專利名稱：基于分形結構的多通道位置獨立可調濾光片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學濾光片，具體是指一基于分形結構的多通道位置獨立可調濾光片。
背景技術：
多通道濾光片由于可以同時獲取多個特定通道的信號，因此是波分復用(WDM)等光通信領域中的重要光學元件之一，同時也是閃電探測和遙感等領域的重要光學元件之一。這類濾光片可以在保持原有系統的基礎上獲得更多的信息和更高的信噪比，因此可以在簡化儀器結構的同時，提高能量的利用率和系統的信噪比，為儀器的小型化、輕量化和提高分辨率提供有效的技術途徑。比如雙通道窄帶濾光片，可以使其兩個通道分別與光通信的兩個波長1.30μm和1.55μm對應，在不增加部件和改變系統的情況下獲取更多信息；也可以使其兩個通道分別與閃電兩個最強的特征峰777.4nm和868.3nm對應，以大大增強閃電探測時的信號，在背景噪聲不變的情況下大大提高閃電探測的信噪比，參見王少偉，王利，吳永剛，王占山，陳效雙，陸衛(wèi)，“閃電探測用超窄帶通濾光片的研制”，光學儀器，26，118(2004)。
傳統的多通道濾光片有二種一種是基于單個F-P結構的濾光片，這種是最典型的多通道濾光片，該濾光片膜系結構為(HL)mαH(LH)m，或者(LH)mαL(HL)m。
其中(HL)m或(LH)m為反射膜系2，αH或αL為間隔層3，H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，L和H膜層的光學厚度為λ0/4，λ0為設計波長，m為L與H的交替疊層次數，m≥2，α為峰位因子，見圖1(a)。其中間隔層3的厚度可以控制濾光片的通道數并調節(jié)其通道位置，但由于各個通道的位置都與該間隔層的厚度相關，一旦間隔層的厚度確定，各通道的位置也就確定，調節(jié)一個通道的位置必然引起其他通道位置的相應變化，見圖2。因此，這種結構無法獨立調節(jié)某個通道的位置，這樣就難以設計出特定通道位置的多通道濾光片。
另一種是基于多個F-P濾光片的級聯結構，參見王懿喆，中國科學院上海技術物理研究所博士學位論文，2005年1月，這種類型的多通道濾光片與基于單個F-P結構的濾光片類似，同樣無法獨立調節(jié)某個通道的位置，要設計特定通道位置的多通道濾光片相當困難。
由于上述的多通道濾光片都無法獨立調節(jié)某個通道的位置，難以設計制備出特定通道位置的多通道濾光片，極大地限制了它們的實際應用。

發(fā)明內容
為了克服上述多通道濾光片通道位置無法獨立調節(jié)的困難，本發(fā)明的目的是提出一基于分形結構的多通道濾光片，這類濾光片的各個通道位置都可獨立改變，因此可以設計制備成通道位置分別與特定波長對應的多通道濾光片。
本發(fā)明的多通道濾光片是以F-P濾光片結構為基礎的分形結構進行設計的，可以輕易地獲得某個通道位置獨立改變的雙通道、三通道甚至更多通道數的濾光片。
本發(fā)明的多通道濾光片包括基片1，基片上置有通過真空鍍膜的膜系，其中雙通道濾光片的膜系為(HL)mαH(LH)mβL(HL)mαH(LH)m；
或(LH)mαL(HL)mβH(LH)mαL(HL)m。
式中(HL)m或(LH)m為反射膜系2，αH或αL為間隔層3，βL或βH為間隔層4，如圖1(b)所示，H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，L和H膜層的光學厚度為λ0/4，λ0為設計波長，m為L與H的交替疊層次數，m≥2，α和β為峰位因子，上述結構是以(HL)mαH(LH)m或者(LH)mαL(HL)m膜系作為分形結構的起點，在設計雙通道濾光片時，只需利用另一個間隔層βL將完全相同的兩個該結構單元耦合起來，構成一個雙通道濾光片膜系。兩個αH間隔層厚度共同控制第一個通道的位置，新引入的間隔層βL形成第二個通道，并且改變β值時，可獨立改變其通道位置。當單獨調節(jié)α或β時，可以獨立地調節(jié)相應的通道位置，而另一個通道位置不會隨著改變，帶通位置隨相應α或β值的增大而紅移，且連續(xù)可調。這樣就可以很容易地設計出通道位置分別為所需通道波長的雙通道濾光片，比如可以很容易地設計出通道位置分別為1.30μm和1.55μm的雙通道濾光片，或通道位置分別為777.4nm和868.3nm雙通道濾光片。
