專(zhuān)利名稱(chēng)：通道相對(duì)位置可獨(dú)立調(diào)整的三通道濾光片及其調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種光學(xué)濾光片器件，具體涉及一種通道位置可調(diào)整的三通道濾光片及其調(diào)整方法。在光學(xué)儀器、天文、遙感等方面有應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的多通道帶通濾光片一般有以下兩種1、基于Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的多通道帶通濾光片最典型的多通道帶通濾光片為Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)。該濾光片為一對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，兩端為反射層，中間為間隔層，經(jīng)過(guò)反射層的多次反射，通過(guò)恰當(dāng)選取間隔層的物理厚度，該結(jié)構(gòu)可以得到具有多通道透過(guò)特性的帶通濾光片，但由于所有通道的位置都與這一個(gè)間隔層的厚度有關(guān)系，這些通道的位置變化是相干的。因此，無(wú)法用此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出通道相對(duì)位置可調(diào)整的濾光片。
2、Rugate類(lèi)型的多通道帶通濾光片從設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，也許有著連續(xù)折射率結(jié)構(gòu)的Rugate類(lèi)型的多通道帶通濾光片是最吸引人的，因?yàn)镽ugate濾光片具有完美的數(shù)學(xué)變換形式。但是由于該類(lèi)型的多通道帶通濾光片所采用的介質(zhì)要求為折射率漸變材料，因此盡管在理論上能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在鍍制技術(shù)上，要比多層介質(zhì)多通道帶通濾光片困難得多。
1987年S.John和E.Yablonovitch等人分別提出了光子晶體的概念。由于一維光子晶體在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于光學(xué)多層介質(zhì)膜，因此從光子晶體的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)一維光子晶體光譜的形成機(jī)理，一維光子晶體中的電磁模密度和光子態(tài)密度的分析與研究，形成了許多新的技術(shù)。在一維光子晶體中插入缺陷層后引起晶體中光子態(tài)密度的變化，改變了一維光子晶體的禁帶特性，并可以在光子禁帶中形成通道。在此基礎(chǔ)上，王利等人對(duì)一維光子晶體的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。將兩種不同介電常數(shù)的材料組成具有不同晶格常數(shù)的一維光子晶體，通過(guò)缺陷層的偶合組成具有摻雜的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并利用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的帶隙特點(diǎn)得到寬的截止帶。由于雜質(zhì)對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能帶的調(diào)制，所以通過(guò)摻雜可在寬的截止帶中得到兩個(gè)窄的通帶。它克服了傳統(tǒng)窄帶濾光片不能在一個(gè)寬截止帶得到窄帶濾光的缺點(diǎn)。并且通過(guò)調(diào)整缺陷層的位置以及大小，在寬禁帶的背景上得到更多的透過(guò)通道。
采用光子晶體概念設(shè)計(jì)窄帶濾光片的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)先設(shè)計(jì)工作波段。原因是光子晶體具有“標(biāo)度不變性”，如果只改變晶格常數(shù)，而維持其他各項(xiàng)參數(shù)不變，則光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)的總體形狀不發(fā)生改變，只是透過(guò)峰的峰位和截止帶的位置發(fā)生相應(yīng)移動(dòng)。
基于Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的多通道帶通濾光片以及上述的一維光子晶體的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)難以獨(dú)立調(diào)整各通道的相對(duì)位置，從而限制了雙通道及多通道濾光片的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既具有三通道，又能夠獨(dú)立調(diào)整各個(gè)通道位置的多通道窄帶濾光片及其調(diào)整方法。
本發(fā)明提出的通道相對(duì)位置可調(diào)整的三通道濾光片，是以Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的一種全新的設(shè)計(jì)方法，它在Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)中，如果間隔層兩側(cè)媒質(zhì)的導(dǎo)納相同，則透射率T為T(mén)=T1T2(1-R1R2)211+4R1R2(1-R1R2)sin212(φ1+φ2-2δ)---(1)]]>其中T1、T2、R1、R2分別為選定膜層兩側(cè)的透射率和反射率，φ1、φ2分別為兩反射膜層的反射相移。
