CN1811494A - 基于分形结构的多通道位置独立可调滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于分形结构的多通道位置独立可调滤光片，它是以F－P滤光片结构为基础，通过分形规则进行设计，可以较简单地获得通道位置独立可调的双通道、三通道甚至更多通道数的滤光片。克服了传统多通道滤光片通道位置无法独立调节的困难，由于这类滤光片的各个通道位置都独立可调，可以设计制备成通道位置分别与特定波长对应的多通道滤光片，对在光通信、闪电探测和遥感等领域的应用非常有利。
Description
技术领域
本发明涉及光学滤光片，具体是指一基于分形结构的多通道位置独立可调滤光片。
背景技术
多通道滤光片由于可以同时获取多个特定通道的信号，因此是波分复用(WDM)等光通信领域中的重要光学元件之一，同时也是闪电探测和遥感等领域的重要光学元件之一。这类滤光片可以在保持原有系统的基础上获得更多的信息和更高的信噪比，因此可以在简化仪器结构的同时，提高能量的利用率和系统的信噪比，为仪器的小型化、轻量化和提高分辨率提供有效的技术途径。比如双通道窄带滤光片，可以使其两个通道分别与光通信的两个波长1.30μm和1.55μm对应，在不增加部件和改变系统的情况下获取更多信息；也可以使其两个通道分别与闪电两个最强的特征峰777.4nm和868.3nm对应，以大大增强闪电探测时的信号，在背景噪声不变的情况下大大提高闪电探测的信噪比，参见【王少伟，王利，吴永刚，王占山，陈效双，陆卫，“闪电探测用超窄带通滤光片的研制”，光学仪器，26，118(2004)】。
传统的多通道滤光片有二种：一种是基于单个F-P结构的滤光片，这种是最典型的多通道滤光片，该滤光片膜系结构为：
(HL)mαH(LH)m，
或者(LH)mαL(HL)m。
其中(HL)m或(LH)m为反射膜系2，αH或αL为间隔层3，H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，L和H膜层的光学厚度为λ0/4，λ0为设计波长，m为L与H的交替叠层次数，m≥2，α为峰位因子，见图1(a)。其中间隔层3的厚度可以控制滤光片的通道数并调节其通道位置，但由于各个通道的位置都与该间隔层的厚度相关，一旦间隔层的厚度确定，各通道的位置也就确定，调节一个通道的位置必然引起其他通道位置的相应变化，见图2。因此，这种结构无法独立调节某个通道的位置，这样就难以设计出特定通道位置的多通道滤光片。
另一种是基于多个F-P滤光片的级联结构，参见【王懿喆，中国科学院上海技术物理研究所博士学位论文，2005年1月】，这种类型的多通道滤光片与基于单个F-P结构的滤光片类似，同样无法独立调节某个通道的位置，要设计特定通道位置的多通道滤光片相当困难。
由于上述的多通道滤光片都无法独立调节某个通道的位置，难以设计制备出特定通道位置的多通道滤光片，极大地限制了它们的实际应用。
发明内容
为了克服上述多通道滤光片通道位置无法独立调节的困难，本发明的目的是提出一基于分形结构的多通道滤光片，这类滤光片的各个通道位置都可独立改变，因此可以设计制备成通道位置分别与特定波长对应的多通道滤光片。
本发明的多通道滤光片是以F-P滤光片结构为基础的分形结构进行设计的，可以轻易地获得某个通道位置独立改变的双通道、三通道甚至更多通道数的滤光片。
本发明的多通道滤光片包括：基片1，基片上置有通过真空镀膜的膜系，其中双通道滤光片的膜系为：
(HL)mαH(LH)mβL(HL)mαH(LH)m；
或(LH)mαL(HL)mβH(LH)mαL(HL)m。
