一维光子晶体日盲紫外带通滤波器的制作方法

本发明属于光学领域，具体涉及一种光子晶体滤波器，特别是涉及一维光子晶体日盲紫外带通滤波器。
背景技术：
：在深紫外c波段中，由于240~280nm紫外光在穿过大气层时，几乎被臭氧层吸收殆尽以致在地表无法检测到故被称为“日盲区”。然而日盲紫外信号在民用及军事领域有着广泛的应用，除了电晕检测外，枪支开火、炸弹爆炸、火灾、通信等都会产生日盲信号，因此提高日盲紫外探测系统的性能尤为重要。深紫外滤波片作为紫外成像探测系统中的核心元器件，不断提高其滤波性能成为人们研究的热点问题。2014年wang等人（wang,tian-jiao,wei-zong,etal.solar-blindultravioletband-passfilterbasedonmetal-dielectricmultilayerstructures[j].chinesephysicsb,2014,23(7):404-408.）采用金属介质多层结构实现了以260nm为中心的通带，280nm至近红外波段为禁带的滤波性能。2017年delhoyoj等人（delhoyoj,quijadam.enhancedaluminumreflectingandsolar-blindfiltercoatingsforthefar-ultraviolet[j],2017.）引入alf3材料增强了al的反射，实现在lyman-alpha波段（100-130nm）的带通滤波性能。2017年fu等人（fuxiuhua,guokai,xiongshifu,etal.developmentofwidebandlownoisefilteringdevicesfordailyblinddetection[j].chineselaser,2017(6):165-171.）选用al、alf3两种材料组成法布里-珀罗结构，这种介质和金属组合的膜系实现了200~270nm的带通滤波，300~1200nm的深截止。加入金属介质后虽然在300nm至近红外波段实现了较好的深截止，但紫外光在日盲波段内的透过率大多都不是很高，故对日盲紫外滤波器件的滤波性能改善不大。技术实现要素：本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种简单可行的一维光子晶体日盲紫外带通滤波器，能够实现在240-280nm日盲紫外波段的高效带通滤波，在300~700nm部分紫外和可见波段的深截止，以改善改善紫外探测系统对日盲信号的采集效率。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一维光子晶体日盲紫外带通滤波器，其特征在于，其量子阱结构(pc1)t(pc2)n(pc3)n(pc4)n(pc5)m是由晶格常数依次增加的五种光子晶体pc1、pc2、pc3、pc4、pc5依次堆叠而成，所述光子晶体均由高折射率材料层和低折射率材料层周期性排列而成；每种光子晶体中，高折射率材料层的厚度相等，低折射率材料层的厚度相同；所述光子晶体pc1的周期t为6，光子晶体pc2、pc3、pc4的周期n为3~6，光子晶体pc5的周期m为6~10；所述晶格常数为高折射率材料层的厚度与低折射率材料层的厚度之和。所述光子晶体pc1、pc2、pc3、pc4、pc5中，高折射率材料层的厚度分别为40.1nm、48.3nm、56.4nm、66.8nm、77.1nm，低折射率材料层的厚度分别为57.4nm、68nm、78.7nm、92.5nm、106.2nm。量子阱结构中，光子晶体pc5的周期为10。量子阱结构中，光子晶体pc2、pc3、pc4的周期为6。所述光子晶体中，高折射率材料层的材料为h:si3n4，低折射率材料层的材料为l:sio2。