CN101231441A - 一种级联的法布里-玻罗光学共振腔及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联的法布里－玻罗光学共振腔及其制备方法，该材料是在K9玻璃或石英玻璃片衬底上用磁控溅射技术，在高纯氩气氛中逐次生长出包含五个不同区域的由银膜和二氧化硅膜构成的级联法布里－玻罗光学共振腔；用该技术制备时膜厚控制精确，而且材料中间不存在液体层，该材料厚度超薄(总厚度小于380纳米)且结构稳定，而且容易控制，并具有在波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个共振模式，并且这五个共振模式的频率互不关联，每个模式可独立调控的功能。
Description
一、技术领域
本发明属于光电信息功能材料领域，具体地说是涉及一种级联的法布里-玻罗光学共振腔及其制备方法。
二、背景技术
众所周知，法布里-玻罗光学共振腔是由相隔一定距离的两块具有高反射率薄膜的平行平板组成的简单结构，它能够非常有效地选择电磁波的传播频率，在光电信息领域起着重要的作用。近年来，人们希望法布里-玻罗共振腔能够选择电磁波的多个传播频率，具有可调控的多通道的光学滤波功能。例如，2007年英国Exeter大学S.A.Jewell所在研究组研制了一种具有多通道光学滤波功能的法布里-玻罗共振腔。该原型器件在法布里-玻罗共振腔内填入1.5微米厚的液晶材料，当光垂直入射时，在波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个透射峰(共振模式)，并且五个透射峰的频率随着施加在液晶薄膜上的电压增大而少量地增加(详情参见S.A.Jewell，S.L.Cornford和J.R.Sambles等人发表于2007年美国《应用物理杂志》第102卷、第9期、第093108-1页至093108-4页的论文，即Journal of Applied Physics 102，093108(2007))。
根据美国《应用物理杂志》的这篇报道，该种填入1.5微米厚液晶的法布里-玻罗光学共振腔的制备方法是：
第一，在两片相同的氧化硅上，利用热蒸法方法分别生长一层厚度为20纳米、宽度为4毫米的银膜条带，且这两银膜条带成“十字形”；
第二，用同样方法在所得到的两银膜条带上分别生长15纳米厚的SiOx；
第三，将两片镀着银膜条带的氧化硅基片分开，相距约1.5微米，形成一个光学共振腔；
第四，将单轴液晶E7(BL001，Merck KGa)填入光学共振腔，从而制备出填有约1.5微米厚液晶的法布里-玻罗光学共振腔。
目前，利用填入约1.5微米厚液晶的法布里-玻罗光学共振腔可以在波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个透射峰(共振模式)，并且五个透射峰的频率随着施加在液晶薄膜上的电压增大而少量地增加。但是，该种光学共振腔得到的五个共振模式相互关联且不能任意选择，它们的波长必须满足如下公式：λ＝2nd/m(其中n为液晶的折射率，d为液晶层的厚度，m为五个连续的正整数)。此外，整个共振腔的厚度达2微米(不包括衬底即氧化硅基片)。因此，研制可任意选频的多通道的超薄法布里-玻罗光学共振腔颇有应用价值。
三、发明内容
1.发明目的
本发明的目的是提供一种具有特殊结构的级联的法布里-玻罗光学共振腔及其制备方法，这种超薄的法布里-玻罗光学共振腔具有在波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个共振模式，并且这五个共振模式的频率互不关联，每个模式可独立调控的功能，可用于多通道的光学滤波器件等。
2.技术方案
本发明的级联法布里-玻罗光学共振腔是由金属和介电材料构成的包含五个区域的三明治薄膜材料。选用的金属材料为Ag和介电材料为SiO2。该级联法布里-玻罗光学共振腔是按照图1所给的示意图首先将衬底平均分为五个区域，然后在每个区域依次生长第一层材料Ag膜(厚度dAg为33-43纳米)，然后生长第二层材料SiO2膜(每个区域该膜厚度不同)，再生长第三层材料Ag膜(厚度dAg为33-43纳米)。