同理，按此分形規(guī)則，通過間隔層γL可將完全相同的兩個雙通道位置獨立可調濾光片膜系耦合起來，構成三通道濾光片膜系(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為峰位因子，四個αH間隔層厚度共同控制第一個通道的位置，兩個βL間隔層厚度控制第二個通道的位置，新引入的γL間隔層5控制第三個通道的位置，如圖1(c)所示。三個通道的位置可以分別通過α、β或γ進行獨立的調節(jié)，調節(jié)其中某個通道的位置時不會影響到其他兩個通道的位置，如圖4所示，帶通位置隨相應α、β或γ值的增大而紅移，且連續(xù)可調。
通過該簡單的分形規(guī)則，還可以設計出4、5、…n通道濾光片，這對于設計特定通道位置的多通道濾光片非常有利，這也正是本發(fā)明的最大優(yōu)勢所在。


圖1(a)、(b)、(c)分別為單、雙、三通道濾光片的結構示意圖。
圖2為傳統F-P濾光片的帶通位置隨間隔層厚度中的α值的變化光譜圖。
圖3為采用分形結構設計出的雙通道濾光片的兩個通道位置分別隨間隔層厚度中的α和β值的變化光譜圖。
圖4為采用分形結構設計出的三通道濾光片的三個通道位置分別隨間隔層厚度中的α、β和γ值的變化光譜圖。
具體實施例方式
下面以λ0為1400nm設計波長作為實施例結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明膜系的設計首先從傳統的F-P濾光片出發(fā)，單通道濾光片膜系結構為(HL)mαH(LH)m，低、高折射率層材料L和H分別選擇SiO2和Ta2O5，其折射率分別為1.46和2.16，m＝6。該結構為兩個鏡面對稱的反射膜系(HL)62和中間夾一間隔層αH3，如圖1(a)所示，其帶通位置隨間隔層厚度中的α值的變化如圖2所示。
將上述結構作為分形結構的起點，在設計雙通道位置獨立可調濾光片時，只需利用另一個間隔層βL4將完全相同的兩個該結構單元耦合起來，如圖1(b)所示，新構成的雙通道濾光片的膜系結構為(HL)6αH(LH)6βL(HL)6αH(LH)6，其中兩個αH的厚度共同控制第一個通道的位置，新引入的間隔層βL形成另一個通道并可獨立控制其位置。當單獨調節(jié)α或β時，可以在抑制區(qū)內獨立地調節(jié)相應的通道位置，而另一個通道位置不會隨之改變，例如當β＝0.5時，α分別取1.5、1.7和1.9可以使第一個通道分別處于抑制區(qū)的不同位置，而第二個通道的位置保持不變；當α值固定為1.5時，不同的β值也會使第二個通道的位置在抑制區(qū)內改變，而第一個通道的位置保持不變，如圖3所示。α、β的最佳取值范圍分別為1.0～2.0和0.1～1.0，帶通位置隨相應α或β值的增大而紅移，在抑制區(qū)內可以分別連續(xù)可調。這樣就可以很容易地設計出通道位置分別為所需通道波長的雙通道濾光片，比如可以很容易地設計出通道位置分別為1.30μm和1.55μm的雙通道濾光片，或通道位置分別為777.4nm和868.3nm雙通道濾光片。
同理，按此分形規(guī)則，可以通過間隔層λL將完全相同的兩個雙通道濾光片耦合起來，構成新的三通道位置獨立可調濾光片，其膜系為(HL)6αH(LH)6βL(HL)6αH(LH)6γL(HL)6αH(LH)6βL(HL)6αH(LH)6，其中四個αH的厚度共同控制第一個通道的位置，兩個βL的厚度控制第二個通道的位置，新引入的間隔層γL控制第三個通道的位置，如圖1(c)所示。三個通道的位置可以分別通過α、β或γ在抑制區(qū)內獨立進行調節(jié)，調節(jié)其中某個通道的位置時不會影響到其他兩個通道的位置，如圖4所示。