CN101266309A - 具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，膜系结构为以非对称Fabry－Perot结构为基础的介质－金属复合膜系，所述的膜系结构为Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βMP|Air，其中，Sub为光学薄膜基片，Air为空气，H、L分别为1/4波长光学厚度的高、低折射率材料；αL中，L为间隔层或缺陷层，α为厚度系数；M为金属层，β为金属层厚度，P为导纳匹配层，m₁、m₂为(HL)重复单元的个数，m₁＞m₂。优点是：以非对称Fabry－Perot结构为基础的介质－金属复合结构，具有反射峰位置连续可调；反射峰位置可精确设计调控；极大展宽低反射旁通带；反射峰半宽度可调；反射峰高度可调等特点，应用于光学仪器、天文、遥感及光通讯等领域。

Description

具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片

技术领域

本发明为一种光学滤光片器件，尤其是一种具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片及其制备方法，在光学仪器、天文、遥感以及光通讯等方面有着应用前景。

背景技术

现有的反射滤光片一般有以下两种：

1、基于全介质的光学薄膜

较为典型的反射滤光片为由高、低折射率材料组成的周期性多层膜结构。该结构存在着多个反射带，即主反射带和高级次反射带。半宽度由高、低膜层折射率的相对大小决定，对于常用的光学薄膜材料，主反射带的带宽约为反射带中心波长的30％，所以很难用这种方法得到窄带高反射滤光片。通过对上述周期多层膜结构进行优化，可压缩反射带的带宽，实现凹陷滤光(notch filter)，但这类方法需要更多的膜层，而且目前所能实现的最窄的带宽至少也在10nm的量级。

2、基于亚波长波导光栅的光学滤光片

亚波长波导光栅滤光片可以实现窄带高反射的功能，并且可以实现超窄反射带宽，但是这种滤光片的制备需要在多层膜结构上刻蚀微结构，尤其在可见光波段，微结构的尺度进入到亚微米，制备的技术和成本都非常高，因此这种方法目前多用于高端研究与应用。

早在七十年代就有研究人员从理论上提出介质-金属复合多层膜的方法来实现高反射滤光片，但由于镀膜技术的限制一直没能在实验上制备出来，直到1989年才由Robin等人在实验上实现了这种复合窄带高反射滤光片，但仅仅用于近红外波段。

随着对可见光研究的需要，1997年有人提出并实现了可见光波段的介质-金属滤光片。2007年，Sun等人提出并制备了结构更简单的用于可见光波段的介质-金属滤光片，但是这种结构滤光片的低反射旁通带较窄，仅为120nm，因而限制了这种结构滤光片的应用范围，为此展宽低反射旁通带宽度从实用用角度而言已成为一种需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种既容易制备，又具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，膜系结构为以非对称Fabry-Perot结构为基础的介质-金属复合膜系，其中，所述的膜系结构为Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βMP|Air。

本发明所提出的非对称Fabry-Perot介质-金属结构在标准Fabry-Perot结构的基础上通过改进而得到，其中主要是调整标准Fabry-Perot结构两个反射镜中的一个的反射率而获得。标准Fabry-Perot结构是一种关于中间间隔层对称的结构，如果在间隔层的一侧增加或减少若干个周期，则间隔层两边不再对称，这种失去对称性的Fabry-Perot即构成了非对称Fabry-Perot结构。

所设计的非对称Fabry-Perot结构上叠加金属层，利用特殊金属层的吸收特性来实现宽波段高吸收，同时利用Fabry-Perot结构中的间隔层来产生吸收泄露区，并进一步在特殊金属层外侧匹配介质膜系以展宽低反射区，从而实现具有宽的低反射旁通带的单峰窄带高反射滤光特性。这里的特殊金属特指高吸收性金属，即折射率和吸收系数满足n≈k，在膜系结构中以M表示，M可以是钨、铬、铁、镍、铅、铑或Inconel合金，也可以是其他高吸收性金属，下面的论述中全部以Cr金属为例。

