CN200947125Y - 一种单频锐角空间滤光片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学滤光片领域，目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够同时实现单个频域滤光和空域滤光的单频锐角空间与滤光片，并且膜层结构简单，能够适用于现有光学镀膜机。其滤光片镀膜结构为：GIH(LH)^S1C₁(HL)^S1HL(HL)^S2C₂(LH)^S2IA，其中G代表基片，A代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，s1、s2为镀膜周期数，C1、C2为缺陷层，其中C1采用低折射率材料L，C2采用高折射率材料H。

Description

一种单频锐角空间滤光片

技术领域

本发明涉及光学滤光片领域，更具体的说是一种能够同时实现频域滤光和空域滤光的滤光片。

技术背景

光子晶体是由不同折射率材料周期排列而成的新型人造材料。其概念最早在1987年提出，目的是控制材料中原子的自发辐射和在材料中实现光子局域。由于它具有奇特的光学性质，近来受到世界上越来越多科学家的关注，成为世界前沿的研究课题之一。

从折射率周期性变化的维度来划分，光子晶体可以分为一维、二维和三维光子晶体。从结构及计算方法来看，一维光子晶体实际上就是传统的光学薄膜。但是从物理思想的来源来说，一维光子晶体跟传统光学薄膜也具有不同点。光子晶体是由固体物理学中的半导体类比而来，固体物理学最重要的能带是由晶体中周期排列原子的周期性势场作用产生的，即固体物理学的物理思想本质就是原子的周期性排列，利用类比很容易解释光子晶体的物理本质就是光学材料的周期性排列。由此可见，一维光子晶体是由固体物理学中的周期性理论导出，而传统光学薄膜则主要由多光束干涉理论导出。对同样一种物体两种不同描述概念的并存有利于两者的共同发展，一是由于传统薄膜的成熟工艺，为一维光子晶体的发展提供了有力的工具；二是由于光子晶体相关概念的引入，给传统光学薄膜的设计提供了更为广阔思路，而且光子晶体相关概念的引入，也为传统薄膜现象提供了更为本质的物理解释，如传统Fabry-Perot(F-P)薄膜型窄带滤光片具有比较窄频的透射峰，其物理本质就是下面将要介绍到的周期性结构中引入缺陷导致在禁带中出现频率宽度很窄的缺陷态-窄带透射峰。

光子带隙是光子晶体最基本的性质之一。“光子带隙”的概念借用了半导体晶体中“电子带隙”的表述。固体物理学的研究表明，晶体中周期排列的原子所产生的周期性势场使得某些频率的电子不能在晶体中传输，这些被禁止的频率段称为电子带隙。当光学材料的介电常数在空间呈光波长量级的周期性分布时，对于某些频率的光子同样不能在该晶体中传输，这些被限制的频率段称为光子带隙，所以光子晶体又被称为“光子带隙材料”。如果光子晶体原有的周期性或对称性受到局部破坏，即在光子晶体中引入一定程度的缺陷，在其光子带隙中就会出现缺陷态，与缺陷态频率相对应的光将会被局域在缺陷位置附近，从而使得该处的光场得到极大地增强。一般来说，缺陷态的频率宽度很小，态密度较大。合适地选择缺陷的结构参数，就可以对缺陷态、光子传播进行预期的控制。类似于三维周期结构中点缺陷、线缺陷、面缺陷概念，一维周期结构中的缺陷被形象地称为缺陷层。在一维光子晶体中引入破坏其周期性的缺陷层，禁带中就会形成缺陷态，有广泛用途的窄带通滤波器中的F-P型传统光学薄膜结构是带有缺陷结构的一维光子晶体，其窄带透射峰就是一维光子晶体禁带中缺陷层形成的频率宽度很小的缺陷态。带缺陷一维光子晶体禁带中缺陷态的数目、强度、位置等都可以通过调节缺陷层物理几何参数而得到调制，由于带缺陷一维光子晶体在其禁带中会出现频率宽度很小、态密度较大的缺陷态，所以用带缺陷一维光子晶体制作窄带滤光片成为其应用研究之一。

在已有的关于滤光片的研究中，把滤光片分为两大部分：频域滤光片和空域滤光片。频域滤光片是指对不同频率成分光具有不同强度透射性能的滤光片；空域滤光片是指对不同空间方向的各成分光具有不同强度透射性能的滤光片。

