CN109212643A - 衰减全反射结构陷波滤光片 - Google Patents

衰减全反射结构陷波滤光片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种衰减全反射结构陷波滤光片，包括棱镜，所述棱镜底面依次镀有覆盖层和导波层，所述棱镜的折射率大于导波层的折射率，所述导波层的折射率大于覆盖层的折射率，所述棱镜、导波层和覆盖层构成棱镜耦合波导结构。该衰减全反射结构陷波滤光片能够满足滤光片窄带宽、大自由光谱范围和高消光比的要求，而且具有优异的带外特性。

Description

衰减全反射结构陷波滤光片
技术领域
本发明涉及一种陷波滤光片，特别是涉及一种衰减全反射结构陷波滤光片。
背景技术
陷波滤光片，通常也被称作带阻或者带抑制滤光片。对反射式陷波滤光片而言，要求其光学特性表现为：在应用波段范围内，滤波片对大部分波长的光具有良好的反射率，而对特定波长范围(阻带)内的光衰减到非常低的水平。对于那些需要滤除激光器发射光的应用来说，陷波滤光片是非常有用的。例如，为了在拉曼光谱实验中获得较好的信噪比，抑制泵浦激光是至关重要的。这可以通过在探测通道上放置一片陷波滤光片来实现。除光谱仪之外，陷波滤光片还经常用于基于激光的荧光仪器和生物医学激光系统。
目前，陷波滤光片的类型包括多层薄膜干涉结构、参杂染料结构、褶皱结构、全息光栅式、光子晶体式、微环耦合波导式和多矩形谐振腔表面等离子体MIM波导等多种结构。这些结构的制备或需要采用复杂镀膜、光刻、反应离子刻蚀等复杂的微加工工艺，制作成本很高，或涉及染料、金属等高吸收材料的使用，容易产生附加的损耗。一般都难以满足滤光片纳米量级带宽(FWHM)、自由光谱范围(FSR)大于200nm，而消光比η>40的要求。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种衰减全反射结构陷波滤光片，满足滤光片窄带宽、大自由光谱范围和高消光比的要求，而且具有优异的带外特性。
本发明技术方案如下：一种衰减全反射结构陷波滤光片，包括棱镜，所述棱镜底面依次镀有覆盖层和导波层，所述棱镜的折射率大于导波层的折射率，所述导波层的折射率大于覆盖层的折射率，所述棱镜、导波层和覆盖层构成棱镜耦合波导结构。
进一步的，所述棱镜的折射率为1.75～1.90。
进一步的，所述导波层的折射率为1.66～1.70，所述导波层消光系数量级为10-4～10-5。
进一步的，所述覆盖层的折射率为1.45～1.60，所述覆盖层消光系数κ→0。
进一步的，为减小损耗，对需要滤除激光器的发射光波长，所述棱镜、导波层和覆盖层均为透明材料。
进一步的，为了提高滤光片消光比，所述棱镜耦合波导结构的辐射损耗等于本征损耗。
优选的，为确保导波层可容纳少数几个导模，同时又能保证较大的自由光谱范围，所述导波层的厚度为0.5μm～1.0μm。
优选的，为减少光能损耗，使光基本垂直棱镜侧腰入射，所述棱镜底角为60°时，所述棱镜耦合波导结构产生的波导中有一个导模的匹配角满足θATR＝60°±0.5°。
本发明技术方案利用由棱镜和镀于棱镜底部两层介质膜组成的棱镜耦合波导结构，当光从棱镜一侧射向底面时，只要入射角等于波导中某一导模的匹配角，光能量就能耦合进波导，反射光中将出现一个凹陷，形成一个衰减全反射(ATR)吸收峰，吸收峰的底所处的位置即是入射激光的波长，其反射率Rmin决定了滤光片的消光比η，吸收峰的半高全宽(FWHM)即是陷波滤光片的带宽，而相邻两个吸收峰的间距即是自由光谱范围(FSR)，消光比可用以下公式表示：
其中，R代表远离ATR峰处的反射率，而Rmin代表ATR峰最小反射率。
本发明所提供的技术方案的优点在于：(1)采用棱镜耦合波导三层材料组成的衰减全反射结构作为陷波滤光片的主体，具有原理清晰、结构简单、制备方便的优势；(2)以低或无损耗材料制备棱镜耦合波导，由导模激发形成的衰减全反射吸收峰具有窄带、消光比高、自由光谱范围大和带外反射率高的特点；(3)利用波导本征损耗等于辐射损耗相等时，ATR峰极小值Rmin＝0的原理，可提高滤光片的消光比。
附图说明
图1为衰减全反射结构陷波滤光片结构示意图。
图2为实施例1的反射率曲线。
图3为实施例2的反射率曲线。
图4为实施例3的反射率曲线。
图5为实施例4的反射率曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1所示，本实施例所涉及的衰减全反射结构陷波滤光片包括棱镜3，棱镜3底面较采用真空镀膜工艺依次镀有覆盖层2和导波层1。棱镜3的两底角为60°，所用材料为ZF7玻璃，低折射率覆盖层2所用材料为二氧化硅(SiO2)，而高折射率导波层1所用材料为氧化铝(Al2O3)。棱镜3、导波层1和覆盖层2构成棱镜耦合波导结构。当光从棱镜3一侧射向底面时，只要入射角等于波导中某一导模的匹配角，光能量就能耦合进波导，反射光中将出现一个凹陷。
实施例1：入射光的波长为λ＝632.8nm，空气的折射率为n0＝1.0，导波层1的折射率n1＝1.65，消光系数(折射率虚部)κ＝1.0×10-4，厚度为h1＝750nm，覆盖层2的折射率为n2＝1.45，消光系数κ＝0，厚度为h2＝651nm，棱镜3折射率为n3＝1.75，若选取TE1模为信号源，其反射率曲线如图2所示，其中导模匹配角θATR＝60.1870°，对应的吸收波长为632.8nm，ATR峰的极小值Rmin<1.0×10-5，而阻带外的反射率R→1。由公式可知消光比η＝50，而带宽DFWHM＝1.2nm，自由光谱范围FSR>200nm。
实施例2：入射光的波长为λ＝632.8nm，空气的折射率为n0＝1.0，导波层1的折射率n1＝1.65，消光系数(折射率虚部)κ＝0.5×10-4，厚度为h1＝750nm，覆盖层2的折射率为n2＝1.45，消光系数κ＝0，厚度为h2＝729nm，棱镜3折射率为n3＝1.75，若选取TE1模为信号源，其反射率曲线如图3所示，其中导模匹配角θATR＝60.1891°，对应的吸收波长为632.8nm，ATR峰的极小值Rmin<1.0×10-5，而阻带外的反射率R→1。由公式可知消光比仍为η＝50，而带宽减小为DFWHM＝0.6nm，自由光谱范围FSR>200nm。
从以上两例可以看出，导波层消光系数减小时，引起本征损耗的减小，为保持η＝50的消光比，必须加厚覆盖层厚度，即减小辐射损耗，使两者尽可能相等，以使Rmin→0。
当棱镜折射率和导波层折射率改变时，可适当改变导波层和覆盖层厚度，并选取合适的导模，仍能得到满意的结果。
实施例3：入射光的波长为λ＝632.8nm，空气的折射率为n0＝1.0，导波层1的折射率n1＝1.70，消光系数(折射率虚部)κ＝0.5×10-4，厚度为h1＝1000nm，覆盖层2的折射率为n2＝1.45，消光系数κ＝0，厚度为h2＝463nm，棱镜3折射率为n3＝1.85，因导波层较厚，故选取TM1模为信号源，其反射率曲线如图4所示，其中导模匹配角θATR＝60.1184°，对应的吸收波长为632.8nm，ATR峰的极小值Rmin<1.0×10-5，而阻带外的反射率R→1。由公式可知消光比仍为η＝50，而带宽增大为DFWHM＝0.7nm，自由光谱范围FSR>200nm。
实施例4：入射光的波长为λ＝632.8nm，空气的折射率为n0＝1.0，导波层1的折射率n1＝1.70，消光系数(折射率虚部)κ＝1.0×10-4，厚度为h1＝1000nm，覆盖层2的折射率为n2＝1.45，消光系数κ＝0，厚度为h2＝412nm，棱镜3折射率为n3＝1.85，因导波层厚度较厚，故选取TM1模为信号源，其反射率曲线如图5所示，其中导模匹配角θATR＝60.1190°，对应的吸收波长为632.8nm，ATR峰的极小值Rmin<1.0×10-5，而阻带外的反射率R→1。由公式可知消光比仍为η＝50，而带宽减小为DFWHM＝1.5nm，自由光谱范围FSR>200nm。