在上述方案的基础上，采用了高、低折射率的介质材料和金属Cr构造了具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片。膜系结构为Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βMP|Air，如图1所示，其中，H、L分别为1/4波长光学厚度的高、低折射率材料，即H＝n_Hd_H＝L＝n_Ld_L＝λ₀/4，λ₀为所设计的中心波长；n_H和n_L分别为高、低折射率材料的折射率，本发明计算中取n_H＝2.19、n_L＝1.46；d_H、 d_L分别为与1/4波长光学厚度对应的两种高低折射率材料的物理厚度；

Sub表示光学薄膜的基片，折射率取为1.52；

Air表示空气，折射率为1；

αL中，L为间隔层或缺陷层，α为间隔层或缺陷层的厚度系数；

M为金属层，β为金属层的厚度，单位nm，金属M为钨、铬、铁、镍、铅、铑或Inconel合金，优选为Cr金属；

所述膜系结构中的导纳匹配层P，可以是高折射率材料单层膜系，P＝γH，其中，γ为H层的厚度系数。

所述膜系结构中的导纳匹配层P，也可以是若干层不同厚度的高、低折射率材料交叠构成的多层膜系，P＝γ₁Hγ₂L……γ_nH，其中，γ₁、γ₂……γ_n为其对应高、低折射率材料的厚度系数，n为正整数。

本发明中两种不同介电常数薄膜，可以为硬膜系材料，可以选用TiO₂和SiO₂的组合，其中，TiO₂为高折射率材料，SiO₂为低折射率材料。

两种不同介电常数薄膜，也可以为软膜系材料，可以选用ZnS和MgF₂的组合，其中，ZnS为高折射率材料，MgF₂为低折射率材料。

在本发明的膜系结构中，m₁、m₂为相应的(HL)重复单元的个数，m₁、m₂取整数，可通过选取m₁来调整反射峰的高度，通过选取m₂来调整窄带反射峰的半宽度，其中，m₁＞m₂，厚度系数α可以调控反射峰的位置，物理厚度β用来控制反射谱的截止深度，具体设计时可以利用计算机对这些参数进行优化微调来获得更为理想的光谱特性。

本发明是一种采用非对称Fabry-Perot结构构造的介质-金属多层滤光膜系，一种能够产生宽的低反射区的单峰窄带高反射滤光器件。当间隔层取半个波长的整数倍时，中心波长附近出现高反射峰，同时微调α的取值(非整数)可在中心波长附近连续地调整反射峰的位置。

针对上述具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片的制备方法，依次包括下述步骤：

(1)确定膜系结构为Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βMP|Air；

(2)根据反射峰位置确定介质膜系中心波长，初步确定m₁、m₂、α、β以及匹配膜系P的厚度系数γ，计算反射光谱；

(3)优化匹配膜系P的厚度系数γ；

(4)优化β参数，实现所要求的低反射旁通带深度；

(5)确定m₂参数，实现所要求的半宽度；

(6)确定α参数，将反射峰调整至目标位置；

(7)确定m₁参数，实现高的窄带反射；

(8)重复步骤(3)～(7)，直至达到既定设计目标。

上述步骤(3)、(4)和(6)均可以通过计算机技术进行微调。

本发明的有益效果是：

本发明为一种具有宽的低反射旁通带、反射光谱特性可调的单峰窄带反射滤光片及其设计方法，采用了以非对称Fabry-Perot结构为基础的介质-金属复合结构，与已有的全介质滤光片、亚波长光栅滤光片在结构上有着显著的区别，具有反射峰位置连续可调；反射峰位置可精确设计调控；极大地展宽了低反射旁通带；反射峰半宽度可调；反射峰高度可调等特点，本发明的滤光片可应用于光学仪器、天文、遥感以及光通讯等领域。

附图说明

图1是本发明膜系结构Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βMP|Air的示意图。

图2(A)是膜系结构为Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βCrγH|Air，当参数ml、α、β和γ取不同值时的光谱特性曲线(中心波长620nm)，整个光谱范围内的反射光谱；

图2(B)是图2(A)的反射峰放大图。

图3是膜系结构为Sub|(HL)¹⁴HαL(HL)⁴12.8Cr0.82H|Air，当α分别取1.6、1.8、2.0、2.2和2.4时的光谱特性曲线(中心波长620nm)。

