一种具有宽角度抑制弥散光功能的窄带滤光片 【技术领域】
本发明涉及光学滤光片，具体是指一种可以抑制很宽入射角范围内弥散光透过的窄带滤光片。
背景技术
窄带滤光片是波分复用(WDM)等光通信领域中的核心光学元件之一。随着光通信及其相关技术的飞速发展，对窄带滤光片的性能也提出了更高的要求。人们希望获得带通更窄、矩形度更好，而且透过率高的窄带滤光片，以便在抑制背景噪声的同时，更好地起到波长选择的作用。然而，人们通常只关注窄带滤光片的正入射特性，即正入射时窄带滤光片的带通宽度、透过率，以及带通之外抑制区域的宽度和抑制比等各种性能指标满足应用要求就可以了。当窄带滤光片的带通宽度小到一定程度后，由于能够透过的能量非常有限，此时对背景噪声的抑制就显得尤为重要，不仅需要尽可能地抑制掉带通之外其他波段的噪声，而由入射光的入射角偏移引起带通峰位偏移而造成地弥散光透过所产生的噪声也不可忽略，尤其是某些特定场合的使用，比如闪电探测。由于对闪电进行探测时，太阳光等背景辐射远大于闪电信号(＞100∶1)，闪电信号往往被淹没在强大的背景辐射之中，很难实现对闪电的探测。为了达到这一目标，首先需要在光学系统的适当位置使用窄带滤光片，在获取闪电特征峰位信号的同时，尽可能多地将其他背景辐射抑制掉，以达到探测所需的信噪比。但是传统窄带滤光片的带通峰位随着入射角的改变会发生偏移，而且相应的透过率都很高，这样就使得大量非正入射的弥散光可以透过滤光片形成背景噪声，从而大幅度降低信噪比，甚至可能导致无法测量。
【发明内容】
基于上述已有窄带滤光片存在的不足，本发明的目的是提出一种能够宽角度抑制弥散光透过的窄带滤光片，这种滤光片不仅在正入射情况下具有足够窄的带通宽度，而且还可以抑制掉很宽入射角范围内由带通峰位随入射角偏移而引起的弥散光透过。
本发明的窄带滤光片采用光子晶体异质结构的膜系设计，利用不同缺陷光子晶体结构的带通峰位随入射角变化的偏移程度不同，使得斜入射的光不能同时透过整个光子晶体异质结构传播出去，从而达到抑制各种斜入射弥散光的目的，同时仍然保持正入射情况下滤光片的各种优良性能，并改善其带通矩形度，这样可以大大提高窄带滤光片的性能。
本发明的窄带滤光片包括：基板1，其外形和厚度可视实际需要而定，基板材料为对所选波段透明，在基板1上，置有与基板牢固结合的光子晶体异质结膜系，其结构为
α[(LH)mxL(HL)m]β[(HL)nyH(LH)n]，
其中α[(LH)mxL(HL)m]为光子晶体2，β[(HL)nyH(LH)n]为光子晶体3，L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，xL和yH为缺陷层，L和H膜层的光学厚度为λ0/4，λ0为滤光片的带通峰位，m和n为L与H的交替叠层次数，m、n≥5，α和β为峰位因子，α＝λ0/λa、β＝λ0/λb，λa为光子晶体2初始结构层(LH)mxL(HL)m的带通峰位，λb为光子晶体3初始结构层(HL)nyH(LH)n的带通峰位，x和y为缺陷层系数。
本发明的基本原理是将带通峰位随入射角变化很大的含缺陷光子晶体与带通峰位随入射角变化很小的含缺陷光子晶体结合起来，使其在特定入射角(比如正入射)时的带通峰位相同，共同构成一个新的窄带滤光片膜系。当入射角发生变化时，不同含缺陷光子晶体的带通峰位发生不同程度的偏移，这样在该入射角下的光可以同时透过两个光子晶体的可能性就大大降低了，入射角越大，不同含缺陷光子晶体的带通峰位差别就越大，因此可以抑制掉很宽入射角范围内由带通峰位随入射角偏移而引起的弥散光透过。
本发明的优点在于：由于采用特殊的含缺陷光子晶体异质结构膜系设计，使膜系在保持正入射情况下各种优良性能的同时，还可以抑制掉很宽入射角范围内由带通峰位随入射角偏移而引起弥散光的透过。并且带通的矩形度明显优于含有一个单光子晶体的窄带滤光片，这样可以在保证带通范围内更多信号光透过的同时，尽可能多地抑制掉斜入射的弥散光，从而大大提高窄带滤光片的性能，而其镀制方法与传统窄带滤光片完全一样，没有任何特殊要求。
【附图说明】
图1为本发明的窄带滤光片结构示意图；
图2为本为实施例的透射谱，实线为正入射时的透射谱，虚线为84°斜入射时的透射谱；插图为带通位置局部放大图，插图中的实线为本实施例的窄带滤光片的透射谱，虚线为半峰宽与之基本相同的传统窄带滤光片的透射谱；