由式(1)可知，若兩反射膜層的T1、T2、R1、R2和反射相移φ1、φ2不變，這時(shí)能改變的量是選定膜層的有效位相厚度δ(δ=2πλnd).]]>當(dāng)φ1+φ2-2δ＝2kπ(k＝±1，2，3) (2)時(shí)，整個(gè)膜系的透射率T達(dá)最大值由Fabry---Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)可以看出，在此對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中，間隔層的插入引起了光子晶體中光子態(tài)密度和電磁波模的變化，其兩側(cè)反射層的多次反射而形成通道。一個(gè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)就可以形成一個(gè)獨(dú)立的通道系列，通道的數(shù)目和位置隨間隔層的厚度變化而變化。要實(shí)現(xiàn)三通道位置的獨(dú)立調(diào)整，可以用三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是一種完全不同于傳統(tǒng)的多通道帶通濾光片的設(shè)計(jì)方法。
基于這種設(shè)計(jì)，采用了將兩種不同介電常數(shù)的材料組成具有雙對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的濾光片。如圖1所示，其中H、L，分別為高低折射率材料的1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度，H＝nHdH＝L＝nLdL＝λ/4，nL＝1.44、nH＝2.3分別為兩種材料的折射率；dH、dL分別為與1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度對(duì)應(yīng)的兩種材料的物理厚度。首先由高低折射率材料構(gòu)成兩個(gè)Fabry---Perot濾光片對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，然后由這兩個(gè)結(jié)構(gòu)又組成一個(gè)新的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)稱(chēng)為雙對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)就是在雙對(duì)稱(chēng)的基礎(chǔ)上，用耦合層將兩個(gè)相同的雙對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)耦合在一起，兩個(gè)雙對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)關(guān)于耦合層對(duì)稱(chēng)，形成新的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)之為三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。調(diào)整三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中七個(gè)中間層的厚度，可以改變?yōu)V光片透射譜中通道的相對(duì)位置。其中兩個(gè)Fabry---Perot對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的中間層的厚度均為cH，稱(chēng)之為中間層c，兩個(gè)Fabry---Perot結(jié)構(gòu)之間的中間層的厚度為dL，稱(chēng)之為中間層d，兩個(gè)雙對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的耦合層厚度為eL，稱(chēng)之為e層。分別調(diào)整c、d和e層的厚度就可以獨(dú)立地調(diào)整三個(gè)通道的位置。該膜系可通過(guò)加入匹配膜層來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。
本發(fā)明中，兩種不同介電常數(shù)的薄膜的硬膜材料可選用SiO2和TiO2等材料的組合，軟膜材料可選用MgF2和ZnS等材料的組合。
本發(fā)明是一種采用全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的三通道窄帶濾光器件。它采用以Fabry---Perot結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)分別調(diào)整中間層c、d和e的厚度，可分別使三個(gè)通道的位置獨(dú)立連續(xù)地變化。以下均以三通道一維光子晶體為例進(jìn)行說(shuō)明。
本發(fā)明的特點(diǎn)就是兩個(gè)通道的位置分別由兩個(gè)參數(shù)c、d和e三個(gè)參數(shù)來(lái)控制，可以獨(dú)立變化，可以在截止帶內(nèi)任意地調(diào)整三個(gè)通道的位置。


圖1為已有Fabry-Perot結(jié)構(gòu)的通道位置與缺陷層厚度的關(guān)系。
