CN102645694B - 滤波范围540～760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器及其制作方法，滤波器包括光子晶体层和镜头玻璃，光晶晶体层设置在镜头玻璃表面，光子晶体层由10层D介质层和10层E介质层相互交替叠加构成（DE）₅（ED）₅型复合结构，所述的D为硫化锌，E为氟化镁,采用简单的无掺杂光子晶体结构，只是改变了一次镀膜顺序，大大降低了加工难度和对精度的要求。根据需要透过的单色光频率选择合适的光子晶体结构参数，实现单色光透过的滤波器，对选定频率单色光透过率达到100%的滤波效果。

Description

滤波范围540～760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光子晶体领域，具体涉及实现对选定频率单色光高透过的一维光子晶体光学滤波器及其该滤波器的制作方法。

背景技术

自1987年E.Yablonovitch在研究如何抑制自发辐射时和S.John在研究光子局域时分别独立提出光子晶体的概念以来，光子晶体的结构、制备和量子电动力学特性研究开始备受人们关注并得到广泛的研究。早期大部分的研究工作都是集中在二维和三维光子晶体，直到1998年 Fink , Winn , Chigrin 等人的工作才开始了一维光子晶体的研究。一维光子晶体结构简单，易于制造，同时也具备高维光子晶体的性质，得到了广泛的应用。

光子晶体禁带形成是因为其折射率严格周期性分布，这种严格的周期性结构一旦受到破坏，光子晶体的传输特性将发生改变。常见的一维光子晶体滤波器都是采用掺杂结构的光子晶体，有意地引入特定的掺杂缺陷改变光子晶体严格周期结构，由此种光子晶体制成的滤波器结构不稳定，滤波器效果不明显，不能够广泛制作，并加以推广。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器，采用简单的无掺杂光子晶体结构，只是改变了一次镀膜顺序，大大降低了加工难度和对精度的要求。根据需要透过的单色光频率选择合适的光子晶体结构参数，实现单色光透过的滤波器，对选定频率单色光透过率达到100%的滤波效果。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器，滤波器包括光子晶体层和镜头玻璃，光晶晶体层设置在镜头玻璃表面，光子晶体层由10层D介质层和10层E介质层相互交替叠加构成（DE）₅（ED）₅型复合结构，所述的D为硫化锌，E为氟化镁,其中（DE）₅表示5层D介质和E介质交替叠加构成的复合介质层，其中D介质层的厚度为67.34nm，E介质层的厚度为114.674nm，该复合介质层设置在光子晶体层的内侧，并与镜头玻璃连接；其中（ED）₅表示5层E介质和D介质交替叠加构成的复合介质层，其中D介质层的厚度为67.34nm，E介质层的厚度为114.674nm，该复合介质层设置在光子晶体层外侧。

所述的D介质层的折射率分别是 ，E介质层的折射率为，D介质层的厚度为,E介质层的厚度为，中心波长取633nm。

滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器的制作方法，

步骤一、取一个镜头玻璃作为基板，将基板双面抛光，备用；

步骤二、将加工好的基板表面进行清洁化处理，采用酸性清洗液和去离子水分别清洗基板，然后将基板置于热板上烘干，温度65°，时间10分钟；

步骤三、将基板放入真空镀膜机中，在其一个表面上进行D介质的镀膜，硫化锌折射率，中心波长取633nm时，其镀膜厚度为，即67.34nm，镀膜后干燥冷却30分钟，然后在基板镀有D介质膜层的表面进行E介质的镀膜，氟化镁的折射率，中心波长取633nm时，其镀膜厚度为，即114.674nm，镀膜后干燥冷却30分钟；

步骤四、按照步骤三的方法交替进行D介质和E介质镀膜，直至镀好4层D介质膜层和4层E介质膜层，在基板上形成结构为（DE）₄的光子晶体复合镀膜层；

步骤五、在光子晶体结构已经镀膜为（DE）₄的基板结构上继续进行D介质硫化锌的镀膜，厚度为67.34nm，干燥冷却30分钟，在基板上形成结构为（DE）₄D的光子晶体复合镀膜层；

步骤六、在基板上光子晶体结构已经镀膜为（DE）₄D的结构上进行E介质氟化镁的镀膜，厚度为229.348nm，在基板上形成结构为（DE）₅E的光子晶体复合镀膜层；

步骤七、按照步骤三的方法交替进行D介质和E介质镀膜，直至镀好5层D介质膜层和4层E介质膜层，在基板上形成结构为（DE）₅（ED）₅的光子晶体复合镀膜层，制得表面设有（DE）₅（ED）₅光子晶体结构的滤波器。

