光學(xué)薄膜中超棱鏡效應(yīng)的研究.pdf

1、薄膜中的超棱鏡效應(yīng)為光學(xué)薄膜開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，它使得傾斜放置的光學(xué)薄膜可以從空間上將不同波長(zhǎng)的電磁波進(jìn)行分離，因此薄膜超棱鏡結(jié)構(gòu)可用作類如棱鏡、光柵的空間色散器件。而基于超棱鏡效應(yīng)的光學(xué)薄膜色散器件可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)色散器件的空間解復(fù)用效果，且在尺寸、集成度、穩(wěn)定性、可靠性和成本等方面優(yōu)勢(shì)明顯，被認(rèn)為是新一代低成本的光通訊波分復(fù)用器件。本課題研究了多種光學(xué)薄膜中的超棱鏡效應(yīng)并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，主要涉及以下幾個(gè)內(nèi)容： 1.超棱鏡

2、效應(yīng)相關(guān)的模擬計(jì)算。在深入分析實(shí)現(xiàn)前人工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)其局限性，提出了幾種新的超棱鏡效應(yīng)相關(guān)計(jì)算的方法。首先，鑒于群延遲是色散系統(tǒng)中的一個(gè)重要因子，提出了一種基于多鏡理論計(jì)算多腔級(jí)聯(lián)濾波器群延遲的方法，從而大大簡(jiǎn)化了多腔器件群延遲的計(jì)算和優(yōu)化工作。接著，在以往研究者提出的超棱鏡效應(yīng)計(jì)算方法一時(shí)空色散正比法的基礎(chǔ)上，首次引入了應(yīng)用于其他領(lǐng)域的穩(wěn)態(tài)位相法和高斯頻譜展開(kāi)法計(jì)算模擬了超棱鏡效應(yīng)。與時(shí)空色散正比法相比，穩(wěn)態(tài)位相法更為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確；

3、而高斯頻譜展開(kāi)法不但可以適用于更廣泛的場(chǎng)合：如不同分布的入射光、不同結(jié)構(gòu)的膜系等，而且可以更為精確地分析薄膜內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布，從而方便地解釋各種伴隨發(fā)生的物理現(xiàn)象：如光斑分裂效應(yīng)、波形畸變效應(yīng)等。 2.設(shè)計(jì)了幾種新型的可調(diào)諧和多通道薄膜超棱鏡器件，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。為了適應(yīng)光通信領(lǐng)域中密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了幾種典型的薄膜超棱鏡系統(tǒng)，包括利用角度調(diào)諧的薄膜法布里一珀羅濾光片和液晶法布里一珀羅濾光片中的超棱

4、鏡效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的空間解復(fù)用器件；然后設(shè)計(jì)了一種在常規(guī)反射膜堆兩端添加厚度遞減反射膜堆的薄膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多通道的空間解復(fù)用效果；最后基于鈮酸鍶鋇Gires-Toumois薄膜干涉濾光片的電光效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種新型的空間色散位移隨入射波長(zhǎng)呈臺(tái)階狀分布的超棱鏡結(jié)構(gòu)，改善了線性空間位移的不足，得到了在信道中心附近有一定波長(zhǎng)漂移容差的“類臺(tái)階”空間位移特性。事實(shí)證明這種結(jié)構(gòu)還可以用于色散補(bǔ)償系統(tǒng)，并舉例對(duì)50GHz的薄膜濾光片進(jìn)行了色散補(bǔ)償。這

5、幾種薄膜結(jié)構(gòu)與已有的設(shè)計(jì)相比要簡(jiǎn)單很多，制備方便，本文實(shí)際制備了其中兩種器件，并搭建了薄膜超棱鏡測(cè)試裝置對(duì)色散效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。 3.提出了一種新型的薄膜窄帶反射濾光片結(jié)構(gòu)，并測(cè)試了其超棱鏡效應(yīng)。針對(duì)顯示、攝像、激光等經(jīng)常使用反射系統(tǒng)的領(lǐng)域設(shè)計(jì)了一種薄膜反射濾光片，可以實(shí)現(xiàn)高的峰值反射率、窄的帶寬及高的截止深度。相對(duì)于傳統(tǒng)透射濾光片來(lái)說(shuō)，這種反射濾光片對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性要求不高，制備方便，本文實(shí)際制備出的反射濾光片與理論設(shè)計(jì)極為接近。對(duì)

6、此結(jié)構(gòu)的超棱鏡效應(yīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于常用的高反膜、透射濾光片等，反射能量利用率可以提高到兩倍以上，且基本不降低色散效果。最后將光子晶體理論引入這種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多通道反射濾光片的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了制備。 4.首次測(cè)試出了光學(xué)薄膜中負(fù)色散位移效應(yīng)，并給出了相關(guān)的分析討論。負(fù)的空間位移效應(yīng)意味著光束產(chǎn)生了逆?zhèn)鞑シ较虻囊苿?dòng)，嘗試了使用波形畸變和超光速兩種理論對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行了解釋。分析了脈沖光經(jīng)過(guò)產(chǎn)生負(fù)位移薄膜后的分布情況，試圖在空間上的

7、色散位移正負(fù)與時(shí)間上的快慢光效應(yīng)之間建立一種聯(lián)系，這種聯(lián)系將為快慢光效應(yīng)的測(cè)試提供一條低成本的捷徑。將正負(fù)空間位移效應(yīng)相結(jié)合，本文還設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)的超棱鏡效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更寬的色散范圍和更大的色散位移。 5.搭建了超棱鏡效應(yīng)相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)。為了更好地對(duì)超棱鏡效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，本文先后兩次搭建了微位移測(cè)試平臺(tái)，尤其是最后采用的“光學(xué)薄膜光柵”超色散測(cè)試系統(tǒng)，采用精密可調(diào)的單色系統(tǒng)、小光束準(zhǔn)直系統(tǒng)以及精密光斑位置檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精