[发明专利]一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺

摘要

一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，1)选用厚度分别为dA和dB的材料A和B构成n级Fibonacci序列薄膜的周期单元，由此薄膜周期单元构成一维光子晶体；2)所述的材料A和B可为红外材料、可见光材料或紫外光材料中的一种；3)利用数值和解析方法计算步骤1)的一维光子晶体薄膜的能带和等频率表面，并绘制其等频率表面图；要求这种用于制备多光束合束器的一维光子晶体薄膜必须具有二维直边型等频率表面的特殊色散关系；4)根据步骤3)的计算结果，利用材料A和B制备厚度分别为dA和dB，周期为m的n级Fibonacci序列薄膜，从而形成准周期薄膜的光学合束器件；这种合束器具有结构简单、设计制备方法简单的特点。

主权项

1.一种Fibonacci序列光子晶体薄膜光学合束器件的设计与制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)令Fibonacci光学合束器件使用的中心波长为Λ；2)选择两种适合镀膜的材料A和B，材料A、B在中心波长Λ附近的折射率分别为nA和nB，3)利用步骤2)选定的材料A和B构成n级Fibonacci序列薄膜周期单元，其中，假定由A材料和B材料构成的薄膜厚度分别为dA和dB。Fibonacci序列薄膜周期单元的构造方法如下：0级Fibonacci序列薄膜周期单元由材料A和B构成，膜系的层数为两层，膜系中A、B两种材料的排列顺序可以表示为AB，当采用替代规则后即可产生1级Fibonacci序列薄膜系，1级Fibonacci序列薄膜系仍由A、B两种材料构成，膜系的层数为三层，膜系中A、B两种材料薄膜的排列顺序可以表示为ABA；所述的材料A和B可为红外材料、可见光材料或紫外材料中的一种；所述的替代规则为：用材料排列顺序为AB的两层薄膜代替0级Fibonacci序列薄膜系中的A层薄膜，用材料A构成的一层薄膜代替0级Fibonacci序列薄膜系中的B层薄膜，由此构成1级Fibonacci序列薄膜系，在上一级Fibonacci序列薄膜系中使用上述替代规则，就可以构成下一级Fibonacci序列薄膜系；4)由步骤3)所述的n级Fibonacci序列薄膜周期单元构成一维光子晶体薄膜系，利用数值方法计算该一维光子晶体薄膜系的能带，并根据带隙的位置绘制光子晶体的等频率表面图，利用解析计算方法进行验证；若该一维光子晶体薄膜的直边等频率表面的无单位频率范围为a/λ∈[f1，f2]，其中，a为一维光子晶体的晶格常数，λ为入射波的波长，f1和f2为无单位频率，则根据a/Λ＝(f1+f2)/2计算出该一维光子晶体的晶格常数a，根据式a/f2＝Λ1和式a/f1＝Λ2计算出一维光子晶体直边等频率表面所处的实际波长区间λ∈[Λ1，Λ2]，由此即可得到Fibonacci序列薄膜光学合束器件所使用的波长区间，若上述n级Fibonacci序列薄膜系由p层膜构成，由Fibonacci序列薄膜的递推关系即可得到厚度dA和dB；5)计算膜系透射率，计算膜系透射率的转移矩阵数值方法的公式如下其中，公式(2)中的B、C为矩阵元，k为第k层膜，i为复数单位，ηj和ηk+1分别为第j层膜和衬底的光学导纳，δj为所通过光波在第j层膜中的相移，它可用公式(2)表述出来，公式(2)中λ为入射波的波长，Nj为第j层膜在波长为λ时的折射率，而dj为第j层膜的厚度，公式(3)中，T为膜系的透射率，η0为入射一方的光学导纳，由于合束器件放于真空或空气之中，故η0和ηk+1均可近似看作是真空的光学导纳，利用转移矩阵方法的公式(1)‑(3)以及材料折射率的相关数据，用数值方法计算m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系的透射率；6)根据上述计算结果所得到的材料A和B及其厚度dA和dB，选用适当的薄膜制备工艺，如电阻蒸镀，电子束蒸镀；或磁控溅射以及离子束溅射等，用厚度分别为dA和dB的材料A和B，制备m个周期的n级Fibonacci序列薄膜系，即可制备出波长处于区间[Λ1，Λ2]的Fibonacci薄膜光学合束器件，该光学合束器件可对处于角度区间[‑α，α]的入射光起到光学合束作用。