CN109270684A - 一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺 - Google Patents

Abstract

一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，1）选用厚度分别为d_A和d_B的材料A和B构成n级Fibonacci序列薄膜的周期单元，由此薄膜周期单元构成一维光子晶体；2）所述的材料A和B可为红外材料、可见光材料或紫外光材料中的一种；3）利用数值和解析方法计算步骤1）的一维光子晶体薄膜的能带和等频率表面，并绘制其等频率表面图；4）根据步骤3）的计算结果，利用材料A和B制备厚度分别为d_A和d_B，周期为m的n级Fibonacci序列薄膜，从而形成准周期薄膜的光学合束器件；这种合束器具有结构简单、设计制备方法简单的特点。

Description

一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制 作工艺

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，涉及一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，具体涉及一种用于红外至紫外波段的Fibonacci序列薄膜结构光学合束器件及其设计、制备方法。

背景技术

激光器的研发和应用是当今技术领域的一个重要方向，而且激光以其良好的光束质量和超强的分辨率给相关的科学研究和工业加工带来了巨大的影响，它促进了一些超快自然现象的观察，提高了工业加工的精度和效率。但在激光的研制领域，如何进一步提高激光器的功率密度仍然是众多研究者所关心的问题。解决的方案有两种，一种是通过多泵浦方式来增加泵浦能量，另一种是将多个激光器输出的激光进行合束。但这两种方法对于固体激光器来说，都需要非常复杂的光路结构来完成，会带来额外的能源损耗，降低能源利用效率，另外，对激光器的稳定性也会带来不利影响。因而迫切需要一种结构简单、效率高、稳定性好的光能合束器件来解决上述难题。本发明即提供了一种可用于多光束合束的器件，其利用光子晶体薄膜所形成的直边等频率表面方法，可以使具有不同发散角，沿不同方向传输的光波统一沿某一特定方向输出；具有结构简单，成本低廉，效率高，设计制备方法简单等特点，从而能较好的解决上述问题。

基于本发明器件的特点，亦可用于太空探测中低密度射线的收集，波分复用器件的信号上载，光束准直等领域。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，该器件除了具有结构简单，制备方便以及效率高等特点外，该器件还具有稳定性高且应用面广等特点。特别是它具有便于调整器件控制波长范围的优势。这使得只需要简单调整一维光子晶体的晶格常数，或者说，只需要调整薄膜的膜层厚度，就可以变换器件的控制波长范围。这一特点进一步加大了该器件使用的灵活性和方便性。

本发明采用的技术方案是：

一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，包括以下步骤：

1)令Fibonacci光学合束器件使用的中心波长为Λ；

2)选择两种适合镀膜的材料A和B，材料A、B在中心波长Λ附近的折射率分别为n_A和n_B，

3)利用步骤2)选定的材料A和B构成n级Fibonacci序列薄膜周期单元，其中，假定由A材料和B材料构成的薄膜厚度分别为d_A和d_B，Fibonacci序列薄膜周期单元的构造方法如下：

0级Fibonacci序列薄膜周期单元由材料A和B构成，膜系的层数为两层，膜系中A、B两种材料的排列顺序可以表示为AB，当采用替代规则后即可产生1级Fibonacci序列薄膜系，1级Fibonacci序列薄膜系仍由A、B两种材料构成，膜系的层数为三层，膜系中A、B两种材料薄膜的排列顺序可以表示为ABA；

所述的材料A和B可为红外材料、可见光材料或紫外材料中的一种；

所述的替代规则为：用材料排列顺序为AB的两层薄膜代替0级Fibonacci序列薄膜系中的A层薄膜，用材料A构成的一层薄膜代替0级Fibonacci序列薄膜系中的B层薄膜，由此构成1级Fibonacci序列薄膜系，在上一级Fibonacci序列薄膜系中使用上述替代规则，就可以构成下一级Fibonacci序列薄膜系；

4)由步骤3)所述的n级Fibonacci序列薄膜周期单元构成一维光子晶体薄膜系，利用数值方法计算该一维光子晶体薄膜系的能带，并根据带隙的位置绘制光子晶体的等频率表面图，利用解析计算方法进行验证；

