基于無序的多通道獨立可調局域濾光片及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于濾光片領域，特別涉及一種基于無序的多通道獨立可調局域濾光片及 其設計方法。
【背景技術】
[0002] 《自然》雜志2004年發(fā)表了一篇論文，提出"無序是一種新的有序"，"無序器件可能 具有比傳統(tǒng)有序器件更好的性能"，參見參考文獻[1]。在無序介質中，波被局域在介質內 部一即Anderson局域效應，參見參考文獻[2]。
[0003] 波在一維無序介質中的局域表現(xiàn)為一系列隨機分布的具有較高透過率和較高強 度分布的共振透過波長，參見參考文獻[3]。這些共振透過波長可以用于控制激光輸出光譜 和降低激光工作閾值，文獻報道的一維無序介質包括厚度隨機分布的分層介質（參見參考 文獻[4][5])和光纖Bragg光柵陣列（參見參考文獻[6][7])。但是，上述文獻報道的局域現(xiàn) 象具有一個明顯的不足:一維介質中引入的無序以及導致的局域都是隨機的，這意味著無 序引入的共振透過峰在光譜上隨機分布，且具有隨機漲落的透過率。因此，上述基于隨機無 序的研究的特點是通道位置隨機、通道透過率高低不一，不適用于需要通道位置確定、通道 透過率高的具有復雜光譜選擇性的應用領域如受激拉曼散射成像和熒光成像等領域(參見 參考文獻[8][9])。
[0004] 傳統(tǒng)的濾光片基于有序結構。以分層介質濾光片為例，常見的分層介質濾光片基 于單個F-P結構，可以實現(xiàn)單個可調的通道。具體膜系為：（HL) maH(LH)m，其中Η為高折射率膜 層，L為低折射率膜層，（HL)mS(LH) m為反射膜系，αΗ為間隔層，Η和L膜層的光學厚度為λ〇/4， λ〇為設計波長，m為Η和L膜層交替出現(xiàn)的次數(shù)，a為控制單個通道的峰位因子。
[0005]在題為"基于分形結構的多通道位置獨立可調濾光片"的發(fā)明專利申請中（申請 號:200610024250.4)，提出了一種基于F-P濾光片的分形結構的濾光片?；诜中谓Y構可以 實現(xiàn)雙通道獨立可調，具體膜系為：（HL) maH(LH)mf3L(HL)maH(LH)m，其中a為控制通道1的峰 位因子，β為控制通道2的峰位因子。同樣基于分形結構可以實現(xiàn)三通道獨立可調，具體膜系 為 ：（HL)maH(LH)m0L(HL)maH(LH) mYL(HL)maH(LH)m0L(HL)maH(LH) m，其中 a 為控制通道 1 的峰 位因子，β為控制通道2的峰位因子，γ為控制通道3的峰位因子。依次類推，基于分形結構可 以獲得更多通道獨立可調的濾光片。
[0006]上述分形結構濾光片的主要缺點在于：隨著所需通道數(shù)的增多，所含膜系的層數(shù) 成指數(shù)增長關系。比如實現(xiàn)雙通道需要的膜系層數(shù)為8m+3,三通道為16m+7,四通道為32m+ 15,依次類推。且在該發(fā)明中指出"單個間隔層的層數(shù)2m不能太小，分則會引起各通道之間 的相互耦合，m值越大則相互耦合越小。在實際設計中，m值取6較為合理"。根據(jù)上述描述，實 現(xiàn)雙通道需要的膜系數(shù)為51層，三通道為103層，四通道為207層。當所需通道數(shù)較多時，濾 光片所含膜系的層數(shù)將太多，以至于實際上無法加工。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種基于無序的多通道獨立可調局域濾光片及其設計方法，其目的 在于，克服現(xiàn)有技術中濾光片無法實現(xiàn)多通道同時獨立可調，或可調通道數(shù)量較少，加工困 難的問題。
[0008] -種基于無序的多通道獨立可調局域濾光片，以反射器-腔結構為基礎，調整反射 器-腔結構的無序因子，從而確定反射器的反射系數(shù)和/或腔的光學厚度，獲得多通道獨立 可調局域濾光片；
[0009] -旦無序因子確定，反射器-腔結構中的反射系數(shù)和腔的光學厚度也相應確定；
[0010] 所述反射器-腔結構包括N+1個反射器(Ri，R2,…，Rn+i)和N個腔(Ci，C2,…，Cn);
[0011] 其中，所述反射器-腔結構的無序因子包括反射器的無序因子((^，(^，…，(^彡和腔 的無序因子(β?，β2，···，?):
[0012] (Λ.1，*%，·'. ) -('1 "1，.'2 "2，·.、' 7jV+:1 ).
