CN110488553B - 一种基于金属光栅的可调谐双通道窄带偏振滤光器及调谐方法 - Google Patents

一种基于金属光栅的可调谐双通道窄带偏振滤光器及调谐方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于金属光栅的可调谐双通道窄带偏振滤光器及调谐方法，滤光器依次由基底、HL交替组成的多层反射膜系、下层金属光栅层、可调谐间隔层、上层金属光栅层、HL交替组成的多层反射膜系组成；可调谐间隔层材料为随外加电场材料折射率可变的材料，上下层金属光栅分别作为可调谐间隔层的上下电极层。基于干涉膜系理论并结合亚波长金属光栅类Fabry‑Preot腔共振理论，本发明采用多层膜结合双层金属光栅的结构设计出中心波长可调谐的双通道窄带偏振滤光片。与现有技术相比，本发明光谱性能优良，环境适应性好，结构简单，能够实现中心波长可调谐。

Description

一种基于金属光栅的可调谐双通道窄带偏振滤光器及调谐方法
技术领域
本发明涉及偏振滤光技术领域，具体为一种基于金属光栅的可调谐双通道窄带偏振滤光器及调谐方法。
背景技术
由于光学系统越来越复杂，为了简化光学系统整体结构，提升光学系统的集成度和可靠性，双通道窄带滤光片的应用日益增多。
传统的双通道窄带滤光片主要是根据光的干涉效应，采用多层光学薄膜来设计的。这种制备方法往往中心波长不可调谐，膜层数多，总膜层厚度较厚，尤其是红外波段厚度达几十微米以上，造成环境适应性差且膜层容易脱落，给制备带来极大困难，而且这种方法不能实现偏振滤光，需要在光学系统中增加偏振片，这样就增加了光路的复杂性。
光栅滤光技术具有更窄的光谱线宽，能实现传统滤光片无法实现的亚纳米级光谱滤光宽度。但是单纯的金属光栅滤光中心波长不可调谐，光能损耗大，截止带窄，截止带透过率高。
发明内容
为了克服上述现有技术不足，本发明基于干涉膜系理论并结合亚波长金属光栅类Fabry-Preot腔共振理论，提出采用多层膜结合双层金属光栅的结构设计出中心波长可调谐的双通道窄带偏振滤光片。
本发明的技术方案为：
所述一种基于金属光栅的可调谐双通道窄带偏振滤光器，其特征在于：所述滤光器依次由：基底、HL交替组成的多层反射膜系、下层金属光栅层、可调谐间隔层、上层金属光栅层、HL交替组成的多层反射膜系组成；其中H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，HL交替组成的多层反射膜系结构为(HL)nH，n≥1；所述可调谐间隔层材料为随外加电场材料折射率可变的材料，上下层金属光栅分别作为可调谐间隔层的上下电极层。
对上述基于金属光栅的可调谐双通道窄带偏振滤光器进行调谐的方法，其特征在于：
对于其中一个透射峰的波长λ1，根据以下公式调谐：
Figure BDA0002178307180000021
其中φ1和φ2为上下两个多层反射膜系的反射位相，L为两层金属光栅层的总厚度，d为两层金属光栅层之间的可调谐间隔层厚度，m为正整数；nTM为金属光栅层中TM光的等效折射率，根据公式
Figure BDA0002178307180000022
确定，其中f为金属光栅层的占空比，nm为金属光栅层中的金属折射率，nd为金属光栅层中金属之间介质的折射率；
对于另一个透射峰的波长λ2，根据以下公式调谐：
2neffL+2ndd＝kλ2
其中k为共振模式数，neff为金属光栅层中相邻金属之间狭缝的有效折射率，根据neff＝β/k0确定，其中k0＝2π/λ2，β为复传播常数，根据公式
Figure BDA0002178307180000023
确定，w为金属光栅层中相邻金属之间狭缝宽度。
有益效果
与现有技术相比，本发明光谱性能优良，环境适应性好，结构简单，能够实现中心波长可调谐。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1可调谐双通道窄带滤光器结构；
图2几种不同的光栅电极结构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