若该一维光子晶体薄膜的直边等频率表面的无单位频率范围为a/λ∈[f₁，f₂]，其中，a为一维光子晶体的晶格常数，λ为入射波的波长，f₁和f₂为无单位频率，则根据a/Λ＝(f₁+f₂)/2计算出该一维光子晶体的晶格常数a，根据式a/f₂＝Λ₁和式a/f₁＝Λ₂计算出一维光子晶体直边等频率表面所处的实际波长区间λ∈[Λ₁，Λ₂]，由此即可得到Fibonacci序列薄膜光学合束器件所使用的波长区间，若上述n级Fibonacci序列薄膜系由p层膜构成，由Fibonacci序列薄膜的递推关系即可得到厚度d_A和d_B；

另外，可以根据直边等频率表面的范围给出光学合束器件的最大入射角α。具体利用图4作如下说明：

图4中，点化线为垂直于真空和薄膜分界面的法线。若该一维光子晶体薄膜直边等频率表面的无单位频率范围为a/λ∈[f₁，f₂]。则假定图4中的实线圆是无单位频率为a/λ＝f₁的电磁波在真空中的等频率表面，带箭头的直线表示频率为f₁的入射电磁波，箭头指示电磁波的入射方向。而虚线是无单位频率为a/λ＝f₁的电磁波在该一维光子晶体薄膜中的直边等频率表面，也是平行于法线的一条直线。

电磁理论表明，当电磁波入射到两种介质分界面上时，在介质分界面的两侧，入射，反射以及折射电磁波的波矢量沿分界面的切线分量k_x，k_x’和k_x”之间必须保持连续，既有k_x＝k_x’＝k_x”。而直边等频率表面表明，此时，薄膜沿法线方向的等效折射率趋向于无穷大。这说明图4中的虚线只能与一维光子晶体薄膜中的直边等频率表面相交于无限远点。这样，若电磁波以图4中的α角入射，要保证条件k_x＝k_x’＝k_x”成立，则频率为a/λ＝f₁的电磁波的折射角只能为零。从Snell定律的角度出发，若真空的折射率n₀＝1，当频率为a/λ＝f₁的电磁波以α角入射时，要保证Snell定律n₀*sin(α)＝n*sin(β)的成立，则当薄膜的等效折射率n趋向于无穷大时，电磁波的折射角β只能趋于零；同理，当频率为a/λ＝f₁的电磁波以小于α的角度入射时，其折射角也只能为零。但当频率为a/λ＝f₁的电磁波以大于α的角度入射时，由于频率为a/λ＝f₁的电磁波直边等频率表面只到达图4中的虚线位置，因而，入射电磁波只能被全部反射，而不再存在折射波。这样，利用频率为a/λ＝f₁的电磁波在真空的等频率圆与薄膜中直边等频率表面的交点到法线的距离d，以及真空等频率圆的半径r，既可以得到入射角α＝arcsin(d/r)。由此即可得到频率为a/λ＝f₁电磁波的最大入射角。同理，也可得到频率为a/λ＝f₂电磁波的最大入射角。取这两个入射角中较小的一个，即为所要求的最大入射角α。

5)计算膜系透射率，计算膜系透射率的转移矩阵数值方法的公式如下

其中，公式(2)中的B、C为矩阵元，k为第k层膜，i为复数单位，η_j和η_k+1分别为第j层膜和衬底的光学导纳，δ_j为所通过光波在第j层膜中的相移，它可用公式(2)表述出来，公式(2)中λ为入射波的波长，N_j为第j层膜在波长为λ时的折射率，而d_j为第j层膜的厚度，公式(3)中，T为膜系的透射率，η₀为入射一方的光学导纳，由于合束器件放于真空或空气之中，故η₀和η_k+1均可近似看作是真空的光学导纳，利用转移矩阵方法的公式(1)-(3)以及材料折射率的相关数据，用数值方法计算m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系的透射率；

6)根据上述计算结果所得到的材料A和B及其厚度d_A和d_B，选用适当的薄膜制备工艺，如电阻蒸镀，电子束蒸镀；或磁控溅射以及离子束溅射等，用厚度分别为d_A和d_B的材料A和B，制备m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系，即可制备出波长处于区间[Λ₁，Λ₂]的Fibonacci薄膜光学合束器件，该光学合束器件可对处于角度区间[-α，α]的入射光起到光学合束作用。

所述的波长处于区间[Λ₁，Λ₂]的Fibonacci薄膜光学合束器件是由Fibonacci序列准周期(周期)薄膜系构成的。

所述的红外材料采用一氧化硅，二氧化硅，氧化镁，一氧化钛，二氧化钛，硫化锌，氧化锌，硒化锌，氟化镨，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化镧，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化钛，二氧化锆，锗，氧化铟，氧化铟锡OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，五氧化二钽，碳化锗，磷化硼中的一种。

