基于无序的多通道独立可调局域滤光片及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于滤光片领域，特别涉及一种基于无序的多通道独立可调局域滤光片及 其设计方法。
【背景技术】
[0002] 《自然》杂志2004年发表了一篇论文，提出"无序是一种新的有序"，"无序器件可能 具有比传统有序器件更好的性能"，参见参考文献[1]。在无序介质中，波被局域在介质内 部一即Anderson局域效应，参见参考文献[2]。
[0003] 波在一维无序介质中的局域表现为一系列随机分布的具有较高透过率和较高强 度分布的共振透过波长，参见参考文献[3]。这些共振透过波长可以用于控制激光输出光谱 和降低激光工作阈值，文献报道的一维无序介质包括厚度随机分布的分层介质（参见参考 文献[4][5])和光纤Bragg光栅阵列（参见参考文献[6][7])。但是，上述文献报道的局域现 象具有一个明显的不足:一维介质中引入的无序以及导致的局域都是随机的，这意味着无 序引入的共振透过峰在光谱上随机分布，且具有随机涨落的透过率。因此，上述基于随机无 序的研究的特点是通道位置随机、通道透过率高低不一，不适用于需要通道位置确定、通道 透过率高的具有复杂光谱选择性的应用领域如受激拉曼散射成像和荧光成像等领域(参见 参考文献[8][9])。
[0004] 传统的滤光片基于有序结构。以分层介质滤光片为例，常见的分层介质滤光片基 于单个F-P结构，可以实现单个可调的通道。具体膜系为：（HL) maH(LH)m，其中Η为高折射率膜 层，L为低折射率膜层，（HL)mS(LH) m为反射膜系，αΗ为间隔层，Η和L膜层的光学厚度为λ〇/4， λ〇为设计波长，m为Η和L膜层交替出现的次数，a为控制单个通道的峰位因子。
[0005]在题为"基于分形结构的多通道位置独立可调滤光片"的发明专利申请中（申请 号:200610024250.4)，提出了一种基于F-P滤光片的分形结构的滤光片。基于分形结构可以 实现双通道独立可调，具体膜系为：（HL) maH(LH)mf3L(HL)maH(LH)m，其中a为控制通道1的峰 位因子，β为控制通道2的峰位因子。同样基于分形结构可以实现三通道独立可调，具体膜系 为 ：（HL)maH(LH)m0L(HL)maH(LH) mYL(HL)maH(LH)m0L(HL)maH(LH) m，其中 a 为控制通道 1 的峰 位因子，β为控制通道2的峰位因子，γ为控制通道3的峰位因子。依次类推，基于分形结构可 以获得更多通道独立可调的滤光片。
[0006]上述分形结构滤光片的主要缺点在于：随着所需通道数的增多，所含膜系的层数 成指数增长关系。比如实现双通道需要的膜系层数为8m+3,三通道为16m+7,四通道为32m+ 15,依次类推。且在该发明中指出"单个间隔层的层数2m不能太小，分则会引起各通道之间 的相互耦合，m值越大则相互耦合越小。在实际设计中，m值取6较为合理"。根据上述描述，实 现双通道需要的膜系数为51层，三通道为103层，四通道为207层。当所需通道数较多时，滤 光片所含膜系的层数将太多，以至于实际上无法加工。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种基于无序的多通道独立可调局域滤光片及其设计方法，其目的 在于，克服现有技术中滤光片无法实现多通道同时独立可调，或可调通道数量较少，加工困 难的问题。
[0008] -种基于无序的多通道独立可调局域滤光片，以反射器-腔结构为基础，调整反射 器-腔结构的无序因子，从而确定反射器的反射系数和/或腔的光学厚度，获得多通道独立 可调局域滤光片；
[0009] -旦无序因子确定，反射器-腔结构中的反射系数和腔的光学厚度也相应确定；
[0010] 所述反射器-腔结构包括N+1个反射器(Ri，R2,…，Rn+i)和N个腔(Ci，C2,…，Cn);
[0011] 其中，所述反射器-腔结构的无序因子包括反射器的无序因子((^，(^，…，(^彡和腔 的无序因子(β?，β2，···，?):
[0012] (Λ.1，*%，·'. ) -('1 "1，.'2 "2，·.、' 7jV+:1 ).