通常说的薄膜滤光片是指频域滤光片。已有的薄膜频域滤光片根据滤波特性的不同可以分为截止滤光片与带通滤光片两大类。长波通、短波通滤光片是截止滤光片的两大分类。根据截止波长的不同可以设计很多实际应用的滤光片，比如常见的薄膜彩色分光元件、反热镜和冷光镜都属于截止滤光片带通滤光片，根据具体应用可以对其通带特性进行实际的设计，普遍应用的有窄带滤光片、矩形多半波带通滤光片、红外带通滤光片等等。在目前成熟的薄膜理论及工艺条件下，上述各种类型的频域滤光片都能够较容易地设计及镀制。

空域滤光主要指角度滤光，它对不同角度入射的光具有不同的透射率。空域滤光最早可以追溯到光滤的角度选择性，其角度选择性是指法向两侧具有相同入射角度的光具有不同的透射能力。在一些特殊的光探测场合，空域滤光是不可忽视的重要环节。比如一个典型的空间滤波实例-双透镜针孔系统，它使光束聚焦后通过针孔，光路中的有害光噪音因聚焦点偏离针孔位置不能通过针孔而实现空间滤波，从而为系统消除噪音。

如果滤光系统能同时具备频域滤光与空域滤光能力，则滤光系统的噪声特性将有很大程度的提高，这为一些性噪比要求很高的光探测场合获得更好的噪声特性提供了一种方法。如大气或空间通信、制导武器抗干扰等实际应用中，为了制造灵敏度高、噪声特性好、体积小、重量轻、利于集成的光信号接收器，可以采用具有空间滤波性能的窄带滤波器来实现较高的性能要求。

目前已报道的能实现空间光滤波功能的设计很少，而且在已报道的设计中一般存在制作复杂或效果不明显等缺陷。比如利用硅材料构成的三维周期性结构实现角度滤光，其角宽度可以通过改变结构的厚度和/或者改变硅的阻抗达到，但该结构对p偏振的角度选择性不明显，而且该三维周期结构的制作相对一维结构要复杂得多。又如利用倾斜柱状结构的金属膜进行角度滤波，这种方法的效果是两种偏振的透射率都不高，p偏振光不同角度的最大透射率比仅约为3，即不同角度的透射率没有突变。现有也有理论设计的由两个掺杂一维光子晶体构成的异质结构，同时兼具了频域光滤和空域光滤功能，该结构角度滤光性能较好，由于该数值模拟得出的结构对制备精度要求极高，在一般的镀膜仪器设备很难镀制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够同时实现单个频域滤光和空域滤光的滤光片，并且膜层结构简单，能够适用于现有光学镀膜机。

本实用新型通过以下技术方案实现其发明目的。

本实用新型公开了一种单频锐角空间滤光片，其滤光片镀膜结构为：

G|H(LH)^S1C₁(HL)^S1HL(HL)^S2C₂(LH)^S2|A，

其中G代表基片，A代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，s1、s2为镀膜周期数，C1、C2为缺陷层，其中C1采用低折射率材料L，C2采用高折射率材料H。为了使耦合结构具有良好的工艺性，选取缺陷层C1、C2光学厚度为中心波长λ₀/4的整数倍。缺陷层C1、C2光学厚度可以有相同和不相同两种方案，相同时，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)^S1aL(HL)^S1HL(HL)^S2aH(LH)^S2|A，不同时，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)^S1aL(HL)^S1HL(HL)^S2βH(LH)^S2|A，其中a不等于β，其光学厚度a、β分别在2～10之间选择。高折射率材料和低折射率材料一般选用折射率差别较大的材料，如高折射率材料H选用TiO₂，折射率n_H＝2.35，或Si，折射率n_H＝3.4，或ZnS，折射率n_H＝2.35；低折射率材料L选用SiO₂，n_L＝1.45，或MgF₂，折射率n_L＝1.38。镀膜周期数s1、s2在2～20之间选择。

一维光子晶体的全介质掺杂结构可表示为(AB)^SC(BA)^S，A、B表示不同折射率的介质层，C为缺陷层，S为周期结构的周期数。这种结构的缺陷模频率由下式确定：

(k＝0，±1，±2...)                    (1)

其中₁和₂是缺陷层两侧周期结构的反射相移， ${\mathrm{\δ}}_c=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{C_0}{n}_c{d}_c\cos {\mathrm{\θ}}_c$ 是缺陷层的位相厚度，这里C₀表示真空中光速，ω_C·n_C、d_C分别表示缺陷层的圆频率、折射率和厚度，θ_C表示光在缺陷层的折射角。所以式(1)写为：