所述的可见光材料采用一氧化硅，二氧化硅，一氧化钛，二氧化钛，硫化锌，氧化锌，硒化锌，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化钍，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化钛，二氧化锆，氧化铟，OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，五氧化二钽中的一种。

所述的紫外材料采用二氧化硅，氧化镁，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化钍，氟化铝，氟化镧，氟化钆，氟化钕，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化锆，锗化锌，OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，熔石英中的一种。

本发明的有如下的一些优点：

1)利用上述方法所设计的光学合束器件的最大优点在于，在设计角度[-α，α]的范围内入射的，波长在[Λ₁，Λ₂]范围内的光线均可沿膜系的特定方向出射，这使得这种光学合束器件的使用极为方便。

2)通过调节一维光子晶体的晶格常数a或薄膜的膜层厚度d_A和d_B，可以方便地设计用于从红外到紫外不同波段的透射式薄膜光学合束器件。

3)利用光子晶体直边等频率表面不同的频率范围，可以在红外至紫外波段设计不同带宽的光学合束器件。

4)本发明的光学合束器件利用成熟的薄膜制备工艺制备，因而其制作方便简单。

附图说明

图1为n级Fibonacci序列薄膜周期单元的构造示意图；其中图1(a)为0级Fibonacci序列薄膜周期单元的横截面图；图1(b)为1级Fibonacci序列薄膜周期单元的横截面图；图1(c)为2级Fibonacci序列薄膜周期单元的横截面图。

图2是2级Fibonacci序列薄膜系构成的一维光子晶体能带图。

图3为2级Fibonacci序列薄膜系一维光子晶体等频率表面；其中图3(a)为等频率表面的二维图；图3(b)为等频率表面的三维图。

图4为红外至紫外波段Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件最大入射角的α计算方法示意图。其中，实线圆是归一化频率为a/λ的真空等频率圆，实直线是真空与光子晶体薄膜的分界面，点化线为真空与薄膜分界面的法线，虚线是归一化频率为a/λ的一维光子晶体的直边二维等频率表面，它平行于点化线，带箭头直线表示入射电磁波及其入射方向。

图5是以3个周期的3级Fibonacci序列薄膜系为例构成的红外至紫外波段Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件一个横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方案对本发明作进一步详细说明。

用于红外至紫外波段的Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件只是一个特定设计的Fibonacci薄膜系。

所述的用于制备Fibonacci薄膜系的两种材料可以根据光学合束器件所要控制的波段进行选择，该波段可以是红外至紫外范围内的任意波段。

用于红外至紫外波段的Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计和制备过程，包括以下步骤：

1)确定光学合束器件的中心波长为Λ。

2)选用两种实际材料A和B。实际材料A和B的选择原则为一方面要求所选的两种材料在光学合束器件所控制的波长范围内有一定的折射率差异，另一方面，两种材料在该波长范围内有尽可能小的吸收系数，根据上述原则：

所述的材料A和B可为红外材料、可见光材料或紫外材料中的一种；

所述的红外材料采用一氧化硅，二氧化硅，氧化镁，一氧化钛，二氧化钛，硫化锌，氧化锌，硒化锌，氟化镨，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化镧，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化钛，二氧化锆，锗，氧化铟，氧化铟锡OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，五氧化二钽，碳化锗，磷化硼中的一种。

所述的可见光材料采用一氧化硅，二氧化硅，一氧化钛，二氧化钛，硫化锌，氧化锌，硒化锌，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化钍，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化钛，二氧化锆，氧化铟，OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，五氧化二钽中的一种。

所述的紫外材料采用二氧化硅，氧化镁，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化钍，氟化铝，氟化镧，氟化钆，氟化钕，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化锆，锗化锌，OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，熔石英中的一种。

