基于無(wú)序的多通道獨(dú)立可調(diào)局域?yàn)V光片及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于濾光片領(lǐng)域，特別涉及一種基于無(wú)序的多通道獨(dú)立可調(diào)局域?yàn)V光片及 其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 《自然》雜志2004年發(fā)表了一篇論文，提出"無(wú)序是一種新的有序"，"無(wú)序器件可能 具有比傳統(tǒng)有序器件更好的性能"，參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。在無(wú)序介質(zhì)中，波被局域在介質(zhì)內(nèi) 部一即Anderson局域效應(yīng)，參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。
[0003] 波在一維無(wú)序介質(zhì)中的局域表現(xiàn)為一系列隨機(jī)分布的具有較高透過(guò)率和較高強(qiáng) 度分布的共振透過(guò)波長(zhǎng)，參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。這些共振透過(guò)波長(zhǎng)可以用于控制激光輸出光譜 和降低激光工作閾值，文獻(xiàn)報(bào)道的一維無(wú)序介質(zhì)包括厚度隨機(jī)分布的分層介質(zhì)（參見(jiàn)參考 文獻(xiàn)[4][5])和光纖Bragg光柵陣列（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6][7])。但是，上述文獻(xiàn)報(bào)道的局域現(xiàn) 象具有一個(gè)明顯的不足:一維介質(zhì)中引入的無(wú)序以及導(dǎo)致的局域都是隨機(jī)的，這意味著無(wú) 序引入的共振透過(guò)峰在光譜上隨機(jī)分布，且具有隨機(jī)漲落的透過(guò)率。因此，上述基于隨機(jī)無(wú) 序的研究的特點(diǎn)是通道位置隨機(jī)、通道透過(guò)率高低不一，不適用于需要通道位置確定、通道 透過(guò)率高的具有復(fù)雜光譜選擇性的應(yīng)用領(lǐng)域如受激拉曼散射成像和熒光成像等領(lǐng)域(參見(jiàn) 參考文獻(xiàn)[8][9])。
[0004] 傳統(tǒng)的濾光片基于有序結(jié)構(gòu)。以分層介質(zhì)濾光片為例，常見(jiàn)的分層介質(zhì)濾光片基 于單個(gè)F-P結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)可調(diào)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(xué)厚度為λ〇/4， λ〇為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，m為Η和L膜層交替出現(xiàn)的次數(shù)，a為控制單個(gè)通道的峰位因子。
[0005]在題為"基于分形結(jié)構(gòu)的多通道位置獨(dú)立可調(diào)濾光片"的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)中（申請(qǐng) 號(hào):200610024250.4)，提出了一種基于F-P濾光片的分形結(jié)構(gòu)的濾光片?；诜中谓Y(jié)構(gòu)可以 實(shí)現(xiàn)雙通道獨(dú)立可調(diào)，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(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)三通道獨(dú)立可調(diào)，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(lèi)推，基于分形結(jié)構(gòu)可 以獲得更多通道獨(dú)立可調(diào)的濾光片。
[0006]上述分形結(jié)構(gòu)濾光片的主要缺點(diǎn)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(zhǎng)關(guān)系。比如實(shí)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(lèi)推。且在該發(fā)明中指出"單個(gè)間隔層的層數(shù)2m不能太小，分則會(huì)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(shí)際設(shè)計(jì)中，m值取6較為合理"。根據(jù)上述描述，實(shí) 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(dāng)所需通道數(shù)較多時(shí)，濾 光片所含膜系的層數(shù)將太多，以至于實(shí)際上無(wú)法加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種基于無(wú)序的多通道獨(dú)立可調(diào)局域?yàn)V光片及其設(shè)計(jì)方法，其目的 在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中濾光片無(wú)法實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)獨(dú)立可調(diào)，或可調(diào)通道數(shù)量較少，加工困 難的問(wèn)題。
[0008] -種基于無(wú)序的多通道獨(dú)立可調(diào)局域?yàn)V光片，以反射器-腔結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，調(diào)整反射 器-腔結(jié)構(gòu)的無(wú)序因子，從而確定反射器的反射系數(shù)和/或腔的光學(xué)厚度，獲得多通道獨(dú)立 可調(diào)局域?yàn)V光片；
[0009] -旦無(wú)序因子確定，反射器-腔結(jié)構(gòu)中的反射系數(shù)和腔的光學(xué)厚度也相應(yīng)確定；
[0010] 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)包括N+1個(gè)反射器(Ri，R2,…，Rn+i)和N個(gè)腔(Ci，C2,…，Cn);
[0011] 其中，所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的無(wú)序因子包括反射器的無(wú)序因子((^，(^，…，(^彡和腔 的無(wú)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(wú)序的反射器-腔結(jié)構(gòu)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(wú)序的反射器-腔結(jié)構(gòu)中 各腔從左至右的光學(xué)厚度。