若A、B是光学厚度为λ₀/4的介质层，则在缺陷模频率附近，₁≈₂≈0或π，所以式(2)写为

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{\mathrm{k\π}{C}_0}{n_c{d}_c\cos {\mathrm{\θ}}_c}---\left(3\right)$

由斯涅尔定律

            n₀sinθ₀＝n_Csinθ_C                (4)

上式n₀和θ₀分别是入射介质的折射率和入射角，代入式(3)得

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{\mathrm{k\π}{C}_0}{n_c{d}_c\sqrt{1-{\left(\frac{n_0}{n_c}{\sin \mathrm{\θ}}_0\right)}^2}}---\left(5\right)$

当入射角发生变化时，缺陷模频率随之发生变化，根据式(5)可以得出

${\mathrm{\Δ\ω}}_c={\left(\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_c}{{\∂\mathrm{\θ}}_0}\right)}_0{\mathrm{\Δ\θ}}_0=\frac{\∂\left[\frac{\mathrm{k\π}{C}_0}{n_c{d}_c\sqrt{1-{(n_0\sin {\mathrm{\θ}}_0/n_c)}^2}}\right]}{{\∂\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\Δ\θ}}_0$

$=\frac{1}{2}\mathrm{k\π}{C}_0{n}_0^2\frac{\sin \left({2\mathrm{\θ}}_0\right)}{n_c^3{d}_c\sqrt{{(1-\frac{n_0^2}{n_c^2}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0)}^3}}{\mathrm{\Δ\θ}}_0---\left(6\right)$

式(6)表明，随着入射角变化量Δθ₀的增大，缺陷模频率ω_c将向高频方向漂移。当入射角变化量一定时，缺陷模频率的偏移量主要由缺陷层的厚度和缺陷层的折射率影响。

由此可知，把两个缺陷层折射率不同或者厚度不同的一维光子晶体全介质掺杂结构耦合成一异质结构，G|H(LH)^S1C₁(HL)^S1HL(HL)^S2C₂(LH)^S2|A，用F₁、F₂分别表示这两个一维光子晶体H(LH)^S1C₁(HL)^S1H和L(HL)^S2C₂(LH)^S2。F₁、F₂在某一入射角θ₀时具有相同的缺陷模频率ω₀。则当入射角变化时，F1缺陷模频率漂移量为

${\mathrm{\Δ\ω}}_1=\frac{1}{2}\mathrm{k\π}{C}_0{n}_0^2\frac{\sin \left({2\mathrm{\θ}}_0\right)}{n_{c1}^3{d}_{c1}\sqrt{{(1-\frac{n_0^2}{n_{c1}^2}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0)}^3}}{\mathrm{\Δ\θ}}_0---\left(7\right)$

F₂缺陷模频率漂移量为

${\mathrm{\Δ\ω}}_2=\frac{1}{2}\mathrm{k\π}{C}_0{n}_0^2\frac{\sin \left({2\mathrm{\θ}}_0\right)}{n_{c2}^3{d}_{c2}\sqrt{{(1-\frac{n_0^2}{n_{c2}^2}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0)}^3}}{\mathrm{\Δ\θ}}_0---\left(8\right)$

F₁、F₂两缺陷模频率漂移量之差为

        δ＝|Δω₂-Δω₁|                           (9)

由于F₁和F₂的缺陷层厚度d_C1≠d_C2或者折射率n_C1≠n_C2，所以当入射角偏离θ₀时，d≠0。若由F₁和F₂耦合而成的异质结在入射角θ₀时具有Δω₀的半高透射频宽，那么只要满足

        δ＞Δω₀                                  (10)

F₁、F₂的缺陷模频率都将落在对方的禁带内。把这样的两个掺杂结构耦合成一个异质结构，就可以只允许入射光中特定方向及特定频率以高透过率透过，而偏离这一方向的特定频率被完全反射，而且在一个较宽的频带内其他频率的光被全部反射。该异质结构可以实现特定频率特定角度入射的空间和频率双结合的滤波器功能，称之为单频锐角空间滤波片。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步。