图4(A)是膜系结构为Sub|(HL)¹⁴HαL(HL)^m212.8Cr0.82H|Air，当m₂分别取2、3、4和5时，α取1.9976时的反射光谱曲线；

图4(B)是对α进行微调，将反射峰位置调整到620nm时的反射光谱曲线。

图5(A)是膜系结构为Sub|(HL)¹⁴H1.9976L(HL)⁴12.8Cr0.81H0.95L2.24H0.23L3.99H2.11L0.53H1.15L|Air的反射光谱曲线(设计中心波长620nm)。

图5(B)是图5(A)的反射峰放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片的设计为例作更具体的说明。

图1是本发明膜系结构Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βMP|Air的示意图，实施例中金属层为Cr。

1、具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片的设计

以图2为例来说明具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片的设计方法。首先根据所要求的反射峰位置确定介质层的中心波长。拟设计位置620nm，则中心波长选为620nm，膜系结构选取m₁＝10，α＝2，m₂＝4，β＝10nm，P＝γH，γ＝1，这样得到膜系结构Sub|(HL)¹⁰H2L(HL)⁴10CrH|Air，通过理论计算得到反射曲线见图2(A)中的曲线1。由图2(A)看出低反射区深度不好，同时从图2(B)看到窄带反射峰位置在620.22nm，峰形对称性欠佳；第二步通过计算机调整匹配层P的厚度，取γ＝0.813，P＝0.813H，计算得到的结果表示为图2(A)中的曲线2，由图2(A)看出低反射旁通带有所降低，同时由图2(B)看到窄带反射峰高度有所提高，峰形对称性有所改善，并对厚度系数γ的取值进行优化，取γ＝0.82；第三步通过计算机微调金属Cr层的厚度系数β，取β＝12.8nm可以获得更好的低反射旁通带，见图2(A)中的曲线3所示，但由图2(B)看到窄带反射峰位置的偏移有所增大，移到了620.25nm；第四步利用计算机微调间隔层厚度系数α，取α＝1.9976可移将峰位置调整在设计要求的620nm处，如图2(A)中的曲线4所示，同时注意到窄带反射峰的高度不够，见图2(B)中的曲线4；最后，通过增加m₁以获得更高的窄带反射率，取m₁＝14，见图2(B)中的曲线5所示。这样通过上面的五个设计步骤就得到了一个窄带反射峰位置在620nm、峰形对称，峰高度大于90％、低反射区带宽约为240nm的窄带高反射滤光片。

2、反射峰位置的设计

以上面得到的结构Sub|(HL)¹⁴H1.9976L(HL)⁴12.8Cr0.82H|Air为设计基础来说明反射峰位置的设计方法。

在上述结构中的α不取1.9976，而分别取值为1.6、1.8、2.0、2.2和2.4，计算得到窄带反射滤光片的光谱特性曲线如图3所示。从中可看出通过调整α的数值，可以在低反射旁通带基本保持不变的前提下很容易地调整反射峰的位置。

3、反射峰半宽度的调整

以上面得到的结构Sub|(HL)¹⁴H1.9976L(HL)⁴12.8Cr0.82H|Air为设计基础来说明反射峰半宽度的调整方法。

这里通过调整m₂所取整数的大小来调整反射峰半宽度，图4(A)给出了m₂分别取2、3、4和5时对应的膜系结构Sub|(HL)¹⁴H1.9976L(HL)^m212.8Cr0.82H|Air窄带反射峰宽度的比较，从中可看出反射峰半宽度随m₂的取值而变化，由此可以根据半宽度的需要选取相应的m₂。但是由图4(A)还看到，随着半宽度的变化，峰值位置也有所移动。因此在同时要求峰位和半宽度的情况下，可先根据半宽度的需要选取m₂的数值，然后对决定反射峰位置的α系数进行微调，图4(B)是对α系数进行微调后得到的结果，此时反射峰位置均被调整到620nm的位置。

这样就得到设计这种具有宽的低反射区的单峰窄带高反射滤光片的一般实施步骤：

(1)根据要求，如峰位置、半宽度、高度等选取非对称Fabry-Perot介质-金属结构Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βCrP|Air；