圖2a為本發(fā)明的雙對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2b為本發(fā)明的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中c＝1.7H、d＝0.2L固定而e發(fā)生變化時(shí)候的三通道帶通濾光片的通道變化。
圖4為本發(fā)明的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中c＝1.7H、e＝3.3L固定而d發(fā)生變化時(shí)候的三通道帶通濾光片的通道變化。
圖5為本發(fā)明的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中d＝0.4H、e＝3.3L固定而c發(fā)生變化時(shí)候的三通道帶通濾光片的通道變化。
圖6為本發(fā)明的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中當(dāng)c、d和e交替變化的時(shí)候，通道的位置發(fā)生的交替變化。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的三通道濾光片位置設(shè)計(jì)及調(diào)整的具體方法進(jìn)行說(shuō)明。
由圖1中看出，隨著中間層c厚度的增加，兩個(gè)通道的位置均向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，通道之間的相對(duì)間隔始終相同，無(wú)法改變。圖2為本發(fā)明以Fabry-Perot結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的雙對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3中，隨著e由3.1L增加到3.6L，右側(cè)的通道由701.19nm移動(dòng)到720.35nm，然而左側(cè)的兩個(gè)通道在原先的位置保持基本不動(dòng)。圖4中，隨著d由0.2H增加到0.7H，中間的通道由635.09nm移動(dòng)到696.53nm，然而兩側(cè)的兩個(gè)通道在原先的位置保持基本不動(dòng)。圖5中，隨著c由1.7H增加到2.2H，左側(cè)的通道由566.50nm移動(dòng)到622.32nm，然而右側(cè)的兩個(gè)通道在原先的位置保持基本不動(dòng)。圖6中，由c＝1.7H、d＝0.4L、e＝3.3L開(kāi)始，c、d和e交替增加0.1光學(xué)厚度，直到c＝2.0H、d＝0.6L、e＝3.5L。由圖可以看出，改變一個(gè)參數(shù)，可以對(duì)其中的一個(gè)通道進(jìn)行控制，而并不影響另外一個(gè)通道的位置。
現(xiàn)以圖3所示為例予以說(shuō)明，首先根據(jù)所需的截止帶的位置，確定晶格常數(shù)的大小即Fabry-Perot結(jié)構(gòu)間隔層兩側(cè)的反射膜堆的單層厚度。在此設(shè)計(jì)中，截止帶寬度為510-730nm，設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)為600nm，濾光片的膜層結(jié)構(gòu)為(HL)ncH(LH)ndL(HL)ncH(LH)neL(HL)ncH(LH)ndL(HL)ncH(LH)n，其中c、d和e表示中間層的厚度，在膜系中的位置見(jiàn)圖2b。截止帶位置確定后，再根據(jù)所需要的三個(gè)通道的位置，來(lái)確定c、d和e的大小；先確定通道1，通過(guò)計(jì)算(HL)ncH(LH)n結(jié)構(gòu)的間隔層兩側(cè)反射層通道1所在波長(zhǎng)的反射相移，由(2)式求得c的大小。確定通道2和通道3用同樣的方法，不過(guò)計(jì)算反射相移時(shí)所計(jì)算的對(duì)象不同，通過(guò)計(jì)算(HL)ncH(LH)ndL(HL)ncH(LH)n結(jié)構(gòu)的間隔層兩側(cè)反射層在通道2所在波長(zhǎng)的反射相移，代入(2)式求得d的大小，從而確定通道2的位置。通過(guò)計(jì)算(HL)ncH(LH)ndL(HL)ncH(LH)neL(HL)ncH(LH)ndL(HL)ncH(LH)n結(jié)構(gòu)的間隔層兩側(cè)反射層在通道3所在波長(zhǎng)的反射相移，由(2)式求得e的大小來(lái)確定通道3的位置。由計(jì)算機(jī)模擬可以發(fā)現(xiàn)，通道1、2和3的位置分別由c、d和e的大小決定，且三個(gè)通道的位置可連續(xù)變化。計(jì)算c和d時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取了(HL)7cH(LH)7dL(HL)7cH(LH)7結(jié)構(gòu)和Fabry-Perot結(jié)構(gòu)而非整個(gè)三對(duì)稱(chēng)膜系。因此可在計(jì)算機(jī)上對(duì)c和e層進(jìn)行調(diào)整，使通道1和通道2的位置與設(shè)計(jì)吻合。設(shè)計(jì)的所有膜層的厚度確定后，所用材料可以根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行選取。本發(fā)明選取TiO2、SiO2，入射介質(zhì)為空氣ε＝1。TiO2、SiO2組成的介質(zhì)對(duì)為雜質(zhì)，利用傳輸矩陣法，通過(guò)調(diào)整間隔層的位置、大小，得到具有所需通道參數(shù)的濾光片。