[0013] ,βΝ) = {?χ / /j0 ,/2 / /° ,···,/ν /
[0014] (?，…，力^和^，^，…，rN+1)分別為有序和無序的反射器-腔結構中各反射器 從左至右的反射系數(shù)，0°，/〗，···,/》)和（lhls，一,14分別為有序和無序的反射器-腔結構中 各腔從左至右的光學厚度。
[0015] 有序的反射器-腔結構為無序的反射器-腔結構的一種特殊情況，其無序因子均為 1〇
[0016]局域濾光片通道對應波長的強度分離度接近0,透過率接近1;通道外波長的強度 分離度接近1，透過率接近〇;
[0017]其中，局域濾光片任一波長λ」的強度分離度為Δ I(Si，S2，."S2N+2;Xj)，維度為(2Ν+ 2)X1：
[0018] Δ I(Sl，S2，."S2N+2 ;Xj) = I Il(Si，S2，."S2N+2 ;Xj)-lR(Sl，S2，???Ssn.〗；、)
[0019] (&，&，…，S2N+2)為局域濾光片中從左至右的各反射器面；
[0020] Il(Si,S2, ???S2N+2；^j) = Il(Si ,S2, -··82Ν+2；^j)/max[lL(Si,S2, - ··82Ν+2；^j)]
[0021 ] Ir(Si,S2, ???S2N+2；^j) = Ir(Si ,S2, -··82Ν+2；^j)/max[lR(Si,S2, - ··82Ν+2；^j)]
[0022] 11(31，32，."32_;入」）和11(31，32，".32糾；人」）分別為光從左入射'到反射'器-腔結構 時各個面強度和歸一化強度，lR(Sl,S2, 和1[?(51，52，"_32〃+2^)分別為光從右入射 到反射器-腔結構時各個面的強度和歸一化強度；
[0023 ] max [ IL (Si，S2，…S2N+2; λ j)]是指光從左入射到反射器-腔結構時各個面強度中的最 大強度；
[0024] max[lR(Si，S2，"_S2N+2;Xj)]是指光從右入射到反射器-腔結構時各個面強度中的最 大強度；
[0025] 所述反射器-腔結構中每個面的強度采用耦合模方程或傳輸矩陣計算獲得。
[0026] 局域濾光片中每個波長均有一個對應的強度分離度，所設置的局域濾光片通道是 指定通道對應波長的光通過局域濾光片時具有接近1的透過率，稱之為局域濾光片的通道 波長;所設置的局域濾光片通道外的波長的光通過局域濾光片時具有接近〇的透過率，稱之 為通道外波長。
[0027]可實現(xiàn)不同的通道數(shù)且獨立可調，通道數(shù)Μ的最小值為1，最大值等于無序因子的 數(shù)量。
[0028]當僅包含反射器無序時(無序因子數(shù)量為Ν+1)，Μ最小值為1，最大值為Ν+1;當僅包 含腔無序時(無序因子數(shù)量為Ν)，Μ最小值為1，最大值為Ν;
[0029]當同時包含反射器無序和腔無序時，Μ最小值為1，最大值為2Ν+1。無序因子和濾光 片通道并無一一對應關系。
[0030] 實現(xiàn)單通道濾光片涉及到所有無序因子的調整，實現(xiàn)多通道濾光片同樣涉及到所 有無序因子的調整；當需要改變多通道濾光片中的一個或幾個通道同時其它通道保持不變 時，同樣涉及到所有無序因子的調整。
[0031] 濾光片通道、Anderson局域和強度分離度三者的對應關系如下：
[0032]通道波長對應Anderson局域，其特征是強度分離度接近0(實際設計中可采用小于 10-3作為判據(jù)），相應的具有接近1的透過率；
[0033]通道外波長(對應Anderson解局域，其特征是強度分離度接近1(實際設計中可采 用大于0.98作為判據(jù)），相應的具有接近0的透過率。
[0034]所述局域濾光片通道波長的強度分離度接近0和通道外波長的強度分離度接近1， 是指局域濾光片中每個通道波長的強度分離度同時接近〇,并且每個通道外波長的強度分 離度接近1。
[0035]所述反射器-腔結構至少包括分層介質或光纖Bragg光柵陣列；
[0036]所述分層介質結構是指介質界面為反射器，介質層為腔；
[0037]所述光纖Bragg光柵陣列是指光纖Bragg光柵為反射器，光纖段為腔。
[0038] 所述反射器-腔結構的局域濾光片采用低吸收率材料制成；
[0039] 所述低吸收率材料是指在局域濾光片的工作波長段內材料的折射率虛部小于 0.01ο
[0040] -種基于無序的多通道獨立可調局域濾光片的設計方法，對上述的基于無序的多 通道獨立可調局域濾光片的設計過程，包括以下幾個步驟：
[0041] 步驟1:獲取反射器-腔結構的無序因子；
[0042] 所述無序因子包括反射器的反射系數(shù)和腔的光學厚度的無序因子；
[0043] 此時獲得的無序因子可以為任意值，為了后續(xù)的調整操作方便，可將無序因子均 設置為1;
[0044] 步驟2:計算局域濾光片中在所需工作波長段中每個波長\的強度分離度AI(S1; S2，…S2N+2;入」）；
[0045] Δ l(Sl , S2 , -··82Ν+2 ；^j) = I Il(Si , S2 , - ··82Ν+2 ；^j)-Ir(Si , S2 , ???S2N+2；^j)
[0046] (&，&，…，S2N+2)為局域濾光片中從左至右的各反射器面；
[0047] Il(Si,S2, ???S2N+2；^j) = Il(Si ,S2, -··82Ν+2；^j)/max[lL(Si,S2, - ··82Ν+2；^j)]
[0048] Ir(Si,S2, ???S2N+2；^j) = Ir(Si ,S2, -··82Ν+2；^j)/max[lR(Si,S2, - ··82Ν+2；^j)]
[0049] 1[(31，32，."32_;入」）和1[(31，32，".32糾;入」）分別為光從左入射'到反射'器-腔結構 時各個面強度和歸一化強度，