组成异质结结构；(0.5H0.5L)、(4.6H 5.2L 5.8H 6L)和(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)组成缺陷结构。
2.一种宽截止带双通道带通滤光片，其特征在于：
滤光片薄膜的软膜系材料为ZnS和MgF2组合，组成膜系的结构为：(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 1.7H1.7L)(1.8H 1.8L)9(1.9H 1.9L)2，其中，(1H 1L)4、(1.2H 1.2L)4、(1.4H 1.4L)4、(1.6H 1.6L)4和(1.8H 1.8L)9组成异质结结构；(0.5H0.5L)、(4.6H 5.2L 5.8H 6L)和(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)组成缺陷结构。
3.一种宽截止带双通道带通滤光片的制备方法，其特征在于：宽截止带双通道带通滤光片的制备是采用电子束镀膜机；镀膜开始时，用酒精乙醚对基底进行清洗，并将表面擦干净，镀膜时将基底加热到200℃～300℃，调整工件架的转速到20转/分，真空度低于3.0×10-3Pa，利用镀膜机内电子枪对镀膜材料进行加热，第一层先镀制TiO2，物理厚度为37.7nm；第二层镀制SiO2，物理厚度为57.6nm；第三层以后每层膜的物理厚度按膜系的结构(1H 1L)2(0.5H 0.5L)(1H 1L)2(0.5H 0.5L)(1.2H 1.2L)4(1.4H 1.4L)4(4.6H 5.2L 5.8H6L)(1.6H 1.6L)4(4.5H 6.15L 1.7H 1.7L)(1.8H 1.8L)9(1.9H 1.9L)2给出的光学厚度进行换算；交替的在基底上镀制TiO2，SiO2两种材料；镀制完成后，让其自然冷却到室温。
4.根据权利要求3所述的宽截止带双通道带通滤光片的制备方法，其特征在于：
镀膜时基底加热的温度为250℃。
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