本發(fā)明就是兩個(gè)通道的位置分別由兩個(gè)參數(shù)c、d和e三個(gè)參數(shù)來(lái)控制，可以獨(dú)立變化，可以在截止帶內(nèi)任意地調(diào)整三個(gè)通道的位置。
以下將左、中、右三個(gè)通道分別表示為通道1、通道2和通道3，
1、通道1和通道2位置不變的情況下調(diào)整通道3的位置當(dāng)c和d確定的時(shí)候通道1和2的位置并不發(fā)生變化，通道3的位置隨e的改變而連續(xù)變化。當(dāng)c＝1.7、d＝0.2，e分別等于3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、的時(shí)候，通道的位置變化如圖3所示。
2、通道1和通道3位置不變的情況下調(diào)整通道2的位置當(dāng)c和e確定的時(shí)候通道1和3的位置并不發(fā)生變化，通道2的位置隨d的改變而連續(xù)變化。當(dāng)c＝1.7、e＝3.3，d分別等于0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7的時(shí)候，通道的位置變化如圖4所示。
3、通道2和通道3位置不變的情況下調(diào)整通道1的位置當(dāng)d和e確定的時(shí)候通道2和3的位置并不發(fā)生變化，通道1的位置隨c的改變而連續(xù)變化。當(dāng)d＝0.4、e＝3.3，c分別等于1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2的時(shí)候，通道的位置變化如圖5所示。
4、三個(gè)通道交替變化當(dāng)c、d和e交替變化的時(shí)候，通道的位置發(fā)生交替移動(dòng)，以圖6為例，由c＝1.7H、d＝0.4L、e＝3.3L開(kāi)始，c、d和e交替增加0.1光學(xué)厚度，直到c＝2.0H、d＝0.6L、e＝3.5L，通道的變化可以看出，改變一個(gè)參數(shù)，可以對(duì)其中的一個(gè)通道進(jìn)行控制，而并不影響另外一個(gè)通道的位置。
5、通道位置的微調(diào)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在某些情況下，通道會(huì)發(fā)生微小的漂移，這可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬對(duì)c、d和e層進(jìn)行微調(diào)進(jìn)行修正。主要方法是通過(guò)對(duì)漂移通道的控制層進(jìn)行微調(diào)以進(jìn)行修正，如通道1的控制層是c層，以此類(lèi)推。
權(quán)利要求
1.一種通道相對(duì)位置可獨(dú)立調(diào)整的三通道濾光片，其特征在于薄膜的硬膜系材料為T(mén)iO2和SiO2組合，組成膜系的結(jié)構(gòu)為以Fabry-Perot結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)為(HL)ncH(LH)ndL(HL)ncH(LH)neL(HL)ncH(LH)ndL(HL)ncH(LH)n。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通道相對(duì)位置可獨(dú)立調(diào)整的三通道濾光片，其特征在于薄膜的軟膜系材料可以用ZnS和MgF2組合。
3.一種通道相對(duì)位置可獨(dú)立調(diào)整的三通道濾光片的調(diào)整方法，其特征在于三個(gè)通道的位置分別由c、d和e三個(gè)參數(shù)來(lái)控制，可以獨(dú)立變化，可以在截止帶內(nèi)任意地調(diào)整三個(gè)通道的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通道相對(duì)位置可獨(dú)立調(diào)整的三通道濾光片的調(diào)整方法，其特征在于為使通道1和通道2的位置與設(shè)計(jì)吻合，c和d層的準(zhǔn)確厚度通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行微調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠獨(dú)立調(diào)整三通道濾光片中三個(gè)通道相對(duì)位置的設(shè)計(jì)方法，采用了以Fabry－Perot結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的窄帶濾光片不同，它通過(guò)分別改變幾個(gè)中間層的厚度來(lái)對(duì)三個(gè)通道的位置進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)整，克服了通道位置調(diào)整所引起的位置相干現(xiàn)象。本發(fā)明介紹了濾光片的設(shè)計(jì)和具體的結(jié)構(gòu)及調(diào)整方法，以及所計(jì)算出的三通道帶通濾光片的光譜特性等。本發(fā)明的濾光片可應(yīng)用于光學(xué)探測(cè)儀器、空間技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B5/20GK1588136SQ20041005381
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月17日
發(fā)明者田國(guó)勛, 吳永剛, 王占山, 林小燕 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)