[發(fā)明專利]一種同時抑制10.6μm激光反射和中遠(yuǎn)紅外波段大氣窗口輻射的一維光子晶體結(jié)構(gòu)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310311083.1
• 申請日: 2013-07-23
• 公開（公告）號: CN103412361A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田慧平;王陽;吳南;楊伊;紀(jì)越峰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: G02B5/20
• 分類號: G02B5/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一維光子晶體，更具體的說，涉及一種可以同時實現(xiàn)抑制10.6μm激光反射和3-5μm、8-14μm紅外輻射的一維光子晶體結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

光波在穿過大氣層時，會受到大氣層對光波的吸收和散射，因而使透過大氣層的光能量受到衰減，但是大氣層對光的吸收和散射影響會隨光的波長變化而變化。其中0.8-2.5cm微波波段、8-14μm遠(yuǎn)紅外波段、3-5μm中紅外波段以及1.5μm-1.8μm近紅外波段等因為能夠在大氣中達(dá)到70%以上的透射率，而被稱為大氣窗口。在自然界中，物體自身的熱輻射波長主要在3-5μm和8-14μm大氣窗口波段，所以中遠(yuǎn)紅外波段大氣窗口在實際中有著廣泛的應(yīng)用。例如NOVV衛(wèi)星的AVHRR遙感器用3.55-3.93μm探測海面溫度，獲得晝夜云圖。

10.6μm激光因為其波長遠(yuǎn)離人眼的可見光波段，不損傷視網(wǎng)膜。因此可以認(rèn)為中小功率的10.6μm激光器對人眼安全。同時激光在大氣中傳輸?shù)臅r候，由于大氣中的懸浮粒子的吸收和散射，會使傳輸?shù)募す饽芰克p，因此在霧靄天氣或者煙塵較多的環(huán)境中，激光的傳輸性能會降低很多。10.6μm激光因為波長較長，懸浮粒子的散射和吸收對它的影響很小，所以10.μm激光在霧靄天氣或者煙塵環(huán)境下的傳播性能比較優(yōu)秀。在傳輸10km距離時，10.6μm激光的傳播性能比1.06μm激光要好20dB。綜上所述，10.6μm激光因為具有對人眼安全和傳播性能好的優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。

1987年由E.Yablonovitch和S.John幾乎同時提出了光子晶體的物理概念。經(jīng)過二十多年的研究，光子晶體及光子晶體器件的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，被視為21世紀(jì)最具潛力的新型材料之一。光子晶體最根本的特性是具有光子禁帶(PBG)，頻率落在禁帶中的電磁波，無論其傳播方向如何，都被禁止傳播。此外，當(dāng)在光子晶體的周期性或者對稱性結(jié)構(gòu)引入缺陷，使得周期性或者對稱性被破壞時，在其光子帶隙中就會出現(xiàn)頻率極窄的缺陷態(tài)。與缺陷態(tài)頻率一致的光子就會被禁錮在缺陷附近，一旦離開缺陷位置，光就會大幅度衰減。通過對光子晶體結(jié)構(gòu)和材料的合理設(shè)計，可以有效地控制其在不同波段的反射率，使它符合在10.6μm波長處高透射和3-5μm、8-14μm波段幾乎100%反射的需求。例如，李進(jìn)等在《光子晶體對大氣窗口波段的發(fā)射輻射的抑制作用》中提到采用合適的光子晶體結(jié)構(gòu)可以顯著降低在3-5μm和8-14μm大氣窗口波段物體表面的發(fā)射輻射。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明設(shè)計了一種新型的一維光子晶體結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的一維光子晶體可以實現(xiàn)10.6μm波長處的高透射，同時在3-5μm和8-14μm大氣窗口波段實現(xiàn)近乎100%的全反射。

在3-5μm和8-14μm大氣窗口波段的相關(guān)應(yīng)用中，物體自身是輻射源，需要依靠物體的表面輻射，這是一種被動的應(yīng)用方式。而10.6μm激光在其應(yīng)用中需要10.6μm激光器發(fā)射激光光束，是一種主動的應(yīng)用方式。根據(jù)兩者應(yīng)用的形式不同，我們可以在目標(biāo)表面附上一層特制的光子晶體薄膜，這種薄膜對內(nèi)可以反射自身的紅外輻射，對外可以透射10.6μm激光探測器發(fā)送過來的激光信號。這樣同時實現(xiàn)10.6μm激光的高透射和3-5μm、8-14μm大氣窗口波段的高反射，在相應(yīng)的領(lǐng)域會有重要的應(yīng)用前景。

因此，本發(fā)明這樣設(shè)計的一維光子晶體結(jié)構(gòu)由兩種一維光子晶體結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成。

第一種一維光子晶體結(jié)構(gòu)是由半導(dǎo)體材料鍺（Ge，折射率為4.01）和材料氯化鉀（KCl，折射率為1.45）構(gòu)成,根據(jù)光子晶體設(shè)計的原理，調(diào)節(jié)這部分結(jié)構(gòu)的厚度以及周期可實現(xiàn)覆蓋3-5μm紅外窗口，從而全反射3-5μm波段的紅外輻射。

第二種一維光子晶體結(jié)構(gòu)仍然由半導(dǎo)體材料鍺和氯化鉀組成，然后我們引入缺陷層，缺陷層由材料硅（Si，折射率為3.42）構(gòu)成，根據(jù)光子晶體光譜挖洞原理，通過調(diào)節(jié)鍺和氯化鉀的厚度與周期，并設(shè)計好硅的厚度，可以實現(xiàn)在8-14μm波段的全反射并且同時實現(xiàn)在10.6μm的高透射。

將上述兩種光子晶體結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成一種的新型的光子晶體，合理的調(diào)節(jié)它們的周期與厚度，便可以同時實現(xiàn)在10.6μm波長處的高透射和3-5μm、8-14μm大氣窗口波段的高反射。

本發(fā)明設(shè)計的一維光子晶體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過理論分析，光波在X軸正方向入射時在10.6μm周圍激光反射率僅有4%，光波在X軸負(fù)方向入射時在3-5μm和8-14μm這兩個紅外窗口紅外反射率接近100%。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明的剖面示意圖。