(2)根据反射峰位置确定介质膜系中心波长，初步确定m₁、m₂、α、β以及匹配膜系P的厚度系数γ，计算反射光谱；

(3)优化匹配膜系P的厚度系数γ；

(4)优化β参数，实现所要求的低反射旁通带深度；

(5)确定m₂参数，实现所要求的半宽度；

(6)确定α参数，将反射峰调整至目标位置；

(7)确定m₁参数，实现高的窄带反射；

(8)重复步骤(3)～(7)，直至达到既定设计目标。

上述步骤(3)、(4)和(6)均可以通过计算机技术进行微调，借助计算手段以高精度地达到要求。

上面通过设计一个反射峰在620nm处的滤光片，实际给出了这种结构设计的一般方法。在上面的步骤中，金属Cr层的厚度，不仅影响低反射旁通带的深度，还影响峰的位置，同时m₂的取值对反射峰位置也有影响，因此每次改变β和m₂之后，都应适当调整α的取值，将窄带反射峰位置调整至所设计的位置。

4、匹配层膜系P的其它选择和优化

以结构Sub|(HL)¹⁴H1.9976L(HL)⁴12.8CrP|Air为设计基础来说明匹配层膜系P的其它可能选择和优化。匹配膜系P除了上述所取的单层高折射率膜层γH之外，还可以选取多层膜系结构。在此以8层交替的高、低折射率膜层为例，并对这些膜层进行厚度优化，得到具有宽的低反射旁通带的单峰窄带高反射滤光片光谱如图5(A)和图5(B)所示，图5(B)是图5(A)的反射峰放大图，其中，P＝0.81H0.95L2.24H0.23L3.99H2.11L0.53H1.15L。

Claims (8)

1、一种具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，膜系结构为以非对称Fabry-Perot结构为基础的介质-金属复合膜系，其特征在于：所述的膜系结构为Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βMP|Air，其中，Sub为光学薄膜基片；Air为空气；H、L分别为1/4波长光学厚度的高、低折射率材料；αL中，L为间隔层或缺陷层，α为间隔层或缺陷层的厚度系数；M为金属层，β为金属层的厚度，P为导纳匹配层，m₁、m₂为相应的(HL)重复单元的个数，其中，m₁＞m₂。

2、根据权利要求1所述的具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，其特征在于：所述的薄膜为硬膜系材料TiO₂和SiO₂的组合，其中，TiO₂为高折射率材料，SiO₂为低折射率材料。

3、根据权利要求1所述的具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，其特征在于：所述的薄膜为软膜系材料ZnS和MgF₂的组合，其中，ZnS为高折射率材料，MgF₂为低折射率材料。

4、根据权利要求1或2或3所述的具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，其特征在于：所述膜系结构中的金属层M为钨、铬、铁、镍、铅、铑或Inconel合金。

5、根据权利要求1或2或3所述的具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，其特征在于：所述膜系结构中的导纳匹配层P，为高折射率材料单层膜系，P＝γH，其中，γ为导纳匹配层的厚度系数。

6、根据权利要求1或2或3所述的具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，其特征在于：所述膜系结构中的导纳匹配层P，为高、低折射率材料交叠的多层膜系，P＝γ₁Hγ₂L……γ_nH，其中，γ₁、γ₂……γ_n为其对应高、低折射率材料的厚度系数，n为正整数。

7、根据权利要求1或2或3所述的具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片，其特征在于：低反射旁通带的截止深度由金属层厚度β来调整，窄带反射峰的半宽度由m₂来调整，反射峰位置由间隔层或缺陷层厚度系数α来调整，反射峰高度由m₁来调整。

8、一种针对权利要求1或2或3所述的具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片的制备方法，依次包括下述步骤：

(1)确定膜系结构为Sub|(HL)^m1HαL(HL)^m2βMP|Air；

(2)根据反射峰位置确定介质膜系中心波长，初步确定m₁、m₂、α、β以及匹配膜系P的厚度系数γ，计算反射光谱；

(3)优化匹配膜系P的厚度系数γ；

(4)优化β参数，实现所要求的低反射旁通带深度；

(5)确定m₂参数，实现所要求的半宽度；

(6)确定α参数，将反射峰调整至目标位置；

(7)确定m₁参数，实现高的窄带反射；

(8)重复步骤(3)～(7)，直至达到既定设计目标。

上述步骤(3)、(4)和(6)均可以通过计算机技术进行微调。

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