基于一维光子晶体的宽角度入射宽带通滤波器的研究

【摘要】： 光子晶体是一种新型人工材料。频率在某一范围内的光子无法在光子晶体内传播,这一频率范围称为光子禁带。光子禁带是光子晶体最重要的特征。一维光子晶体由不同材料在一个方向上呈周期性结构排列得到,类似于不同材料组成的多层膜结构。它结构简单,制作方法成熟,可以用于设计各种形式的滤波器。 在以往有关一维光子晶体滤波器的报道中,宽角度入射宽带通滤波器比较少见。本文对如下两个滤波器进行了研究: 1.基于一维光子晶体异质结结构,以ZnSe和Na_3AlF_6为高低折射率材料,BK7为基底的滤波器在可见和近红外区的交界处有较宽的通带,在0°～50°入射范围内有较好的通带透过率,通带两侧又有明显的截止区域。这种在宽角度入射时兼具截止和透过特性的滤波器在光子嫩肤、CCD摄像等领域具有潜在的应用价值。 2.基于一维金属—介质三元光子晶体,以ZnS,Ag和MgF_2为材料,BK7为基底的滤波器,其通带位于可见区,在0°～70°入射范围内通带透过率好,同时又能滤去紫外和红外光。这类滤波器可用于平板显示,照相手机,传感器防护等场合。 滤波器性能的计算为其在相应的光电器件中的应用提供了可靠的理论预测,它包括以下两方面内容: 1.从光子禁带的形成机理出发,分别推导了一维二元和三元光子晶体的色散关系,采用带边分析法确定了禁带的位置,分析了入射角,不同偏振态对于带边位置,带宽的影响,表明了滤波器的带通特性。与传输矩阵法相比,带边分析法具有更为清晰、更为深刻的物理意义:光子晶体结构的周期性是光子禁带产生的根本原因。 2.运用传输矩阵法对滤波器的透射光谱进行数值模拟,验证了带边分析法的正确性,分析了入射角,不同偏振态对于透过率的影响,表明了滤波器在宽角度入射范围内令人满意的通带透过率。 本文的结尾处对于后续工作进行了展望,简要说明了制备滤波器的方法和关键技术。