也就是，每个区域中第一层和第三层Ag膜厚度都相同，但第二层SiO2膜厚度不同，即在第一区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d1为276-296纳米)；在第二区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d2为130-150纳米)；在第三区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d3为160-180纳米)；在第四区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d4为190-210纳米)；在第五区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d5为214-234纳米)。这种具有五个区域Ag/SiO2/Ag/衬底的级联法布里-玻罗光学共振腔，总厚度不超过380纳米(不包括衬底)，具有在光波波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个共振模式，并且这五个共振模式的频率互不关联，每个模式可独立调控的功能。
利用磁控溅射技术制备如上所述的级联法布里-玻罗光学共振腔。我们选择K9玻璃或石英玻璃片为衬底；银Ag作为金属材料，石英玻璃SiO2作为介电材料(折射率nA＝1.46)。该种光学共振腔的制备方法是采用磁控溅射技术，使用银靶材和石英玻璃靶材，在氩气氛中制备五个区域Ag/SiO2/Ag/衬底的三明治薄膜材料。参照实验装置示意图(见图2)，执行如下具体步骤：
(1)打开生长室1，将高纯Ag靶和高纯石英玻璃SiO2靶分别安置在射频靶(T1)12和射频靶(T2)13的靶台2上；
(2)将掩膜片固定在衬底的合适位置，然后将衬底放置在样品转盘3上的样品台4上；
(3)用干泵5将生长室1抽真空达20Pa以下，再用低温泵6抽真空达3×10-5Pa以下；
(4)打开充氩气的阀门7，向生长室1内充入高纯氩气，利用计算机8实时控制流量计9，控制氩气流量，使生长室1内保持1Pa以下的氩气压；
(5)设置射频电源(P1)14的功率为20瓦，启动供给Ag(T1)靶的射频电源(P1)14，Ag靶起辉；设置射频电源(P2)15的功率为100瓦，启动供给SiO2靶(T2)的射频电源(P2)15，SiO2靶亦起辉；
(6)利用计算机8控制电机10和旋转轴11，将样品台4转至Ag靶(T1)正上方，Ag靶溅射，衬底上沉积第一层厚度为33纳米至43纳米的Ag膜；
(7)利用计算机8控制电机10和旋转轴11，将样品台4转至SiO2靶(T2)正上方，SiO2靶溅射，沉积第二层厚度为276纳米至296纳米的SiO2膜；
(8)重复上述步骤(6)，沉积第三层厚度为33纳米至43纳米的Ag膜，至此已完成第一区的Ag/SiO2/Ag的制备，关闭射频电源(P1)14和射频电源(P2)15。
(9)重复上述步骤(2)至(8)，完成第二至第五区的Ag/SiO2/Ag的制备，这四个区域中第二层膜(即SiO2膜)的厚度依次分别控制为130纳米至150纳米、160纳米至180纳米、190纳米至210纳米、214纳米至234纳米，从而，制备出图1所示的具有五个区域Ag/SiO2/Ag/衬底的级联法布里-玻罗光学共振腔。
上述银靶的纯度为99.999％，石英玻璃的纯度为99.995％，氩气的纯度为99.999％。
利用美国PerkinElmer公司Lambda 900分光光度计，测量级联法布里-玻罗光学共振腔在波长为400纳米至1050纳米之间的光学透射谱(参见图3)。测量时以光通过与该光学共振腔每个区域同等空间范围的空气时的透射率为基线。如图3所示，在光垂直入射时的透射谱中，在400纳米至850纳米的波长范围内获得了五个共振模式即：496纳米、567纳米、643纳米、736纳米和799纳米；该五个共振模式的频率彼此不关联，每个模式的频率可通过改变该级联法布里-玻罗光学共振腔中每一区域中SiO2膜的厚度来调控。因此，这种级联法布里-玻罗光学共振腔，总厚度不超过380纳米(不包括衬底)，具有在光波波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个共振模式，并且这五个共振模式的频率互不关联，每个模式可独立调控的功能。
利用转移矩阵方法，计算出该级联法布里-玻罗光学共振腔在波长为400纳米至1050纳米之间的光学透射谱(参见图4)。有关转移矩阵方法的具体算法可参见我们发表于2002年美国《应用物理快报》第80卷、第17期、第3063页至3065页的论文，即R.W.Peng(彭茹雯)等Applied Physics Letters 80，3063(2002)。图4所示的理论结果与图3所示的实验结果在共振模式的峰位和透射强度等方面吻合得很好，两者共振模式的峰位偏差小于1％。
3.有益成果