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出的一种一维光子晶体日盲紫外带通滤波器，采用晶格常数依次增加的光子晶体堆叠而成，结构简单，能够实现在240~280nm日盲紫外波段高效滤波，平均透射率达到72.2%，同时在300~700nm部分紫外和可见波段的深截止，平均透射率仅为3.4%，为紫外探测系统中对提高日盲信号的采集效率具有一定意义，此外，本发明的滤波器在小于30°的斜入射情况下，均能实现较好效果的滤波，因此可以广泛应用于远距离日盲信号检测中。附图说明图1为本发明提出的一种一维光子晶体日盲紫外带通滤波器的结构示意图；图2为本发明实施例中高折射率材料层和低折射率材料层所使用的材料的色散和吸收曲线图；图3为本发明实施例中，光子晶体pc1~pc5的禁带谱示意图；图4为光子晶体pc2~pc4的堆叠顺序打乱时的透射谱示意图；图5异质结构(pc1)6(pc2)5(pc3)5(pc4)5(pc5)m（m=6，8，10）的透射示意图；图6异质结构(pc1)6(pc2)n(pc3)n(pc4)n(pc5)10（n=3，4，5，6）的透射示意图；图7为te、tm模式下，异质结构(pc1)6(pc2)6(pc3)6(pc4)6(pc5)10随角度变化透射谱示意图；图中：（a）θ=0°；(b)θ=15°；(c)θ=30°；(d)θ=45°。图8为te、tm模式下，异质结构(pc1)6(pc2)6(pc3)6(pc4)6(pc5)10的入射角θ=0~45°的透射谱示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1如图1所示，本发明实施例1提供了一种一维光子晶体日盲紫外带通滤波器，其量子阱结构由晶格常数依次增大的五种光子晶体pc1、pc2、pc3、pc4、pc5依次堆叠而成，所述五种光子晶体均由高折射率材料层和低折射率材料层周期性排列而成；每种光子晶体中，高折射率材料层的厚度相等，低折射率材料层的厚度相同；所述光子晶体pc1的周期为6，所述光子晶体pc2、pc3、pc4的周期为5，所述光子晶体pc5的周期为6。基于频域叠加原理，量子阱结构的带通光子晶体滤波器可以表示为(pc1)t(pc2)n(pc3)n(pc4)n(pc5)m，它是由五种光子晶体pc1、pc2、pc3、pc4、pc5依次堆叠而成，每一个光子晶体均为相同厚度的高折射率材料与相同厚度的低折射率材料进行周期性排列。t、m、n分别表示对应的各个光子晶体中的高低折射率材料排列的周期数。本发明实施例中，各个光子晶体中高折射率材料层与低折射率材料层的厚度不一样，光子的晶格常数用a表示，其表达式为：ai=d(h)i+d(l)i，其中：i=1~5，表示光子晶体的编号，d(h)i和d(l)i分别表示第i个光子晶体中高折射率材料层与低折射率材料层的厚度。考虑到大多数材料在紫外波段吸收较高的问题，优选高折射率材料h为si3n4，优选低折射率材料l为sio2，两种介质材料的色散和吸收系数随波长的变化关系如图2所示。根据d=λ⁄4n，两种介质材料在每个光子晶体中的膜厚如表1所示。表1膜层厚度pc1pc2pc3pc4pc5d(si3n4)/nm40.148.356.466.877.1d(sio2)/nm57.46878.792.5106.2应用如上膜厚的光子晶体，使得本实施例中，光子晶体pc1~pc5的中心波长分别为λ=340nm、400nm、460nm、540nm、620nm，根据表1中的膜层厚度理论计算pc1~5的光子禁带如图3所示。从图中可以看出，随着晶格常数变大，光子禁带向长波处移动且禁带宽度逐渐加宽。如图4所示，为本实施例中，光子晶体pc1的周期为6，所述光子晶体pc2、pc3、pc4的周期为5，光子晶体pc5的周期为6时，根据频域叠加原理，理论模拟得到的各种光子晶体的排列顺序对应的透射谱示意图，从图中可以看出，当五种光子晶体按照其晶格常数的大小顺次排列时，得到一维光子晶体日盲紫外带通滤波器，能在240~280nm波段内实现带通滤波，在300~700nm波段内实现一个很宽的禁带，该禁带覆盖了部分紫外和可见波段，如图4（a）所示。考虑到光子晶体位置对滤波器的影响，固定最小和最大晶格常数的光子晶体，打乱中间顺次排列的晶格常数的光子晶体，理论模拟发现在240~280nm波段内也出现了高透射谱，但是在300~700nm处的宽禁带中出现很多处杂峰，如图4（b）~（f）所示。