可调谐双通道窄带偏振滤光器横截面结构如图1所示，从下往上依次为：基底、HL交替组成的多层反射膜系、下层金属光栅层、可调谐间隔层、上层金属光栅层、HL交替组成的多层反射膜系组成；其中H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，HL交替组成的多层反射膜系结构为(HL)nH，n≥1，反射膜系中心波长为传统窄带滤光片中心波长。
金属光栅电极结构如图2所示，双层金属光栅由下层金属光栅层、可调谐间隔层、上层金属光栅层组成。所述可调谐间隔层材料为随外加电场材料折射率可变的材料，上下层金属光栅分别作为可调谐间隔层的上下电极层，通过上下金属光栅给间隔层施加电场时，间隔层的折射率随电场变化，导致间隔层光学厚度随电场变化，从而使滤光器中心波长改变。
本发明中提出的可调谐双通道窄带偏振滤光器，其双通道透射峰产生机理为：
光入射到亚波长金属光栅表面时，TE偏振光被反射，TM偏振光可以透过，所以对于TM偏振光亚波长金属光栅等效为一介质层。由于亚波长金属光栅偏振透射选择性质，所以采用双层金属光栅代替多层介质窄带滤光片中的间隔层，从而得到透射TM光的双通道窄带偏振滤光片。
对于其中一个透射峰的波长λ1，根据以下公式确定：
Figure BDA0002178307180000031
其中φ1和φ2为上下两个多层反射膜系的反射位相，L为两层金属光栅层的总厚度，d为两层金属光栅层之间的可调谐间隔层厚度，m为正整数；nTM为金属光栅层中TM光的等效折射率，根据等效介质理论，通过公式
Figure BDA0002178307180000032
确定，其中f为金属光栅层的占空比，nm为金属光栅层中的金属折射率，nd为金属光栅层中金属之间介质的折射率。
另一个窄带透射峰机理为：光通过双层金属光栅时，相当于通过一个类Fabry-Preot腔的结构，当入射光波长与双层金属光栅的厚度之间满足谐振公式时，对应的波长形成透射增强峰。所以对于另一个透射峰的波长λ2，根据以下公式确定：
2neffL+2ndd＝kλ2
其中k为共振模式数，neff为金属光栅层中相邻金属之间狭缝的有效折射率，根据neff＝β/k0确定，其中k0＝2π/λ2，β为入射光在亚波长金属狭缝中的复传播常数，根据公式
Figure BDA0002178307180000041
确定，w为金属光栅层中相邻金属之间狭缝宽度。
通过以上分析，我们可以通过合理设计各层厚度以及选择金属光栅层中介质来调节窄带干涉滤光片中心波长λ1；通过设计金属光栅狭缝宽度、各层厚度及狭缝中介质来调节类Fabry-Preot腔透射峰波长λ2，从而实现中心波长可调谐。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种基于金属光栅的可调谐双通道窄带偏振滤光器进行调谐的方法，其特征在于：
所述滤光器依次由：基底、HL交替组成的多层反射膜系、下层金属光栅层、可调谐间隔层、上层金属光栅层、HL交替组成的多层反射膜系组成；其中H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，HL交替组成的多层反射膜系结构为(HL)nH，n≥1；所述可调谐间隔层材料为随外加电场材料折射率可变的材料，上下层金属光栅分别作为可调谐间隔层的上下电极层；
对于滤光器双通道透射峰而言：
其中一个透射峰的波长λ1，根据以下公式调谐：
Figure FDA0004075876360000011
其中φ1和φ2为上下两个多层反射膜系的反射位相，L为两层金属光栅层的总厚度，d为两层金属光栅层之间的可调谐间隔层厚度，m为正整数；nTM为金属光栅层中TM光的等效折射率，根据公式
Figure FDA0004075876360000012
确定，其中f为金属光栅层的占空比，nm为金属光栅层中的金属折射率，nd为金属光栅层中金属之间介质的折射率；
对于另一个透射峰的波长λ2，根据以下公式调谐：
2neffL+2ndd＝kλ2
其中k为共振模式数，neff为金属光栅层中相邻金属之间狭缝的有效折射率，根据neff＝β/k0确定，其中k0＝2π/λ2，β为复传播常数，根据公式
Figure FDA0004075876360000013
确定，w为金属光栅层中相邻金属之间狭缝宽度。
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