當α和β分別固定為1.9和0.6時，第三個通道的位置隨著γ的取值從3.6變?yōu)?.2時逐漸向左移動，而其他兩個通道的位置不變；當α和γ分別固定為1.9和3.2時，第二個通道的位置隨著β的取值從0.6變?yōu)?.2時逐漸向左移動，而其他兩個通道的位置不變；當β和γ分別固定為0.6和3.2時，第一個通道的位置隨著α的取值從1.9變?yōu)?.5時逐漸向左移動，而其他兩個通道的位置不變。α、β和γ的最佳取值范圍分別為1.5～2.2、0.1～1.0和3.1～3.6，帶通位置隨相應α、β或γ值的增大而紅移，在抑制區(qū)內可以分別連續(xù)可調。
通過該簡單的分形規(guī)則，還可以設計出通道數更多、位置獨立可調的多通道濾光片，這對于設計特定通道位置的多通道濾光片非常有利，這也正是本發(fā)明的最大優(yōu)勢所在。
上面所說的高折射率膜層和低折射率膜層H/L可以為TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Nb2O5/SiO2、Ge/SiO、ZnS/MgF2、PbTe/ZnSe、PbTe/ZnS等常見光學薄膜材料。
在設計過程中，由于控制各通道位置的間隔層之間厚度(即反射膜系的厚度，m值)有限，會引起各通道之間的相互耦合，從而使各通道之間產生一定的關聯性，m值越大則各通道之間的關聯性越小、獨立性越強。當m值較小時，單獨調節(jié)某個通道時，可能會引起其他通道的微小漂移，這種漂移可以通過對控制相應通道的α、β或γ值進行微調來修正。
權利要求
1.一基于分形結構的多通道位置獨立可調濾光片，包括基片(1)，基片上置有通過真空鍍膜的膜系，其中雙通道濾光片的膜系為(HL)mαH(LH)mβL(HL)mαH(LH)m，或(LH)mαL(HL)mβH(LH)mαL(HL)m，式中(HL)m或(LH)m為反射膜系(2)，αH或αL為間隔層(3)，βL或βH為間隔層(4)，H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，L和H膜層的光學厚度分別為λ0/4，λ0為設計波長，m為L與H的交替疊層次數，m≥2，α和β為峰位因子；三通道濾光片膜系為(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為峰位因子，γL或γH為間隔層(5)；依此類推，按上述的分形規(guī)則，還可以設計出4、5、…n通道膜系。
2.根據權利要求1的一種基于分形結構的多通道位置獨立可調濾光片，其特征在于所說的雙通道濾光片膜系中的α、β最佳取值范圍分別為1.0～2.0和0.1～1.0；所說的三通道濾光片膜系中的α、β和γ的最佳取值范圍分別為1.5～2.2、0.1～1.0和3.1～3.6。
3.根據權利要求1的一種基于分形結構的多通道位置獨立可調濾光片，其特征在于所說的為高折射率膜層和低折射率膜層H/L可以為TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Nb2O5/SiO2、Ge/SiO、ZnS/MgF2、PbTe/ZnSe、PbTe/ZnS常見光學薄膜材料。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于分形結構的多通道位置獨立可調濾光片，它是以F－P濾光片結構為基礎，通過分形規(guī)則進行設計，可以較簡單地獲得通道位置獨立可調的雙通道、三通道甚至更多通道數的濾光片?？朔藗鹘y多通道濾光片通道位置無法獨立調節(jié)的困難，由于這類濾光片的各個通道位置都獨立可調，可以設計制備成通道位置分別與特定波長對應的多通道濾光片，對在光通信、閃電探測和遙感等領域的應用非常有利。
文檔編號G02B5/20GK1811494SQ200610024250
公開日2006年8月2日 申請日期2006年3月1日 優(yōu)先權日2006年3月1日
發(fā)明者王少偉, 陸衛(wèi), 李志鋒, 張波, 李寧, 陳平平, 陳效雙 申請人:中國科學院上海技術物理研究所