[0013] ,βΝ) = {?χ / /j0 ,/2 / /° ,···,/ν /
[0014] (?，…，力^和^，^，…，rN+1)分别为有序和无序的反射器-腔结构中各反射器 从左至右的反射系数，0°，/〗，···,/》)和（lhls，一,14分别为有序和无序的反射器-腔结构中 各腔从左至右的光学厚度。
[0015] 有序的反射器-腔结构为无序的反射器-腔结构的一种特殊情况，其无序因子均为 1〇
[0016]局域滤光片通道对应波长的强度分离度接近0,透过率接近1;通道外波长的强度 分离度接近1，透过率接近〇;
[0017]其中，局域滤光片任一波长λ」的强度分离度为Δ I(Si，S2，."S2N+2;Xj)，维度为(2Ν+ 2)X1：
[0018] Δ I(Sl，S2，."S2N+2 ;Xj) = I Il(Si，S2，."S2N+2 ;Xj)-lR(Sl，S2，???Ssn.〗；、)
[0019] (&，&，…，S2N+2)为局域滤光片中从左至右的各反射器面；
[0020] Il(Si,S2, ???S2N+2；^j) = Il(Si ,S2, -··82Ν+2；^j)/max[lL(Si,S2, - ··82Ν+2；^j)]
[0021 ] Ir(Si,S2, ???S2N+2；^j) = Ir(Si ,S2, -··82Ν+2；^j)/max[lR(Si,S2, - ··82Ν+2；^j)]
[0022] 11(31，32，."32_;入」）和11(31，32，".32糾；人」）分别为光从左入射'到反射'器-腔结构 时各个面强度和归一化强度，lR(Sl,S2, 和1[?(51，52，"_32〃+2^)分别为光从右入射 到反射器-腔结构时各个面的强度和归一化强度；
[0023 ] max [ IL (Si，S2，…S2N+2; λ j)]是指光从左入射到反射器-腔结构时各个面强度中的最 大强度；
[0024] max[lR(Si，S2，"_S2N+2;Xj)]是指光从右入射到反射器-腔结构时各个面强度中的最 大强度；
[0025] 所述反射器-腔结构中每个面的强度采用耦合模方程或传输矩阵计算获得。
[0026] 局域滤光片中每个波长均有一个对应的强度分离度，所设置的局域滤光片通道是 指定通道对应波长的光通过局域滤光片时具有接近1的透过率，称之为局域滤光片的通道 波长;所设置的局域滤光片通道外的波长的光通过局域滤光片时具有接近〇的透过率，称之 为通道外波长。
[0027]可实现不同的通道数且独立可调，通道数Μ的最小值为1，最大值等于无序因子的 数量。
[0028]当仅包含反射器无序时(无序因子数量为Ν+1)，Μ最小值为1，最大值为Ν+1;当仅包 含腔无序时(无序因子数量为Ν)，Μ最小值为1，最大值为Ν;
[0029]当同时包含反射器无序和腔无序时，Μ最小值为1，最大值为2Ν+1。无序因子和滤光 片通道并无一一对应关系。
[0030] 实现单通道滤光片涉及到所有无序因子的调整，实现多通道滤光片同样涉及到所 有无序因子的调整；当需要改变多通道滤光片中的一个或几个通道同时其它通道保持不变 时，同样涉及到所有无序因子的调整。
[0031] 滤光片通道、Anderson局域和强度分离度三者的对应关系如下：
[0032]通道波长对应Anderson局域，其特征是强度分离度接近0(实际设计中可采用小于 10-3作为判据），相应的具有接近1的透过率；
[0033]通道外波长(对应Anderson解局域，其特征是强度分离度接近1(实际设计中可采 用大于0.98作为判据），相应的具有接近0的透过率。
[0034]所述局域滤光片通道波长的强度分离度接近0和通道外波长的强度分离度接近1， 是指局域滤光片中每个通道波长的强度分离度同时接近〇,并且每个通道外波长的强度分 离度接近1。
[0035]所述反射器-腔结构至少包括分层介质或光纤Bragg光栅阵列；
[0036]所述分层介质结构是指介质界面为反射器，介质层为腔；
[0037]所述光纤Bragg光栅阵列是指光纤Bragg光栅为反射器，光纤段为腔。
[0038] 所述反射器-腔结构的局域滤光片采用低吸收率材料制成；
[0039] 所述低吸收率材料是指在局域滤光片的工作波长段内材料的折射率虚部小于 0.01ο
[0040] -种基于无序的多通道独立可调局域滤光片的设计方法，对上述的基于无序的多 通道独立可调局域滤光片的设计过程，包括以下几个步骤：
[0041] 步骤1:获取反射器-腔结构的无序因子；
[0042] 所述无序因子包括反射器的反射系数和腔的光学厚度的无序因子；
[0043] 此时获得的无序因子可以为任意值，为了后续的调整操作方便，可将无序因子均 设置为1;
[0044] 步骤2:计算局域滤光片中在所需工作波长段中每个波长\的强度分离度AI(S1; S2，…S2N+2;入」）；
[0045] Δ l(Sl , S2 , -··82Ν+2 ；^j) = I Il(Si , S2 , - ··82Ν+2 ；^j)-Ir(Si , S2 , ???S2N+2；^j)
[0046] (&，&，…，S2N+2)为局域滤光片中从左至右的各反射器面；
[0047] Il(Si,S2, ???S2N+2；^j) = Il(Si ,S2, -··82Ν+2；^j)/max[lL(Si,S2, - ··82Ν+2；^j)]
[0048] Ir(Si,S2, ???S2N+2；^j) = Ir(Si ,S2, -··82Ν+2；^j)/max[lR(Si,S2, - ··82Ν+2；^j)]
[0049] 1[(31，32，."32_;入」）和1[(31，32，".32糾;入」）分别为光从左入射'到反射'器-腔结构 时各个面强度和归一化强度，