[0015] 有序的反射器-腔結(jié)構(gòu)為無(wú)序的反射器-腔結(jié)構(gòu)的一種特殊情況，其無(wú)序因子均為 1〇
[0016]局域?yàn)V光片通道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的強(qiáng)度分離度接近0,透過(guò)率接近1;通道外波長(zhǎng)的強(qiáng)度 分離度接近1，透過(guò)率接近〇;
[0017]其中，局域?yàn)V光片任一波長(zhǎng)λ」的強(qiáng)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?yàn)V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(jié)構(gòu) 時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度，lR(Sl,S2, 和1[?(51，52，"_32〃+2^)分別為光從右入射 到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度；
[0023 ] max [ IL (Si，S2，…S2N+2; λ j)]是指光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最 大強(qiáng)度；
[0024] max[lR(Si，S2，"_S2N+2;Xj)]是指光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最 大強(qiáng)度；
[0025] 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)中每個(gè)面的強(qiáng)度采用耦合模方程或傳輸矩陣計(jì)算獲得。
[0026] 局域?yàn)V光片中每個(gè)波長(zhǎng)均有一個(gè)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度分離度，所設(shè)置的局域?yàn)V光片通道是 指定通道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光通過(guò)局域?yàn)V光片時(shí)具有接近1的透過(guò)率，稱(chēng)之為局域?yàn)V光片的通道 波長(zhǎng);所設(shè)置的局域?yàn)V光片通道外的波長(zhǎng)的光通過(guò)局域?yàn)V光片時(shí)具有接近〇的透過(guò)率，稱(chēng)之 為通道外波長(zhǎng)。
[0027]可實(shí)現(xiàn)不同的通道數(shù)且獨(dú)立可調(diào)，通道數(shù)Μ的最小值為1，最大值等于無(wú)序因子的 數(shù)量。
[0028]當(dāng)僅包含反射器無(wú)序時(shí)(無(wú)序因子數(shù)量為Ν+1)，Μ最小值為1，最大值為Ν+1;當(dāng)僅包 含腔無(wú)序時(shí)(無(wú)序因子數(shù)量為Ν)，Μ最小值為1，最大值為Ν;
[0029]當(dāng)同時(shí)包含反射器無(wú)序和腔無(wú)序時(shí)，Μ最小值為1，最大值為2Ν+1。無(wú)序因子和濾光 片通道并無(wú)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0030] 實(shí)現(xiàn)單通道濾光片涉及到所有無(wú)序因子的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多通道濾光片同樣涉及到所 有無(wú)序因子的調(diào)整；當(dāng)需要改變多通道濾光片中的一個(gè)或幾個(gè)通道同時(shí)其它通道保持不變 時(shí)，同樣涉及到所有無(wú)序因子的調(diào)整。
[0031] 濾光片通道、Anderson局域和強(qiáng)度分離度三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
[0032]通道波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)Anderson局域，其特征是強(qiáng)度分離度接近0(實(shí)際設(shè)計(jì)中可采用小于 10-3作為判據(jù)），相應(yīng)的具有接近1的透過(guò)率；
[0033]通道外波長(zhǎng)(對(duì)應(yīng)Anderson解局域，其特征是強(qiáng)度分離度接近1(實(shí)際設(shè)計(jì)中可采 用大于0.98作為判據(jù)），相應(yīng)的具有接近0的透過(guò)率。
[0034]所述局域?yàn)V光片通道波長(zhǎng)的強(qiáng)度分離度接近0和通道外波長(zhǎng)的強(qiáng)度分離度接近1， 是指局域?yàn)V光片中每個(gè)通道波長(zhǎng)的強(qiáng)度分離度同時(shí)接近〇,并且每個(gè)通道外波長(zhǎng)的強(qiáng)度分 離度接近1。
[0035]所述反射器-腔結(jié)構(gòu)至少包括分層介質(zhì)或光纖Bragg光柵陣列；
[0036]所述分層介質(zhì)結(jié)構(gòu)是指介質(zhì)界面為反射器，介質(zhì)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(jié)構(gòu)的局域?yàn)V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?yàn)V光片的工作波長(zhǎng)段內(nèi)材料的折射率虛部小于 0.01ο
[0040] -種基于無(wú)序的多通道獨(dú)立可調(diào)局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)方法，對(duì)上述的基于無(wú)序的多 通道獨(dú)立可調(diào)局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括以下幾個(gè)步驟：
[0041] 步驟1:獲取反射器-腔結(jié)構(gòu)的無(wú)序因子；
[0042] 所述無(wú)序因子包括反射器的反射系數(shù)和腔的光學(xué)厚度的無(wú)序因子；
[0043] 此時(shí)獲得的無(wú)序因子可以為任意值，為了后續(xù)的調(diào)整操作方便，可將無(wú)序因子均 設(shè)置為1;
[0044] 步驟2:計(jì)算局域?yàn)V光片中在所需工作波長(zhǎng)段中每個(gè)波長(zhǎng)\的強(qiáng)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?yàn)V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(jié)構(gòu) 時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度，