3)利用这两种实际材料A和B构成n级Fibonacci序列薄膜周期单元，其中，由A材料和B材料构成的薄膜厚度比值为Δ＝d_A/d_B。Fibonacci序列薄膜周期单元的构造方法如下：0级Fibonacci序列薄膜周期单元由材料A和B构成，周期单元的层数为两层，周期单元中A、B两种材料的排列顺序可以表示为AB，图1(a)为0级Fibonacci序列薄膜周期单元的横截面图，其中，白色部分为A材料构成的薄膜，用图中的字母A表示；而阴影部分为B材料构成的薄膜，用图中的字母B表示。图中的字母d_A和d_B分别表示A和B薄膜的厚度，下同；当采用一定的替代规则后即可产生1级Fibonacci序列薄膜周期单元，1级Fibonacci序列薄膜周期单元仍由A、B两种材料构成，周期单元的层数为三层，周期单元中A、B两种材料薄膜的排列顺序可以表示为ABA，见图1(b)；这里的替代规则为，用材料排列顺序为AB的两层薄膜代替0级Fibonacci序列薄膜周期单元中的A层薄膜，用材料A构成的一层薄膜代替0级Fibonacci序列薄膜周期单元中的B层薄膜，由此构成1级Fibonacci序列薄膜周期单元。这样，在上一级Fibonacci序列薄膜周期单元中使用上述替代规则，就可以构成下一级Fibonacci序列薄膜周期单元，见图1(c)。

4)由上述n级Fibonacci序列薄膜周期单元构成一维光子晶体薄膜系。计算这种一维光子晶体薄膜系的能带，并根据带隙的位置绘制光子晶体的等频率表面图。若该一维光子晶体薄膜的直边等频率表面的无单位频率范围为a/λ∈[f₁，f₂]，其中，a为一维光子晶体的晶格常数，λ为入射波的波长，f₁和f₂为无单位频率。则根据a/Λ＝(f₁+f₂)/2可以计算出这种一维光子晶体的晶格常数a，根据式a/f₂＝Λ₁和式a/f₁＝Λ₂可以计算出一维光子晶体光学合束器件所控制的实际波长区间λ∈[Λ₁，Λ₂]。同时，若上述n级Fibonacci序列薄膜系由p层膜构成，则根据比值Δ以及n级Fibonacci序列薄膜系的构成方法即可得到膜层的厚度d_A和d_B。

另外，可以根据直边等频率表面的范围给出光学合束器件的最大入射角α。具体利用图4作如下说明：

图4中，点化线为垂直于真空和薄膜分界面的法线。若该一维光子晶体薄膜直边等频率表面的无单位频率范围为a/λ∈[f₁，f₂]。则假定图4中的实线圆是无单位频率为a/λ＝f₁的电磁波在真空中的等频率表面，带箭头的直线表示频率为f₁的入射电磁波，箭头指示电磁波的入射方向。而虚线是无单位频率为a/λ＝f₁的电磁波在该一维光子晶体薄膜中的直边等频率表面，也是平行于法线的一条直线【S.Foteinopoulou andC.M.Soukoulis.Negative refraction and left-handed behavior in two-dimensionalphotonic crystals.PHYSICAL REVIEW B 67,2003:235107】。

电磁理论表明【郭硕鸿。《电动力学》。北京：高等教育出版社。1997年】，当电磁波入射到两种介质分界面上时，在介质分界面的两侧，入射，反射以及折射电磁波的波矢量沿分界面的切线分量k_x，k_x’和k_x”之间必须保持连续，既有k_x＝k_x’＝k_x”。而直边等频率表面表明，此时，薄膜沿法线方向的等效折射率趋向于无穷大【Yan Li.Chiral Discriminationof Photonic Crystals and Optical Property of one-dimensional PhotonicCrystals.待发表】。这说明图4中的虚线只能与一维光子晶体薄膜中的直边等频率表面相交于无限远点。这样，若电磁波以图4中的α角入射，要保证条件k_x＝k_x’＝k_x”成立，则频率为a/λ＝f₁的电磁波的折射角只能为零。从Snell定律的角度出发，若真空的折射率n₀＝1，当频率为a/λ＝f₁的电磁波以α角入射时，要保证Snell定律n₀*sin(α)＝n*sin(β)的成立，则当薄膜的等效折射率n趋向于无穷大时，电磁波的折射角β只能趋于零；同理，当频率为a/λ＝f₁的电磁波以小于α的角度入射时，其折射角也只能为零。但当频率为a/λ＝f₁的电磁波以大于α的角度入射时，由于频率为a/λ＝f₁的电磁波直边等频率表面只到达图4中的虚线位置，因而，入射电磁波只能被全部反射，而不再存在折射波。这样，利用频率为a/λ＝f₁的电磁波在真空的等频率圆与薄膜中直边等频率表面的交点到法线的距离d，以及真空等频率圆的半径r，既可以得到入射角α＝arcsin(d/r)。由此即可得到频率为a/λ＝f₁电磁波的最大入射角。同理，也可得到频率为a/λ＝f₂电磁波的最大入射角。取这两个入射角中较小的一个，即为所要求的最大入射角α。