图3为窄带滤光片的带通峰位及其峰值透过率随入射角的变化，上图为带通峰位随入射角的变化曲线，下图为相应的带通透过率随入射角的变化曲线，其中实线为本发明窄带滤光片的结果，虚线为传统窄带滤光片的结果。
【具体实施方式】
下面以777.4nm的闪电特征峰位为实施例结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
以闪电的特征峰位λ0＝777.4nm为设计波长，带通峰位随入射角变化大的光子晶体为：(LH)mxL(HL)m，带通峰位随入射角变化小的光子晶体为：(HL)nyH(LH)n，为了使两个光子晶体的带通峰位与最终所需的特征峰位λ0一致，需要在两个光子晶体上分别乘以峰位因子α和β，α＝λ0/λa、β＝λ0/λb，λa为光子晶体2初始结构层(LH)mxL(HL)m的峰位，λb为光子晶体3初始结构层(HL)nyH(LH)n的峰位，以构成最终的宽角度抑制弥散光的窄带滤光片膜系：α[(LH)mxL(HL)m]β[(HL)nyH(LH)n]。其中L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，xL和yH为缺陷层，L和H膜层的光学厚度为λ0/4，m和n为L与H的交替叠层次数，m、n＝5，x和y为缺陷层系数。然后对x和y取不同数值，取值范围：0.1～8，取点间隔：0.1，分别代入到光子晶体(LH)mxL(HL)m和(HL)nyH(LH)n中，采用商用软件Filmstar进行逐点计算后发现，两种光子晶体带通峰位随入射角变化的性能都随x和y的取值出现规律性变化，变化周期为2，当x＝1.9+2k时，结构(LH)mxL(HL)m的带通峰位随入射角的变化最大，当y＝1.0+2k时，结构(HL)nyH(LH)n的带通峰位随入射角的变化最小，因此当x＝1.9+2k、y＝1.0+2k时，(k＝0，1，2...)，窄带滤光片结构α[(LH)mxL(HL)m]β[(HL)nyH(LH)n]的带通透过率随入射角的下降最快，此时对因带通峰位随入射角偏移而造成其他波长弥散光透过的抑制效果最佳，但同时长波方向的透射带也会随着入射角的增大而迅速移入到正入射时的抑制区内，入射角越大则向抑制区内移动得越多，导致大入射角时抑制区内弥散光的透过。
为了同时兼顾对因带通峰位随入射角偏移而造成其他波长弥散光透过的抑制和斜入射时抑制区的宽度，以达到最佳的弥散光抑制效果，本发明人推荐一个最佳膜系：x＝1.6+2k、y＝2.1+2k、k＝0，具体为0.93316[(LH)81.6L(HL)8]1.01731[(HL)82.1H(LH)8]，低、高折射率层材料L和H分别为SiO2和Nb2O5，正入射时的透射谱如图2中的实线所示，抑制区为675～975nm，而在入射角大至84°时，长波方向的透射带只移动到了870nm，见图2中的虚线，因此该窄带滤光片在全入射角范围内的抑制区为675～870nm，宽达195nm。这种窄带滤光片的带通矩形度也比传统的窄带滤光片好，矩形度越好则有效光谱波段内能透过的能量越多，如图2中的插图所示，插图中的实线为本发明所设计窄带滤光片的带通光谱，其矩形度(Δλ0.1/Δλ0.5)为2.32，而传统的窄带滤光片的矩形度为3.00，见图2插图中的虚线，因此可以提高信号光的透过量。本发明所设计的窄带滤光片的带通峰位及其峰值透过率随入射角的变化如图3中的实线所示，上图为带通峰位随入射角的变化曲线，下图为相应的带通透过率随入射角的变化曲线。从图上可以看出，在小角度入射范围内(如±4°)时，带通峰位的偏移量很小，只从777.4nm偏移到了776.9nm，仍然属于信号区，而且该入射角范围内的带通透过率基本为1，可以尽可能多地让信号光透过。而当入射角大于4°后带通峰位偏移出信号区，会造成弥散光的透过，但此时相应的带通透过率随入射角的增大而迅速下降，当入射角为14°时的带通透过率已经下降到了0.05以下，因此该窄带滤光片可以抑制掉14°～90°非常宽的入射角范围内由带通峰位偏移引起的弥散光透过，与传统窄带滤光片在几乎整个斜入射范围内都有较大其他波长弥散光透过的情况，如图3中的虚线所示相比，本发明所设计窄带滤光片可以在很宽的斜入射角度范围内，将绝大部分由带通峰位随入射角偏移而引起的弥散光透过抑制掉，从而大大提高信噪比。另外，该窄带滤光片的带通半峰宽为0.2nm，完全符合实用化要求，而其镀制方法与传统窄带滤光片完全一样，没有任何特殊要求，如果要进一步减小膜系的半峰宽，可以通过增大m、n或k来实现，则相应膜系对角度的选择性会更佳。