式中(HL)m或(LH)m为反射膜系2，αH或αL为间隔层3，βL或βH为间隔层4，如图1(b)所示，H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，L和H膜层的光学厚度为λ0/4，λ0为设计波长，m为L与H的交替叠层次数，m≥2，α和β为峰位因子，上述结构是以(HL)mαH(LH)m或者(LH)mαL(HL)m膜系作为分形结构的起点，在设计双通道滤光片时，只需利用另一个间隔层βL将完全相同的两个该结构单元耦合起来，构成一个双通道滤光片膜系。两个αH间隔层厚度共同控制第一个通道的位置，新引入的间隔层βL形成第二个通道，并且改变β值时，可独立改变其通道位置。当单独调节α或β时，可以独立地调节相应的通道位置，而另一个通道位置不会随着改变，带通位置随相应α或β值的增大而红移，且连续可调。这样就可以很容易地设计出通道位置分别为所需通道波长的双通道滤光片，比如可以很容易地设计出通道位置分别为1.30μm和1.55μm的双通道滤光片，或通道位置分别为777.4nm和868.3nm双通道滤光片。
同理，按此分形规则，通过间隔层γL可将完全相同的两个双通道位置独立可调滤光片膜系耦合起来，构成三通道滤光片膜系：
(HL)mαH(LH)mβL(HL)mαH(LH)mγL(HL)mαH(LH)mβL(HL)mαH(LH)m，
或(LH)mαL(HL)mβH(LH)mαL(HL)mγH(LH)mαL(HL)mβH(LH)mαL(HL)m。
其中α、β和γ为峰位因子，四个αH间隔层厚度共同控制第一个通道的位置，两个βL间隔层厚度控制第二个通道的位置，新引入的γL间隔层5控制第三个通道的位置，如图1(c)所示。三个通道的位置可以分别通过α、β或γ进行独立的调节，调节其中某个通道的位置时不会影响到其他两个通道的位置，如图4所示，带通位置随相应α、β或γ值的增大而红移，且连续可调。
通过该简单的分形规则，还可以设计出4、5、…n通道滤光片，这对于设计特定通道位置的多通道滤光片非常有利，这也正是本发明的最大优势所在。
附图说明
图1(a)、(b)、(c)分别为单、双、三通道滤光片的结构示意图。
图2为传统F-P滤光片的带通位置随间隔层厚度中的α值的变化光谱图。
图3为采用分形结构设计出的双通道滤光片的两个通道位置分别随间隔层厚度中的α和β值的变化光谱图。
图4为采用分形结构设计出的三通道滤光片的三个通道位置分别随间隔层厚度中的α、β和γ值的变化光谱图。
具体实施方式
下面以λ0为1400nm设计波长作为实施例结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
膜系的设计：
首先从传统的F-P滤光片出发，单通道滤光片膜系结构为
(HL)mαH(LH)m，
低、高折射率层材料L和H分别选择SiO2和Ta2O5，其折射率分别为1.46和2.16，m＝6。该结构为两个镜面对称的反射膜系(HL)62和中间夹一间隔层αH3，如图1(a)所示，其带通位置随间隔层厚度中的α值的变化如图2所示。
将上述结构作为分形结构的起点，在设计双通道位置独立可调滤光片时，只需利用另一个间隔层βL4将完全相同的两个该结构单元耦合起来，如图1(b)所示，新构成的双通道滤光片的膜系结构为：
(HL)6αH(LH)6βL(HL)6αH(LH)6，
其中两个αH的厚度共同控制第一个通道的位置，新引入的间隔层βL形成另一个通道并可独立控制其位置。当单独调节α或β时，可以在抑制区内独立地调节相应的通道位置，而另一个通道位置不会随之改变，例如当β＝0.5时，α分别取1.5、1.7和1.9可以使第一个通道分别处于抑制区的不同位置，而第二个通道的位置保持不变；当α值固定为1.5时，不同的β值也会使第二个通道的位置在抑制区内改变，而第一个通道的位置保持不变，如图3所示。α、β的最佳取值范围分别为1.0～2.0和0.1～1.0，带通位置随相应α或β值的增大而红移，在抑制区内可以分别连续可调。这样就可以很容易地设计出通道位置分别为所需通道波长的双通道滤光片，比如可以很容易地设计出通道位置分别为1.30μm和1.55μm的双通道滤光片，或通道位置分别为777.4nm和868.3nm双通道滤光片。