1.是一种能够同时实现单个频域滤光和空域滤光的滤光片；

2.光法向入射该滤光片时，P与S偏振光的透射率都达到95％以上，而当入射光偏离法向方向一定角度时，P与S偏振光的透射率都基本下降到0；

3.通光角度被限制在法向方向的±5°范围内；

4.频率信号光透射频率宽度被限制在±0.001ω₀范围内；

5.该结构滤光片具有噪声特性好、角度滤光性能好；

6.能够适用于现有的镀膜设备，且镀膜过程控制简单，成本低，具有很高的实用性，能够广泛推广；

7.具有结构简单、体积小、重量轻等优点，适用面广，特别是信噪比和对多个光信号同时操作的场合。

附图说明

图1为本实用新型的膜层结构示意图；

图2为实施例1在不同角度的透射曲线；

图3为实施例1的透射谱；

图4为实施例2在不同角度的透射曲线；

图5为实施例2的透射谱；

图6为实施例3在不同角度的透射曲线；

图7为实施例3的透射谱；

图8为实施例4在不同角度的透射曲线；

图9为实施例4的透射谱；

图10为实施例5的理论透射曲线；

图11为实施例5的实验透射曲线；

图12为实施例6的理论透射曲线；

图13为实施例6的实验透射曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型公开了一种单频锐角空间滤光片，其滤光片的镀膜结构为：

G|H(LH)^S1C₁(HL)^S1HL(HL)^S2C₂(LH)^S2|A，

其中G代表基片，A代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，s1、s2为镀膜周期数，C1、C2为缺陷层，其中C1采用低折射率材料L，C2采用高折射率材料H，缺陷层C1、C2光学厚度为中心波长λ₀/4的整数倍，结构如图1所示。把这样的两个掺杂结构耦合成一个异质结构，就可以只允许入射光中特定方向及特定频率以高透过率透过，而偏离这一方向的特定频率被完全反射，而且在一个较宽的频带内其他频率的光被全部反射。

实施例1

令缺陷层厚度相等、折射率不同的两个一维掺杂结构耦合在一起，此时缺陷层C₁＝aL，C₂＝aH，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)^S1aL(HL)^S1HL(HL)^S2aH(LH)^S2|A。为了得到较窄的缺陷模线宽，同时满足光通信使用中对线宽有一定宽度的要求，选S₁＝S₂＝4。为易于镀制选择缺陷模光学厚度a＝2。忽略材料色散和吸收的影响，高折射率材料H选用Si，折射率n_H＝3.4，低折射率材料L选用SiO₂，折射率n_L＝1.45，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)⁴2L(HL)⁴HL(HL)⁴2H(LH)⁴|A。以16°入射角为例，如图2所示，结构[H(LH)⁴C₁(HL)⁴HL]和结构[(HL)⁴C₂(LH)⁴]的缺陷模频率分别位于对方禁带中，耦合结构对斜入射的响应成为一个宽的带隙，带隙中不再有透射峰。耦合结构依然在法向对中心频率的光透射。全角度光谱响应如图3所示，在0.95ω₀-1.05ω₀范围内，通光角度限制在0°±4°，透射频率限制在(1±0.0001)ω₀，最大透过率99％，其他频率及其他角度入射的光均被反射。

实施例2

对实施例1的结构组合采用不同的折射率组合，忽略材料色散和吸收的影响，高折射率材料H选用TiO₂，折射率n_H＝2.35，低折射率材料L选用SiO₂，折射率n_L＝1.45。选S₁＝S₂＝8，a＝2，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)⁸2L(HL)⁸HL(HL)⁸2H(LH)⁸|A。以18°入射角为例，如图4所示，结构[H(LH)⁸C1(HL)⁸HL]和结构[(HL)⁸C₂(LH)⁸]的缺陷模频率分别位于对方禁带中，耦合结构对斜入射的响应成为一个宽的带隙，带隙中不再有透射峰。耦合结构依然在法向对中心频率的光透射。全角度光谱响应如图5所示。在0.95ω₀-1.05ω₀范围内，通光角度限制在0°±5°，透射频率限制在(1±0.00005)ω₀，最大透过率100％。其他频率及其他角度入射的光均被反射。

实施例3

令缺陷层厚度不相等、折射率相同的两个一维掺杂结构耦合在一起，此时缺陷层C₁＝aL，缺陷层C₂＝βL(a≠β)，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)^S1aL(HL)^S1HL(HL)^S2βH(LH)^S2|A。以a＝2，β＝4为例，取S₁＝S₂＝4，高折射率材料H选用Si，折射率n_H＝3.4，低折射率材料L选用SiO₂，折射率n_L＝1.45，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)⁴2L(HL)⁴HL(HL)⁴4H(LH)⁴|A。以20°入射角为例，如图6所示，结构[H(LH)⁴C₁(HL)⁴HL]和结构[(HL)⁴C₂(LH)⁴]的缺陷模频率分别位于对方禁带中，耦合结构对斜入射的响应成为一个宽的带隙，带隙中不再有透射峰。全角度光谱响应如图7所示，在0.96ω₀-1.04ω₀范围内，通光角度限制在0°±5°，透射频率限制在(1±0.00004)ω₀，其他频率及其他角度入射的光均被反射。