图2是由Fibonacci序列薄膜系构成的一维光子晶体薄膜的能带。其中横坐标为波矢k，纵坐标为无单位频率a/λ，而a为该一维光子晶体的晶格常数，λ为入射波的波长。因此，图2表示的是频率随波矢变化的色散关系。

图2中第二能带的等频率表面图如图3所示。其中，图3(a)是等频率表面的二维图，图3(b)是等频率表面的三维图。在图3(a)中，横、纵坐标分别为波矢k_xa和k_ya，图中曲线为等频率表面，数字为无单位频率a/λ的数值；在图3(b)中，横、纵坐标分别为波矢k_xa和k_ya，而竖直坐标轴为频率轴，单位为a/λ。由图3可以看出，在频率范围为a/λ∈[6.92，7.04]内，等频率表面接近于平直的直线。这样，利用式a/Λ＝(f₁+f₂)/2，a＝pd，a/f₂＝Λ₁和a/f₁＝Λ₂及相关参数就可给出该一维光子晶体的晶格常数a，膜层厚度d_A和d_B及该一维光子晶体负折射率所处的实际波长区间λ∈[Λ₁，Λ₂]。

5)计算膜系透射率。计算膜系透射率的转移矩阵数值方法的公式如下

其中，公式(1)中的B、C为矩阵元。k为第k层膜。i为复数单位。η_j和η_k+1分别为第j层膜和衬底的光学导纳。δ_j为软x射线在第j层膜中的相移，它可以用公式(2)表述出来。公式(2)中λ为入射波的波长，N_j为第j层膜在波长为λ时的折射率，而d_j为第j层膜的厚度。公式(3)中，T为膜系的透射率。η₀为入射一方的光学导纳。这里，由于可以假定透镜是放于真空之中，因而，η₀和η_k+1均可以看作是真空的光学导纳。

这样，利用转移矩阵方法的公式(1)——(3)以及材料的吸收系数，就可以用数值方法计算m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系的透射率。若上述m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系的透射率满足合束器件的要求，则可以根据上述数据制备Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件。

6)当利用等频率表面图给出了该光子晶体的直边等频率表面的归一化频率范围后，即可利用图4的方法计算某一归一化频率的最大入射角α。首先，计算该归一化频率在真空中的等频率圆，如图4中的实线圆，而后将其与直边等频率表面(图4中的虚线)相比较，直边等频率表面与圆的交点到圆心构成一直线，如图4中的带箭头直线，该直线与图4中实直线的法线夹角，既与点化线的夹角即为该频率入射光的最大入射角α，其中，实直线为真空与光子晶体薄膜的分界面。这样，利用直边等频率表面与圆的交点到点化线的距离d，以及实线圆的半径r，即可计算出最大入射角α＝arcsin(d/r)。

7)根据上述计算结果所得到的材料A和B的厚度d_A和d_B，在相适应的透明衬底上，利用薄膜制备工艺，用厚度分别为d_A和d_B的材料A和B，制备m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系。由此即可制备出使用波长在设计范围内的Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件。图5为这种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的一个横截面示意图。其中，白色部分为A材料构成的薄膜，用图中的字母A表示；而阴影部分为B材料构成的薄膜，用图中的字母B表示。a为光子晶体的晶格常数。左侧箭头表示入射光的入射方向，右侧箭头为出射光的出射方向。这样，当入射光的入射角不超过最大入射角α时，则通过该光子晶体薄膜的光线最终均只能沿特定方向出射，如图5所示。

Claims (5)

1.一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)令Fibonacci光学合束器件使用的中心波长为Λ；

2)选择两种适合镀膜的材料A和B，材料A、B在中心波长Λ附近的折射率分别为n_A和n_B，

3)利用步骤2)选定的材料A和B构成n级Fibonacci序列薄膜周期单元，其中，假定由A材料和B材料构成的薄膜厚度分别为d_A和d_B。Fibonacci序列薄膜周期单元的构造方法如下：

