CN1588137A - 通道相对位置可调整的双通道滤光片及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够独立调整双通道滤光片中两个通道相对位置的设计方法，采用了基于Fabry－Perot标准具的双对称结构。与传统的窄带滤光片不同，它通过分别改变几个中间层的厚度来对两个通道的位置进行独立的调整，克服了通道位置调整所引起的位置相干现象。本发明介绍了滤光片的设计和具体的结构，以及所计算出的双通道带通滤光片的光谱特性等。本发明的滤光片可应用于光学探测仪器、空间技术等领域。

Description

通道相对位置可调整的双通道滤光片及其调整方法

技术领域

本发明为一种光学滤光片器件，具体涉及一种通道相对位置可调整的双通道滤光片及其调整方法。在光学仪器、天文、遥感等方面有应用前景。

背景技术

传统的多通道带通滤光片一般有以下两种：

1、基于Fabry-Perot标准具的多通道带通滤光片

最典型的多通道带通滤光片为Fabry---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的物理厚度，该结构可以得到具有多通道透过特性的带通滤光片，但由于所有通道的位置都与这一个间隔层的厚度有关系，这些通道的位置变化是相干的。因此，无法用此结构设计出通道相对位置可调整的滤光片。

2、Rugate类型的多通道带通滤光片

从设计的角度来讲，也许有着连续折射率结构的Rugate类型的多通道带通滤光片是最吸引人的，因为Rugate滤光片具有完美的数学变换形式。但是由于该类型的多通道带通滤光片所采用的介质要求为折射率渐变材料，因此尽管在理论上能够进行设计，但在镀制技术上，要比多层介质多通道带通滤光片困难得多。

1987年S.John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念。由于一维光子晶体在结构上类似于光学多层介质膜，因此从光子晶体的角度出发，通过对一维光子晶体光谱的形成机理，一维光子晶体中的电磁模密度和光子态密度的分析与研究，形成了许多新的技术。在一维光子晶体中插入缺陷层后引起晶体中光子态密度的变化，改变了一维光子晶体的禁带特性，并可以在光子禁带中形成通道。在此基础上，王利等人对一维光子晶体的异质结结构进行了研究。将两种不同介电常数的材料组成具有不同晶格常数的一维光子晶体，通过缺陷层的偶合组成具有掺杂的异质结结构，并利用异质结结构的带隙特点得到宽的截止带。由于杂质对异质结结构能带的调制，所以通过掺杂可在宽的截止带中得到两个窄的通带。它克服了传统窄带滤光片不能在一个宽截止带得到窄带滤光的缺点。并且通过调整缺陷层的位置以及大小，在宽禁带的背景上得到更多的透过通道。

采用光子晶体概念设计窄带滤光片的一个优点是可以预先设计工作波段。原因是光子晶体具有“标度不变性”，如果只改变晶格常数，而维持其他各项参数不变，则光子晶体的能带结构的总体形状不发生改变，只是透过峰的峰位和截止带的位置发生相应移动。

基于Fabry-Perot标准具的多通道带通滤光片以及上述的一维光子晶体的异质结结构难以独立调整各通道的相对位置，从而限制了双通道滤光片的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既具有多通道，又能够独立调整各个通道位置的多通道窄带滤光片及其调整方法。

本发明提出的通道相对位置可调整的双通道滤光片，是以Fabry---Perot标准具结构为基础的一种全新的设计方法，它在Fabry---Perot标准具结构的基础上利用双对称结构来实现。

Fabry---Perot标准具结构中，如果间隔层两侧媒质的导纳相同，则透射率T为：

$T=\frac{T_1{T}_2}{{(1-\sqrt{R_1{R}_2})}^2}\frac{1}{1+\frac{4\sqrt{R_1{R}_2}}{(1-\sqrt{R_1{R}_2})}{\sin }^2\frac{1}{2}({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2-2\mathrm{\δ})}---\left(1\right)$

其中T₁、T₂、R₁、R₂分别为选定膜层两侧的透射率和反射率，φ₁、φ₂分别为两反射膜层的反射相移。

由式(1)可知，若两反射膜层的T₁、T₂、R₁、R₂和反射相移φ₁、φ₂不变，这时能改变的量是选定膜层的有效位相厚度 $\mathrm{\δ}(\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}).$

当    φ₁+φ₂-2δ＝2kπ    (k＝±1，2，3)           (2)时，整个膜系的透射率T达最大值：

由Fabry---Perot标准具结构可以看出，在此对称结构中，间隔层的插入引起了光子晶体中光子态密度和电磁波模的变化，其两侧反射层的多次反射而形成通道。一个对称结构就可以形成一个独立的通道系列，通道的数目和位置随间隔层的厚度变化而变化。要实现双通道位置的独立调整，可以用两个对称结构来实现。这是一种完全不同于传统的双通道带通滤光片的设计方法。

基于这种设计，采用了将两种不同介电常数的材料组成具有双对称结构的滤光片。如图1所示，其中：H、L，分别为高低折射率材料的1/4波长光学厚度，H＝n_Hd_H＝L＝n_Ld_L＝λ/4，n_L＝1.44、n_H＝2.3分别为两种材料的折射率；d_H、d_L分别为与1/4波长光学厚度对应的两种材料的物理厚度。首先由高低折射率材料构成两个Fabry---Perot滤光片对称结构，然后由这两个结构又组成一个新的对称结构，这一结构称为双对称结构。调整双对称结构中三个中间层的厚度，可以改变滤光片透射谱中通道的相对位置。其中两个Fabry---Perot对称结构的中间层的厚度均为cH，称之为中间层c，两个Fabry---Perot结构之间的中间层的厚度为dL，称之为中间层d，分别调整c和d就可以独立地调整两个通道的相对位置。该膜系可通过加入匹配膜层来进行优化。