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明的级联法布里-玻罗光学共振腔具有在波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个独立的共振模式，分别为496纳米、567纳米、643纳米、736纳米和799纳米，并且这五个共振模式的频率互不关联，每个共振模式可以通过改变每一区域中SiO2膜的厚度来进行独立调控的功能。此外，该级联法布里-玻罗光学共振腔总厚度不超过380纳米(不包括衬底)。
现有技术，例如2007年英国Exeter大学S.A.Jewell所在研究组研制的一种填入1.5微米厚液晶的法布里-玻罗光学共振腔(详情参见S.A.Jewell，S.L.Cornford和J.R.Sambles等人发表于2007年美国《应用物理杂志》第102卷、第9期、第093108-1页至093108-4页的论文，即Journal of Applied Physics 102，093108(2007))，其在波长为400纳米至850纳米的范围内也获得五个共振模式，虽然五个透射峰的频率随着施加在液晶薄膜上的电压增大而集体移动，但该种光学共振腔得到的五个共振模式相互关联且不能任意选择，它们的波长必须满足如下公式：λ＝2nd/m(其中n为液晶的折射率，d为液晶层的厚度，m为五个连续的正整数)。此外，整个共振腔的厚度达2微米(不包括衬底即氧化硅基片)。因此，本发明的级联法布里-玻罗光学共振腔在获得彼此不关联且可独立调控的多个光学共振模式上存在优势；同时，本发明的级联法布里-玻罗光学共振腔，其总厚度远小于现有技术，在器件小型化等方面也存在优势。
第二，本发明级联法布里-玻罗光学共振腔由磁控溅射方法制备，在制备具有Ag/SiO2/Ag三明治结构时膜厚控制精确。该材料结构稳定且容易控制。
现有技术，例如2007年英国Exeter大学S.A.Jewell所在研究组研制的一种填入1.5微米厚液晶的法布里-玻罗光学共振腔(详情参见S.A.Jewell，S.L.Cornford和J.R.Sambles等人发表于2007年美国《应用物理杂志》第102卷、第9期、第093108-1页至093108-4页的论文，即Journal of Applied Physics102，093108(2007))，其样品是在共振腔中填入约1.5微米厚的单轴液晶E7(BL001，Merck KGa)，该样品中单轴液晶E7(液体)的厚度不容易控制。从而，本发明在法布里-玻罗光学共振腔的制备方法和精度控制上存在优势。
四、附图说明
图1、本发明中由五个区域Ag/SiO2/Ag构成的级联法布里-玻罗光学共振腔的结构示意图。
图2、本发明中制备级联法布里-玻罗光学共振腔的磁控溅射制膜设备示意图。
图3、分光光度计测量得到的级联法布里-玻罗光学共振腔的光波透射谱。
图4、转移矩阵方法计算得到的级联法布里-玻罗光学共振腔的光波透射谱。
附图标号：图2中，1-生长室 2-靶台 3-样品转盘 4-样品台 5-干泵
6-低温泵 7-充Ar气阀门 8-计算机 9-流量计
10-电机 11-旋转轴 12-射频靶(T1)
13-射频靶(T2) 14-射频电源(P1) 15-射频电源(P2)
五、具体实施方式
本发明中级联法布里-玻罗光学共振腔和制备方法的具体实施方式如下：
实施例1，选用衬底为K9玻璃，金属材料为Ag，介电材料为SiO2所构成的包含五个区域Ag/SiO2/Ag的级联法布里-玻罗光学共振腔。借助掩膜将衬底材料为厚1.2毫米的K9玻璃平均分为五个区域，利用磁控溅射方法，在每个区域逐次生长第一层材料Ag膜(厚度dAg＝38纳米)，然后生长第二层材料SiO2膜(每个区域该膜厚度不同)，再生长第三层材料Ag膜(厚度dAg＝38纳米)。也就也就是，每个区域中第一层和第三层Ag膜厚度都相同(dAg＝38纳米)。但第二层SiO2膜厚度不同。具体地说，在第一区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d1＝286纳米)；在第二区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d2＝140纳米)；在第三区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d3＝170纳米)；在第四区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d4＝200纳米)；在第五区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d5＝224纳米)。这种超薄的级联法布里-玻罗光学共振腔具有在400纳米至850纳米的波长范围内获得了五个共振模式即：496纳米、567纳米、643纳米、736纳米和799纳米。该五个共振模式的频率彼此不关联，每个模式的频率可通过改变该共振腔中每一区域中SiO2膜的厚度来调控。因此，这种级联法布里-玻罗光学共振腔，总厚度不超过380纳米(不包括衬底)，具有在光波波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个共振模式，并且这五个共振模式的频率互不关联，每个模式可独立调控的功能。