0级Fibonacci序列薄膜周期单元由材料A和B构成，膜系的层数为两层，膜系中A、B两种材料的排列顺序可以表示为AB，当采用替代规则后即可产生1级Fibonacci序列薄膜系，1级Fibonacci序列薄膜系仍由A、B两种材料构成，膜系的层数为三层，膜系中A、B两种材料薄膜的排列顺序可以表示为ABA；

所述的材料A和B可为红外材料、可见光材料或紫外材料中的一种；

所述的替代规则为：用材料排列顺序为AB的两层薄膜代替0级Fibonacci序列薄膜系中的A层薄膜，用材料A构成的一层薄膜代替0级Fibonacci序列薄膜系中的B层薄膜，由此构成1级Fibonacci序列薄膜系，在上一级Fibonacci序列薄膜系中使用上述替代规则，就可以构成下一级Fibonacci序列薄膜系；

4)由步骤3)所述的n级Fibonacci序列薄膜周期单元构成一维光子晶体薄膜系，利用数值方法计算该一维光子晶体薄膜系的能带，并根据带隙的位置绘制光子晶体的等频率表面图，利用解析计算方法进行验证；

若该一维光子晶体薄膜的直边等频率表面的无单位频率范围为a/λ∈[f₁，f₂]，其中，a为一维光子晶体的晶格常数，λ为入射波的波长，f₁和f₂为无单位频率，则根据a/Λ＝(f₁+f₂)/2计算出该一维光子晶体的晶格常数a，根据式a/f₂＝Λ₁和式a/f₁＝Λ₂计算出一维光子晶体直边等频率表面所处的实际波长区间λ∈[Λ₁，Λ₂]，由此即可得到Fibonacci序列薄膜光学合束器件所使用的波长区间，若上述n级Fibonacci序列薄膜系由p层膜构成，由Fibonacci序列薄膜的递推关系即可得到厚度d_A和d_B；

5)计算膜系透射率，计算膜系透射率的转移矩阵数值方法的公式如下

其中，公式(2)中的B、C为矩阵元，k为第k层膜，i为复数单位，η_j和η_k+1分别为第j层膜和衬底的光学导纳，δ_j为所通过光波在第j层膜中的相移，它可用公式(2)表述出来，公式(2)中λ为入射波的波长，N_j为第j层膜在波长为λ时的折射率，而d_j为第j层膜的厚度，公式(3)中，T为膜系的透射率，η₀为入射一方的光学导纳，由于合束器件放于真空或空气之中，故η₀和η_k+1均可近似看作是真空的光学导纳，利用转移矩阵方法的公式(1)-(3)以及材料折射率的相关数据，用数值方法计算m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系的透射率；

6)根据上述计算结果所得到的材料A和B及其厚度d_A和d_B，选用适当的薄膜制备工艺，如电阻蒸镀，电子束蒸镀；或磁控溅射以及离子束溅射等，用厚度分别为d_A和d_B的材料A和B，制备m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系，即可制备出波长处于区间[Λ₁，Λ₂]的Fibonacci薄膜光学合束器件，该光学合束器件可对处于角度区间[-α，α]的入射光起到光学合束作用。

2.根据权利要求1所述的一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，其特征在于，所述的波长处于区间[Λ₁，Λ₂]的Fibonacci薄膜光学合束器件是由Fibonacci序列准周期(周期)薄膜系构成的。

3.根据权利要求1所述的一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，其特征在于，所述的红外材料采用一氧化硅，二氧化硅，氧化镁，一氧化钛，二氧化钛，硫化锌，氧化锌，硒化锌，氟化镨，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化镧，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化钛，二氧化锆，锗，氧化铟，氧化铟锡OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，五氧化二钽，碳化锗，磷化硼中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，其特征在于，所述的可见光材料采用一氧化硅，二氧化硅，一氧化钛，二氧化钛，硫化锌，氧化锌，硒化锌，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化钍，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化钛，二氧化锆，氧化铟，OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，五氧化二钽中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，其特征在于，所述的紫外材料采用二氧化硅，氧化镁，二氧化铪，五氧化二铌，三氧化二钇，三氧化二铝，氟化钍，氟化铝，氟化镧，氟化钆，氟化钕，锥冰晶石，冰晶石(六氟合铝酸钠，氟化铝钠)，二氟化铅，二氟化钡，三氟化铝，三氟化铈，二氧化锆，锗化锌，OH-5(二氧化钛+二氧化锆)，OS-10(二氧化钛+二氧化锆)，熔石英中的一种。