本发明中，两种不同介电常数的薄膜的硬膜材料可选用SiO₂和TiO₂等材料的组合，软膜材料可选用MgF₂和ZnS等材料的组合。

本发明是一种采用全介质结构的双通道窄带滤光器件。它采用基于Fabry---Perot标准具的双对称结构，来实现两个通道系列位置的独立连续变化；通过分别调整中间层c和d的厚度，可分别使两个通道系列的位置独立连续地变化，适当调整中间层的厚度，可以得到位置独立连续变化的双通道一维光子晶体。

本发明的特点是两个通道的位置分别由两个参数c和d两个参数来控制，可以独立变化，可以在截止带内任意地调整两个通道的位置。

附图说明

图1为已有的Fabry-Perot结构的通道位置与缺陷层厚度的关系图。

图2为本发明的双对称结构示意图。

图3为本发明的双对称结构中c＝1.4H固定而d发生变化时候的双通道带通滤光片的通道变化图。

图4为本发明的双对称结构中d＝0.4L固定而c发生变化时候的双通道带通滤光片的通道变化图。

图5为本发明的双对称结构d和c交替变化时候的通道变化图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明以双通道一维光子晶体为例作进一步进行描述。

由图1中可看到，随着中间层c厚度的增加，通道位置向长波方向移动。然而通道之间的相对间隔始终相同，无法改变。图2为本发明的以Fabry-Perot结构为基础的双对称结构示意图。图3表明随着d由0.3L增加到0.9L，右边的通道由650.65nm移动到708.1nm，然而左边的通道始终在原先的位置保持不动。由图4可看到，随着c由1.4H增加到2.0H，左边的通道由538.7nm移动到600nm，然而右边的通道始终在原先的位置保持不动。在图5中，双对称结构d和c交替变化，由c＝1.4H，d＝0.4L开始，c和d交替增加0.1光学厚度，直到c＝2.0H，d＝0.9L。由图可以看出，通道的位置也在交替地变化，改变一个参数，仅仅改变一个通道的位置，而另外一个通道的位置并不发生变化。

以图3所示为例，滤光片的双通道位置设计及调整的具体方法如下：

首先根据所需的截止带的位置，确定晶格常数的大小即Fabry-Perot结构间隔层两侧的反射膜堆的厚度。图3中，截止带宽度为510-730nm，滤光片的膜层结构为(HL)ⁿcH(LH)ⁿdL(HL)ⁿcH(LH)ⁿ，其中n为整数，c和d是中间层的厚度。截止带位置确定后，再根据所需要的两个通道的位置，来确定c和d的大小；先确定通道1，通过计算(HL)ⁿcH(LH)ⁿ结构的间隔层两侧反射层通道1所在波长的反射相移，由(2)式求得c的大小。确定通道2用同样的方法，不过此时所计算的反射相移是由整个膜系的中间层两侧的两个Fabry-Perot结构产生的，求得通道2所在波长的反射相移，通过(2)式求出d的大小。由计算机模拟可以发现，通道1的位置由c的大小来决定，通道2的位置由d的大小来决定，且通道的位置可连续变化。由于计算c时为简化计算，计算对象是Fabry-Perot结构而非整个双对称膜系。因此可在计算机上对c进行调整，使通道1的位置与设计吻合。所有膜层的厚度均确定后，所用材料可以根据实际条件进行选取。本发明选取的是TiO₂、SiO₂，入射介质为空气ε＝1。TiO₂、SiO₂组成的介质对为杂质，利用传输矩阵法，通过调整杂质的位置、大小，得到具有所需通道参数的滤光片。

本发明是两个通道的位置分别由两个参数c和d两个参数来控制，可以独立变化，可以在截止带内任意地调整两个通道的位置。以结构为(HL)⁷cH(LH)⁷dL(HL)⁷cH(LH)⁷的一维光子晶体为例：

1、通道1位置不变的情况下调整通道2的位置：

设计中心波长λ＝600nm，当c确定的时候通道1的位置并不发生变化，通道2的位置随d的改变而连续变化。当c＝1.4H，d分别等于0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9L时，通道的位置变化如图3所示。

2、通道2位置不变的情况下调整通道1的位置：

设计中心波长λ＝600nm，当d确定的时候通道2的位置并不发生变化，通道1的位置随c的改变而连续变化。当d＝0.6L，c分别等于1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0H时，通道的位置变化如图4所示。

3、两个通道交替变化：

设计中心波长λ＝600nm，当d和c交替变化的时候，通道的位置发生交替移动，以图5为例，由c＝1.4H，d＝0.4L开始，c和d交替增加0.1光学厚度，直到c＝2.0H，d＝0.9L，通道的变化可以看出，改变一个参数，可以对其中的一个通道进行控制，而并不影响另外一个通道的位置。

Claims (4)

1、一种通道相对位置可调整的双通道滤光片，其特征在于：

薄膜的硬膜系材料为TiO₂和SiO₂组合，组成膜系的结构为以Fabry-Perot结构为基础的双对称结构滤光片膜层，结构为：(HL)ⁿcH(LH)ⁿdL(HL)ⁿcH(LH)ⁿ。

2、根据权利要求1所述的通道相对位置可调整的双通道滤光片，其特征在于：

薄膜的软膜系材料可以用ZnS和MgF₂组合。

3、一种通道相对位置可调整的双通道滤光片的调整方法，其特征在于：

相对位置可调整的双通道滤光片的两个透过峰的位置由结构中的c层和d层的厚度来调整。

4、根据权利要求3所述的通道相对位置可调整的双通道滤光片的调整方法，其特征在于：

为使通道1的位置与设计吻合，c层的准确厚度通过计算机进行微调。