由于禁带中出现杂峰会对日盲信号的检测带来很大干扰，因此，本实施例中，将五种光子晶体按照其晶格常数的大小顺次排列可以较好的紫外滤波效果。此外，由于图4（a）对应的结构为(pc1)6(pc2)5(pc3)5(pc4)5(pc5)6中，从图中可以看出，在pc1和pc5的周期数相同情况下，禁带在短波处的截止度优于长波处，为了改善长波处禁带的截止度，最外侧光子晶体pc5的周期m分别取6、8、10，如图5所示，为本实施例中，将光子晶体按晶格大小依次排列，且光子晶体pc1的周期为6，光子晶体pc2~pc4的周期为5，光子晶体pc5的周期数m分别取6，8，10时，滤波器的透射示意图。从图5中可以看出，随着最外侧光子晶体的周期数增大，整个禁带在700nm附近的截止度越来越好，同时禁带中的小杂峰没有受到周期数改变的影响。当m=10时，整个禁带呈一个“矩形状”，满足对禁带边缘截止度的要求，故本实施中，最外侧光子晶体pc5的周期数m为10时，具有更好的紫外滤波效果。实施例2与实施例1相同的是，本发明实施例2提供的一种一维光子晶体日盲紫外带通滤波器，其量子阱结构由晶格常数依次增大的五种光子晶体pc1、pc2、pc3、pc4、pc5依次堆叠而成，这五种光子晶体均由高折射率材料层和低折射率材料层周期性排列而成；每种光子晶体中，高折射率材料层的厚度相等，低折射率材料层的厚度相同，其具体厚度如表1所示，所述光子晶体pc1的周期为6；与实施例1不同的是，本实施例中，所述光子晶体pc2、pc3、pc4的周期为3~6，所述光子晶体pc5的周期为10。如图6所示，为中间三个光子晶体pc2、pc3、pc4的周期数n从3增加到6时，紫外带通滤波器的透射示意图。当n=3时，禁带中565nm处出现透射率超过50%的透射峰，并且有多处透射率达到25%的杂峰。随着中间三个光子晶体的pc2、pc3、pc4的周期数n增大，禁带中小杂峰逐渐被抚平。当n=6时，禁带内只有在400nm处有一个透射率在20%的透射峰，由于其处于紫外波段内，对于紫外探测系统对检测日盲信号的干扰性不强，可保留该透射峰的存在。因此，本实施例中，中间三个光子晶体的pc2、pc3、pc4的周期数n为6时，具有最好的带通滤波效果，最终确定本发明一维光子晶体日盲紫外带通滤波器的最优实施例中，各个光子晶体的周期分别为：t=6，n=6，m=10，即该滤波器的结构为(pc1)6(pc2)6(pc3)6(pc4)6(pc5)10，该结构能实现在日盲波段240~280nm的高透射，平均透射率为72.2%；实现在300~700nm近紫外和可见波段的深截止，平均透射率仅为3.4%。此外，如图7所示，为本发明实施例中，滤波器的结构为(pc1)6(pc2)6(pc3)6(pc4)6(pc5)10时，当光的入射角θ分别取0°、15°、30°、45°时的透射谱示意图，从图中可以看出，透射谱均受到te和tm两种偏振模式的调制，图7中，实线表示tm模式，虚线表示te模式。在tm模式下，随着角度的增加，透射谱发生蓝移且禁带宽度缩小了100nm，在240~280nm日盲波段内透射谱的平均透射率从72.2%上升到77.7%，在300~700nm的宽禁带中入射角大于30°以后出现的杂峰数量变多，禁带中平均透射率从3.4%上升到6.4%；在te模式下，随着角度的增加，透射谱发生蓝移且禁带宽度缩小了60nm，在240~280nm波段内平均透射率从72.2%下降到44.1%，在300~700nm的禁带中杂峰几乎消失，平均透射率从3.4%下降到1.1%。考虑到紫外探测系统对远距离日盲信号的检测其入射角通常小于30°，故可以忽略大角度（θ﹥30°）对本实施例滤波性能的影响。图8是异质结构(pc1)6(pc2)6(pc3)6(pc4)6(pc5)10在tm、te模式下，入射角θ为0~45°范围内的透射谱示意图。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12