实施例4

对实施例2采用不同的折射率组合，取a＝2，β＝4，S₁＝S₂＝8，高折射率材料H选用ZnS，折射率n_H＝2.35，低折射率材料L选用SiO₂，折射率n_L＝1.45。如图8所示，耦合结构对法向中心频率透射，而16°时结构[H(LH)⁴C₁(HL)⁴HL]和结构[(HL)⁴C₂(LH)⁴]的缺陷模频率分别位于对方禁带中，耦合结构对斜入射的响应成为一个宽的带隙，带隙中不再有透射峰。全角度光谱响应如图9所示。在0.95ω₀-1.05ω₀范围内，通光角度限制在0°±5°，透射频率限制在(1±0.00003)ω₀，其他频率及其他角度入射的光均被反射。

实施例5

滤光片的镀膜结构为：G|(HL)⁴HC₁H(LH)⁴L(HL)⁴C₂(LH)⁴|A，选C₁＝2L，C₂＝2H，高折射率材料H选用ZnS，折射率n_H＝2.35，低折射率材料L选用MgF₂，折射率n_L＝1.38，图10为其透射率在不同角度入射下的理论曲线。0度入射时，中心波长，λ₀＝705nm，的透射半宽2Δλ＝3nm，图中可见锐角效应还是十分明显的。图11为该结构的实验曲线，2Δλ＝4nm，由于制备误差，主透射率只有70％，但仍可见其锐角效应的程度与理论曲线基本符合，即仍具有较强的角度效应，验证了这种结构的窄频和锐角功能。

实施例6

滤光片的镀膜结构为：G|(HL)³HC₁H(LH)³L(HL)³C₂(LH)³|A，令C₁＝2L，C₂＝2H，高折射率材料H选用Si，折射率n_H＝2.7，低折射率材料L选用SiO₂，折射率n_L＝1.46，图12为理论曲线，2Δλ＝8nm，由于透射半宽较宽，影响了锐角效应，但效应还是明显的，图13为实验曲线。

综上所述，本实用新型提出了一种适用于光学镀膜机制备的单一周期结构，这种结构不需要异质结的单一周期结构就能实现只透射特定频率和特定角度的光波，即具有空间和频率双功能滤波性能。

Claims (10)

1.一种单频锐角空间滤光片，其特征是滤光片的镀膜结构为：

G|H(LH)^S1C₁(HL)^S1HL(HL)^S2C₂(LH)^S2|A，

其中G代表基片，A代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，s1、s2为镀膜周期数，C1、C2为缺陷层，其中C1采用低折射率材料L，C2采用高折射率材料H。

2.根据权利要求1所述的单频锐角空间滤光片，其特征是缺陷层C1、C2光学厚度为中心波长λ₀/4的整数倍。

3.根据权利要求2所述的单频锐角空间滤光片，其特征是缺陷层C1、C2光学厚度相同，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)^S1aL(HL)^S1HL(HL)^S2aH(LH)^S2|A。

4.根据权利要求2所述的单频锐角空间滤光片，其特征是缺陷层C1、C2光学厚度不同，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)^S1aL(HL)^S1HL(HL)^S2βH(LH)^S2|A，其中a不等于β。

5.根据权利要求3所述的单频锐角空间滤光片，其特征是缺陷层C1、C2的光学厚度a在2～10之间选择。

6.根据权利要求4所述的单频锐角空间滤光片，其特征是缺陷层C1、C2的光学厚度a、β分别在2～10之间选择。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的单频锐角空间滤光片，其特征是所述高折射率材料H选用TiO₂或Si或ZnS，低折射率材料L选用SiO₂或MgF₂。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的单频锐角空间滤光片，其特征是镀膜周期数s1、s2在2～20之间选择。

9.根据权利要求8所述的单频锐角空间滤光片，其特征是缺陷层C1、C2的光学厚度选择a＝2，镀膜周期数s1＝s2＝4，滤光片的镀膜结构为：

G|H(LH)⁴2L(HL)⁴HL(HL)⁴2H(LH)⁴|A。

10.根据权利要求8所述的单频锐角空间滤光片，其特征是缺陷层C1的光学厚度选择a＝2，C2的光学厚度选择β＝4，镀膜周期数s1＝s2＝4，滤光片的镀膜结构为：G|H(LH)⁴2L(HL)⁴HL(HL)⁴4H(LH)⁴|A。

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