本发明的有益效果是：

1、采用简单的无掺杂光子晶体结构，只是改变了一次镀膜顺序，大大降低了加工难度和对精度的要求。根据需要透过的单色光频率选择合适的光子晶体结构参数，实现单色光透过的滤波器，对选定频率单色光透过率达到100%的滤波效果。

2、无掺杂光子晶体结构改变了有意地引入特定的掺杂缺陷改变光子晶体严格周期结构，可完全制得光子晶体禁带变化制作特定频率的一维光子晶体滤波器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2结构的透过率随波长变化曲线；

图3结构的透过率随波长变化曲线；

图中：1、光子晶体层，2、玻璃镜头。

具体实施方法

如图所示，滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器，滤波器包括光子晶体层1和镜头玻璃2，光晶晶体层1设置在镜头玻璃2表面，光子晶体层1由10层D介质层和10层E介质层相互交替叠加构成（DE）₅（ED）₅型复合结构，所述的D为硫化锌，E为氟化镁,其中（DE）₅表示5层D介质和E介质交替叠加构成的复合介质层，其中D介质层的厚度为67.34nm，E介质层的厚度为114.674nm，该复合介质层设置在光子晶体层1的内侧，并与镜头玻璃连接；其中（ED）₅表示5层E介质和D介质交替叠加构成的复合介质层，其中D介质层的厚度为67.34nm，E介质层的厚度为114.674nm，该复合介质层设置在光子晶体层1外侧。

滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器，其特征在于：所述的D介质层的折射率分别是，E介质层的折射率为，D介质层的厚度为,E介质层的厚度为，中心波长取633nm。

滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器的制作方法，其特征在于：

步骤一、取一个镜头玻璃作为基板，将基板双面抛光，备用；

步骤二、将加工好的基板表面进行清洁化处理，采用酸性清洗液和去离子水分别清洗基板，然后将基板置于热板上烘干，温度65°，时间10分钟；

步骤三、将基板放入真空镀膜机中，在其一个表面上进行D介质的镀膜，硫化锌折射率，中心波长取633nm时，其镀膜厚度为，即67.34nm，镀膜后干燥冷却30分钟，然后在基板镀有D介质膜层的表面进行E介质的镀膜，氟化镁的折射率，中心波长取633nm时，其镀膜厚度为，即114.674nm，镀膜后干燥冷却30分钟；

步骤四、按照步骤三的方法交替进行D介质和E介质镀膜，直至镀好4层D介质膜层和4层E介质膜层，在基板上形成结构为（DE）₄的光子晶体复合镀膜层；

步骤五、在光子晶体结构已经镀膜为（DE）₄的基板结构上继续进行D介质硫化锌的镀膜，厚度为67.34nm，干燥冷却30分钟，在基板上形成结构为（DE）₄D的光子晶体复合镀膜层；

步骤六、在基板上光子晶体结构已经镀膜为（DE）₄D的结构上进行E介质氟化镁的镀膜，厚度为229.348nm，即进行两层厚度的E介质镀膜，在基板上形成结构为（DE）₅E的光子晶体复合镀膜层；

步骤七、按照步骤三的方法交替进行D介质和E介质镀膜，直至镀好5层D介质膜层和4层E介质膜层，在基板上形成结构为（DE）₅（ED）₅的光子晶体复合镀膜层，制得表面设有（DE）₅（ED）₅光子晶体结构的滤波器。

本发明的真空镀膜机采用DM-450型真空镀膜机， 钟罩尺寸： Φ 450 mm×540 mm， 极限真空： ≤6.5×10-4 Pa, 抽气时间： 真空度达到1.3×10-3 Pa时， t≤50 min。

本发明的镀膜方法可以由现代真空离子镀法、真空磁控溅射法、真空蒸发法、化学气相沉淀法、溶胶—凝胶法以及热压技术在重铅X线防护玻璃表层镀膜实现。

本发明用传输矩阵法仿真了一维光子晶体的传输特性曲线，在理论分析的基础上设计了一种无掺杂结构的光子晶体光学滤波器，该无掺杂结构的光子晶体只是改变了一次镀膜顺序，但对光子晶体的周期结构破坏性一样很大，产生了缺陷模。结构分别为和，仿真研究这种结构的变化对光子晶体传输特性的影响。

D为硫化锌,E为氟化镁：，,折射率分别是，，光子晶体介质层厚度分别是：,，中心波长取633nm。

仿真结果如附图所示。从附图2可明显看到周期数为10的光子晶体严格周期结构在540~760nm有明显的光子禁带，禁带中频段的光透过率几乎为零，禁带特征非常明显。当结构改变一次镀膜顺序变为时，从附图3可明显看到光子晶体禁带中频率等于中心波长633nm的位置上出现了缺陷模，透过率从0急剧增大为1，实现了对选定中心波长633nm的单色光滤过。