同理，按此分形规则，可以通过间隔层λL将完全相同的两个双通道滤光片耦合起来，构成新的三通道位置独立可调滤光片，其膜系为：
(HL)6αH(LH)6βL(HL)6αH(LH)6γL(HL)6αH(LH)6βL(HL)6αH(LH)6，
其中四个αH的厚度共同控制第一个通道的位置，两个βL的厚度控制第二个通道的位置，新引入的间隔层γL控制第三个通道的位置，如图1(c)所示。三个通道的位置可以分别通过α、β或γ在抑制区内独立进行调节，调节其中某个通道的位置时不会影响到其他两个通道的位置，如图4所示。当α和β分别固定为1.9和0.6时，第三个通道的位置随着γ的取值从3.6变为3.2时逐渐向左移动，而其他两个通道的位置不变；当α和γ分别固定为1.9和3.2时，第二个通道的位置随着β的取值从0.6变为0.2时逐渐向左移动，而其他两个通道的位置不变；当β和γ分别固定为0.6和3.2时，第一个通道的位置随着α的取值从1.9变为1.5时逐渐向左移动，而其他两个通道的位置不变。α、β和γ的最佳取值范围分别为1.5～2.2、0.1～1.0和3.1～3.6，带通位置随相应α、β或γ值的增大而红移，在抑制区内可以分别连续可调。
通过该简单的分形规则，还可以设计出通道数更多、位置独立可调的多通道滤光片，这对于设计特定通道位置的多通道滤光片非常有利，这也正是本发明的最大优势所在。
上面所说的高折射率膜层和低折射率膜层H/L可以为TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Nb2O5/SiO2、Ge/SiO、ZnS/MgF2、PbTe/ZnSe、PbTe/ZnS等常见光学薄膜材料。
在设计过程中，由于控制各通道位置的间隔层之间厚度(即反射膜系的厚度，m值)有限，会引起各通道之间的相互耦合，从而使各通道之间产生一定的关联性，m值越大则各通道之间的关联性越小、独立性越强。当m值较小时，单独调节某个通道时，可能会引起其他通道的微小漂移，这种漂移可以通过对控制相应通道的α、β或γ值进行微调来修正。
Claims (3)
1.一基于分形结构的多通道位置独立可调滤光片，包括：基片(1)，基片上置有通过真空镀膜的膜系，其中双通道滤光片的膜系为：
(HL)mαH(LH)mβL(HL)mαH(LH)m，
或(LH)mαL(HL)mβH(LH)mαL(HL)m，
式中(HL)m或(LH)m为反射膜系(2)，αH或αL为间隔层(3)，βL或βH为间隔层(4)，H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，L和H膜层的光学厚度分别为λ0/4，λ0为设计波长，m为L与H的交替叠层次数，m≥2，α和β为峰位因子；
三通道滤光片膜系为：
(HL)mαH(LH)mβL(HL)mαH(LH)mγL(HL)mαH(LH)mβL(HL)mαH(LH)m，
或(LH)mαL(HL)mβH(LH)mαL(HL)mγH(LH)mαL(HL)mβH(LH)mαL(HL)m。
其中α、β和γ为峰位因子，γL或γH为间隔层(5)；
依此类推，按上述的分形规则，还可以设计出4、5、…n通道膜系。
2.根据权利要求1的一种基于分形结构的多通道位置独立可调滤光片，其特征在于：所说的双通道滤光片膜系中的α、β最佳取值范围分别为1.0～2.0和0.1～1.0；所说的三通道滤光片膜系中的α、β和γ的最佳取值范围分别为1.5～2.2、0.1～1.0和3.1～3.6。
3.根据权利要求1的一种基于分形结构的多通道位置独立可调滤光片，其特征在于：所说的为高折射率膜层和低折射率膜层H/L可以为TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Nb2O5/SiO2、Ge/SiO、ZnS/MgF2、PbTe/ZnSe、PbTe/ZnS常见光学薄膜材料。
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