实施例2，选用衬底为石英玻璃片，金属材料为Ag，介电材料为SiO2所构成的包含五个区域Ag/SiO2/Ag的级联法布里-玻罗光学共振腔。借助掩膜将衬底材料为厚0.6毫米的石英玻璃片平均分为五个区域，利用磁控溅射方法，在每个区域逐次生长第一层材料Ag膜(厚度dAg＝38纳米)，然后生长第二层材料SiO2膜(每个区域该膜厚度不同)，再生长第三层材料Ag膜(厚度dAg＝38纳米)。也就是，每个区域中第一层和第三层Ag膜厚度都相同(dAg＝38纳米)，但第二层SiO2膜厚度不同。具体地说，在第一区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d1＝284纳米)；在第二区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d2＝141纳米)；在第三区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d3＝162纳米)；在第四区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d4＝183纳米)；在第五区，生长第二层材料SiO2膜(厚度d5＝212纳米)。这种超薄的级联法布里-玻罗光学共振腔具有在400纳米至850纳米的波长范围内获得了五个共振模式即：494纳米、564纳米、623纳米、680纳米和763纳米。该五个共振模式的频率彼此不关联，每个模式的频率可通过改变该共振腔中每一区域中SiO2膜的厚度来调控。因此，这种级联法布里-玻罗光学共振腔，总厚度不超过380纳米(不包括衬底)，具有在光波波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个共振模式，并且这五个共振模式的频率互不关联，每个模式可独立调控的功能。
实施例3，一种级联法布里-玻罗光学共振腔的制备方法。我们选择K9玻璃或石英玻璃片为衬底；银Ag作为金属材料，石英玻璃SiO2作为介电材料，采用磁控溅射技术，使用银靶材和石英玻璃靶材，在氩气氛中制备包含五个区域Ag/SiO2/Ag/衬底的级联法布里-玻罗光学共振腔。参照实验装置示意图(见图2)具体步骤如下：
(1)打开生长室1，将高纯Ag靶和高纯石英玻璃SiO2靶分别安置在射频靶(T1)12和射频靶(T2)13的靶台2上；
(2)将掩膜片固定在K9玻璃衬底的合适位置，然后将衬底放置在样品转盘3上的样品台4上；
(3)用干泵5将生长室1抽真空达20Pa以下，再用低温泵6抽真空达3×10-5Pa以下；
(4)打开充氩气的阀门7，向生长室1内充入高纯氩气，利用计算机8实时控制流量计9，控制氩气流量，使生长室1内保持1Pa以下的氩气压；
(5)设置射频电源(P1)14的功率为20瓦，启动供给Ag靶(T1)的射频电源(P1)14，Ag靶起辉；设置射频电源(P2)15的功率为100瓦，启动供给SiO2靶(T2)的射频电源(P2)15，SiO2靶亦起辉；
(6)利用计算机8控制电机10和旋转轴11，将样品台4转至Ag靶(T1)正上方，Ag靶溅射，衬底上沉积第一层厚度为38纳米的Ag膜；
(7)利用计算机8控制电机10和旋转轴11，将样品台4转至SiO2靶(T2)正上方，SiO2靶溅射，沉积第二层厚度为286纳米的SiO2膜；
(8)重复上述步骤(6)，沉积第三层厚度为38纳米的Ag膜。至此已完成第一区的Ag/SiO2/Ag的制备，关闭射频电源(P1)14和射频电源(P2)15；
(9)重复上述步骤(2)至(8)，完成第二至第五区的Ag/SiO2/Ag的制备，这四个区域中第二层膜(即SiO2膜)的厚度分别控制为140纳米、170纳米、200纳米、224纳米，从而，制备出图1所示的具有五个区域Ag/SiO2/Ag/衬底的级联法布里-玻罗光学共振腔。
Claims (5)