传输矩阵法(Transfer Matrix Method，TMM)实质是在空间中把麦克斯韦方程做有限差分，然后将其变成传输矩阵的形式。把求解光子晶体带隙计算转化为本征值求解问题。对Maxwell方程组做离散化，相邻两层空间的场之间的关系可以用一个传输矩阵来表示。传输矩阵可以把一个层面上的电场和磁场与紧邻的另一个层面上的电场和磁场联系起来，如此可以将其外推到整个光子晶体空间。从而计算出光子晶体的透射系数和反射系数。

对于一维光子晶体周期性结构，有：

               （1）

由可以得到：

反射系数：                       （2）

反 射 率：                                                   （3）

透射系数：                         （4）

透 射 率：                                                   （5）

公式（2）、（4）表示了一维光子晶体的反射和透射性质。对于m层介质构成的周期结构，总厚度为d，由布洛赫定理可以得到：

                     （6）

其中的k为布洛赫波矢，求解式：

                                                （7）

可以得到一维周期性结构的色散关系。

设介质为2层，则有周期结构的传输矩阵为[71]：

        （8）经化简可以得到：

  （9）求解本征值方程可以得到：

                          （10）

Matlab 编程计算便可以一维光子晶体禁带结构。

不同的光子晶体介质材料周期结构产生的禁带宽度不同，选用不同的光子晶体，选择的中心波长必须落在该光子晶体禁带结构内，改变镀膜顺序，在没有掺杂新介质的缺陷层是也可以在光子晶体禁带中产生缺陷模，如图所示，这种缺陷模对光子晶体传输特性的影响很大。

Claims (1)

1.滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器的制作方法，其特征在于：滤波器包括光子晶体层（1）和镜头玻璃（2），光子晶体层（1）设置在镜头玻璃（2）表面，光子晶体层（1）由10层D介质层和10层E介质层相互交替叠加构成（DE）₅（ED）₅型复合结构，所述的D为硫化锌，E为氟化镁,其中（DE）₅表示5层D介质和E介质交替叠加构成的复合介质层，其中D介质层的厚度为67.34nm，E介质层的厚度为114.674nm，该复合介质层设置在光子晶体层（1）的内侧，并与镜头玻璃连接；其中（ED）₅表示5层E介质和D介质交替叠加构成的复合介质层，其中D介质层的厚度为67.34nm，E介质层的厚度为114.674nm，该复合介质层设置在光子晶体层（1）外侧；所述的D介质层的折射率分别是 ，E介质层的折射率为，D介质层的厚度为,E介质层的厚度为，中心波长取633nm；

所述的滤波范围540~760nm的无掺杂层光子晶体光学滤波器的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、取一个镜头玻璃作为基板，将基板双面抛光，备用；

步骤二、将加工好的基板表面进行清洁化处理，采用酸性清洗液和去离子水分别清洗基板，然后将基板置于热板上烘干，温度65°，时间10分钟；

步骤三、将基板放入真空镀膜机中，在其一个表面上进行D介质的镀膜，硫化锌折射率，中心波长取633nm时，其镀膜厚度为，即67.34nm，镀膜后干燥冷却30分钟，然后在基板镀有D介质膜层的表面进行E介质的镀膜，氟化镁的折射率，中心波长取633nm时，其镀膜厚度为，即114.674nm，镀膜后干燥冷却30分钟；

步骤四、按照步骤三的方法交替进行D介质和E介质镀膜，直至镀好4层D介质膜层和4层E介质膜层，在基板上形成结构为（DE）₄的光子晶体复合镀膜层；

步骤五、在光子晶体结构已经镀膜为（DE）₄的基板结构上继续进行D介质硫化锌的镀膜，厚度为67.34nm，干燥冷却30分钟，在基板上形成结构为（DE）₄D的光子晶体复合镀膜层；

步骤六、在基板上光子晶体结构已经镀膜为（DE）₄D的结构上进行E介质氟化镁的镀膜，厚度为229.348nm，在基板上形成结构为（DE）₅E的光子晶体复合镀膜层；

步骤七、按照步骤三的方法交替进行D介质和E介质镀膜，直至镀好5层D介质膜层和4层E介质膜层，在基板上形成结构为（DE）₅（ED）₅的光子晶体复合镀膜层，制得表面设有（DE）₅（ED）₅光子晶体结构的滤波器。