Claims (8)

1.一种衰减全反射结构陷波滤光片，其特征在于，包括棱镜，所述棱镜的底面镀有覆盖层和导波层，所述棱镜的折射率大于导波层的折射率，所述导波层的折射率大于覆盖层的折射率，所述棱镜、导波层和覆盖层构成棱镜耦合波导结构。
2.根据权利要求1所述的衰减全反射结构陷波滤光片，其特征在于，所述棱镜的折射率为1.75～1.90。
3.根据权利要求1所述的衰减全反射结构陷波滤光片，其特征在于，所述导波层的折射率为1.66～1.70，所述导波层消光系数量级为10-4～10-5。
4.根据权利要求1所述的衰减全反射结构陷波滤光片，其特征在于，所述覆盖层的折射率为1.45～1.60，所述覆盖层消光系数κ→0。
5.根据权利要求1所述的衰减全反射结构陷波滤光片，其特征在于，所述棱镜、导波层和覆盖层均为透明材料。
6.根据权利要求1所述的衰减全反射结构陷波滤光片，其特征在于，所述导波层的厚度为0.5μm～1.0μm。
7.根据权利要求1所述的衰减全反射结构陷波滤光片，其特征在于，所述棱镜耦合波导结构的辐射损耗等于本征损耗。
8.根据权利要求1所述的衰减全反射结构陷波滤光片，其特征在于，所述棱镜底角为600时，所述棱镜耦合波导结构产生的波导中有一个导模的匹配角满足θATR＝60°±0.5°。
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