1.一种级联的法布里-玻罗光学共振腔，由衬底和金属材料Ag以及介电材料SiO2构成，其特征在于将衬底材料平均分为五个区域，在每个区域逐次生长第一层材料Ag膜，然后生长第二层材料SiO2膜，再生长第三层材料Ag膜。每个区域中第一层和第三层Ag膜厚度为33-43纳米，但第二层SiO2膜厚度不同。具体地说，在第一区，第二层材料SiO2膜厚度为276-296纳米；在第二区，第二层材料SiO2膜厚度为130-150纳米；在第三区，第二层材料SiO2膜厚度为160-180纳米)；在第四区，第二层材料SiO2膜厚度为190-210纳米；在第五区，第二层材料SiO2膜厚度为214-234纳米。这种级联法布里-玻罗光学共振腔总厚度小于380纳米(不包括衬底)，中间不存在液晶材料层，具有在光波波长为400纳米至850纳米的范围内获得五个共振模式，并且这五个共振模式的频率互不关联，每个模式可独立调控的功能。
2.根据权利要求1所述的级联法布里-玻罗光学共振腔，其特征是所述的衬底材料为K9玻璃或石英玻璃片。
3.一种级联法布里-玻罗光学共振腔的制备方法，其特征是采用磁控溅射技术，使用银靶材和石英玻璃靶材，在氩气氛中制备五个区域的Ag/SiO2/Ag/衬底的级联法布里-玻罗光学共振腔，具体步骤如下：
(a)打开生长室(1)，将高纯Ag靶和高纯石英玻璃SiO2靶分别安置在射频靶(T1)(12)和射频靶(T2)(13)的靶台(2)上；
(b)将掩膜片固定在K9玻璃或石英玻璃片衬底的合适位置，然后将衬底放置在样品转盘(3)上的样品台(4)上；
(c)用干泵(5)将生长室(1)抽真空达20Pa以下，再用低温泵(6)抽真空达3×10-5Pa以下；
(d)打开充氩气的阀门(7)，向生长室(1)内充入高纯氩气，利用计算机(8)实时控制流量计(9)，控制氩气流量，使生长室(1)内保持1Pa以下的氩气压；
(e)设置射频电源(P1)(14)的功率为20瓦，启动供给Ag靶(T1)的射频电源(P1)(14)，Ag靶起辉；设置射频电源(P2)(15)的功率为100瓦，启动供给SiO2靶(T2)的射频电源(P2)(15)，SiO2靶亦起辉；
(f)利用计算机(8)控制电机(10)和旋转轴(11)，将样品台(4)转至Ag靶(T1)正上方，Ag靶溅射，衬底上沉积第一层厚度为33纳米至43纳米的Ag膜；
(g)利用计算机(8)控制电机(10)和旋转轴(11)，将样品台(4)转至SiO2靶(T2)正上方，SiO2靶溅射，沉积第二层厚度为276纳米至296纳米的SiO2膜；
(h)重复上述步骤(f)，沉积第三层厚度为33纳米至43纳米的Ag膜，至此已完成第一区的Ag/SiO2/Ag的制备，关闭射频电源(P1)(14)和射频电源(P2)(15)；
(i)重复上述步骤(b)至(h)，完成第二至第五区的Ag/SiO2/Ag的制备，这四个区域中第二层膜(即SiO2膜)的厚度分别控制为130纳米至150纳米、160纳米至180纳米、190纳米至210纳米、214纳米至234纳米，从而，制备出具有五个区域Ag/SiO2/Ag/衬底的级联法布里-玻罗光学共振腔。
4.根据权利要求3所述的级联法布里-玻罗光学共振腔的制备方法，其特征在于在步骤(a)中银靶的纯度为99.999％，石英玻璃的纯度为99.995％。
5.根据权利要求3所述的级联法布里-玻罗光学共振腔的制备方法，其特征在于在步骤(d)中向生长室(1)内充入纯度为99.999％氩气。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CNA2008100202101A CN101231441A (zh) | 2008-02-27 | 2008-02-27 | 一种级联的法布里-玻罗光学共振腔及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN104834397A (zh) * | 2014-02-07 | 2015-08-12 | 胜华科技股份有限公司 | 触控装置 |
| CN109149789A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-01-04 | 苏州大学 | 一种无线充电方法及装置 |
| WO2020192526A1 (zh) * | 2019-03-22 | 2020-10-01 | 华为技术有限公司 | 模分复用器、模分复用系统、解复用系统及通信系统 |
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2008
- 2008-02-27 CN CNA2008100202101A patent/CN101231441A/zh active Pending
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