相对位置可独立调整的通道通带滤光片制造技术

本发明专利技术提供了一种能够独立调整滤光片中通道位置与通带位置的设计方法，采用了基于Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ标准具的对称结构。与传统的窄带滤光片和带通滤光片不同，它通过分别改变几个中间层的厚度来对通道的位置和通带的位置进行独立的调整，在实现通道与通带共存的基础上克服了两者位置调整时的位置相干现象。本发明专利技术介绍了滤光片的设计思路和具体的结构设计，以及在此设计下所计算出的通道通带滤光片的光谱特性等。所设计的滤光片可应用于光学探测仪器、空间技术等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学滤光片器件设计方法，具体涉及一种既有通道又有通带的滤光片的设计。在光学仪器、天文、遥感等方面有应用前景。
技术介绍
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，且无法实现通道与通带共存，从而限制了通道带通滤光片的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种既具有通道与通带，又能够独立调整通道与通带位置的多通道通带滤光片。本专利技术提出的通道和通带位置可独立调整的通道通带滤光片，是以对称多层介质膜系为基础的一种新的设计方法。在此结构中，如果中间层两侧媒质的导纳相同，则透射率T为T=T1T2(1-R1R2)211+4R1R2(1-R1R2)sin212(φ1+φ2-2δ)---(1)]]>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δ(δ=2πλnd).]]>当φ1+φ2-2δ＝2kπ(k＝±1，2，3)(2)时，整个膜系的透射率T达最大值。在此对称结构中，中间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，其两侧的反射层的多次反射而在光谱特性曲线中形成通道。保持膜系的对称性在膜系的两侧引入新的膜层结构来形成一个新的通带。形成通道通带滤光片。基于这种设计思想，我们采用了将两种不同介电常数的材料组成具有对称结构的滤光片。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＝nHdH＝L＝nLdL＝λ/4，nL＝1.44、nH＝2.3分别为两种材料的折射率；dH、dL分别为与1/4波长光学厚度对应的两种材料的物理厚度。调整双对称结构中五个中间层的厚度，可以改变滤光片透射谱中通道和通带的相对位置。其中两个对称结构左右两侧四个中间层的厚度均为cH，称之为中间层c，对称结构中心中间层的厚度为dL，称之为中间层d，调整c和d就可以独立地调整通道和通带的位置。该膜系可通过加入匹配膜层来进行优化。本专利技术中，两种不同介电常数的材料可选用SiO2和TiO2等。本专利技术是一种采用全介质结构的通道通带滤光器件。它采用对称结构，来实现通道和通带位置的独立连续变化；通过调整中间层c和d的厚度，可使两个通道系列的位置独立地变化，适当调整中间层的厚度，可以得到位置独立连续变化的通道通带一维光子晶体。以下均以通道通带一维光子晶体为例进行说明。附图说明图1为本专利技术的对称膜系结构示意图。图2为本专利技术在通道位置不变的情况下，适当改变c和d，产生的通带位置的调整。图3为本专利技术在通带位置不变的情况下，适当改变c和d，产生的通道位置的调整。图4为本专利技术适当的调整c和d的值，产生的通道和通带位置的交替变化，具体实施方式图2所示几组图形的c和d的值分别为c＝1.4H、d＝0.8L，c＝1.5H、d＝0.7435L，c＝1.6H、d＝0.698L，c＝1.7H、d＝0.659L，c＝1.8H、d＝0.624L。随着c由1.4增加到1.8适当调整d，左边的通带位置逐步右移，而右边的通道始终在原先的位置保持不动。图3所示的几组图形中保持c＝1.4H不变，随着d的值由0.2L增加到0.7L，左边的通带位置保持基本不动。而右边的通道逐步向右移动。如图4所示，这几个通道通带光谱特性图对应的c和d的值分别是c＝1.5H、d＝0.4L，c＝1.5H、d＝0.5L，c＝1.6H、d＝0.472L，c＝1.6H、d＝0.6L，c＝1.7H、d＝0.5677L，c＝1.7H、d＝0.7L，c＝1.8H、d＝0.662L，c＝1.8H、d＝0.8L，c＝1.9H、d＝0.755L，随着c和d的不同的变化组合，可以使通道和通带的位置发生交替变化。滤光片的双通道位置设计及调整的具体方法如下设计对称结构的通道带通滤光片，首先根据所需的截止带的位置，确定晶格常数的大小即对称结构中间层两侧的反射膜堆的单层光学厚度。以图2所示的设计为例，在此设计中，截止带宽度为260nm，波长为600nm，滤光片的膜系结构为(HL)2cH(LH)2L(HL)2cH(LH)2dL(HL)2cH(LH)2L(HL)2cH(LH)2，其中c和d表示中间层的厚度。截止带位置确定后，再根据所需要的通道和通带的位置，来确定c和d的大小；先确定通道，通过计算对称结构的中间层d两侧反射层在通道所在波长的反射相移，由式(2)求得d的大小。确定通带用同样的方法，不过此时所计算的反射相移是由膜系(HL)2cH(LH)2产生的，即以左右两侧的某个c层为对称中心的对称结构产生的。求得通带所在波长的反射相移，通过式(2)求出c的大小。由计算机模拟可以发现，通道的位置主要由d的大小来决定，通带的位置主要由c的大小来决定，且通道和通带的位置可连续变化。由于计算c时为简化计算，计算对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通道通带相对位置可独立调整的通道通带滤光片，其特征在于：薄膜的硬膜系材料为ＴｉＯ↓［２］和ＳｉＯ↓［２］组合，组成膜系的结构为以对称多层介质膜系为基础的双对称结构滤光片膜层。结构为：（ＨＬ）↑［ｎ］ｃＨ（ＬＨ）↑［ｎ］ｃＨ（ＬＨ ）↑［ｎ］ｄＬ（ＬＨ）↑［ｎ］ｃＨ（ＨＬ）↑［ｎ］ｃＨ（ＬＨ）↑［ｎ］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴永刚，田国勋，王占山，林小燕，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]