CN101266312B

CN101266312B - 具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片

Info

Publication number: CN101266312B
Application number: CN2008100366760A
Authority: CN
Inventors: 吴永刚; 彭东功; 焦宏飞; 王振华; 陈乃波; 吕刚
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: CN101266312A

Abstract

一种具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片，膜系结构为：Sub|(HL)^m1H(α₁LHLH)(α₂LHLH)……(α_qLHLH)L(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，α₁、α₂……α_q为L间隔层的厚度系数，其中，q为(αLHLH)重复单元的个数，M为金属层，β为厚度，P为导纳匹配层，m₁、m₂为相应的(HL)重复单元的个数。优点是：以非对称Fabry-Perot结构为基础的多重介质-金属复合结构，与已有全介质滤光片、亚波长光栅滤光片等有显著区别。具有反射峰数目的调控，极大地展宽了低反射旁通带，可精确控制反射峰宽度和位置，应用于光学仪器、天文、遥感、光通讯等领域。

Description

具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片

技术领域

本发明为一种光学滤光片器件，具体涉及到一种具有宽的低反射旁通带的多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。也可用高级次反射带实现比主反射带更窄的窄带反射，但由此使所镀膜层厚度大大增加，导致薄膜系中散射、应力等的增加，而且高级次反射峰带宽仍较宽。还可以对周期多层膜结构进行优化，以压缩反射带的带宽，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多峰高反射的功能，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单峰高反射滤光片，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，而且上述研究均是针对单峰窄带反射而进行。多峰窄带反射相比之单峰窄带反射具有了多个窄带反射峰，因此在多通道滤光，通讯等方面有实际需求，而具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片则使设计的薄膜达到实际可用的阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种既可以制备，又具有宽的低反射旁通带的多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多峰窄带反射滤光片，膜系结构是以非对称Fabry-Perot结构为基础的多重介质-金属复合膜系，其中，所述的膜系结构为：

Sub|(HL)^m1H(α₁LHLH)(α₂LHLH)……(α_qLHLH)L(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区的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多峰窄带反射滤光片。这种结构可以表示为Sub|(HL)^m1H(α₁LHLH)(α₂LHLH)……(α_qLHLH)L(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；

m₁、m₂为相应的(HL)重复单元的个数，m₁、m₂取整数，m₁＞m₂，m₁应远大于2，在10以上；

α₁、α₂……α_q为紧邻其后的L间隔层的厚度系数，q为(αLHLH)重复单元的个数，q为整数；

M表示很薄的高吸收性金属层，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，在本发明的设计举例中取为Cr；

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

所述膜系结构中的导纳匹配层P，也可以为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＝γ₁Lγ₂H……γ_nL，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。

膜系结构可通过选取m₁来调控反射峰的高度、选取m₂来调整窄带反射峰的半宽度，反射峰的个数由L间隔层的厚度系数α₁、α₂……α_q的个数q决定，反射峰的位置由厚度系数α₁、α₂……α_q调整，反射峰的高度通过m₁来调整，窄带反射峰的半宽度可通过m₂来调整，低反射旁通带的宽度和深度由金属层的厚度β以及导纳匹配层P的适当组合来调整。微调α₁、α₂……α_q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。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多峰窄带反射滤光片及其设计方法，采用了以非对称Fabry-Perot结构为基础的多重介质-金属复合结构，能够产生宽的低反射区的多峰窄带高反射滤光器件。与已有的全介质滤光片、亚波长光栅滤光片、以及具有宽的低反射旁通带的窄带反射滤光片在结构上有着显著的区别。具有反射峰数目的调控，极大地展宽了低反射旁通带，可精确控制反射峰宽度和位置等特点，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)^m1H(α₁LHLH)(α₂LHLH)……(α_qLHLH)L(HL)^m2βMP|Air的示意图。

图2(A)为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)L(HL)13Cr0.87H|Air的反射光谱；

图2(B)为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)²L(HL)13Cr0.87H|Air的反射光谱；

图2(C)为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)³L(HL)13Cr0.87H|Air的反射光谱；

图2(D)为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁴L(HL)13Cr0.87H|Air的反射光谱；

图2(E)为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵L(HL)13Cr0.87H|Air的反射光谱；

图3(A)为膜系结构

Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHL6Cr0.01H1.78L1.36H0.90L|Air的反射光谱特性曲线；

图3(B)为膜系结构

Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHL9Cr2.58H1.65L1.49H0.74L|Air的反射光谱特性曲线；

图3(C)为膜系结构

Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHL12Cr0.98H0.55L1.70H0.84L|Air的反射光谱特性曲线。

图4(A)为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHL6CrP|Air，P＝0.86L时一层匹配层的反射光谱。

图4(B)是图4(A)的反射光谱放大图。

图5(A)为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHL6CrP|Air，P＝2.03L0.34H2.18L0.38H1.18L时五层匹配层的反射光谱。

图5(B)是图5(A)的反射光谱放大图。

图6(A)为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHL6CrP|Air，P＝1.53L1.87H0.94L0.39H0.79L0.61H0.62L0.75H1.22L时九层匹配层的反射光谱。

图6(B)是图6(A)的反射光谱放大图。

图7为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(α₁LHLH)(α₂LHLH)(α₃LHLH)(α₄LHLH)LHL13Cr0.87H|Air，α₁分别取2、2.2和2.4，α₂、α₃和α₄均取2时的反射光谱。

图8为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(α₁LHLH)(α₂LHLH)(α₃LHLH)(α₄LHLH)LHL13Cr0.87H|Air，α₂分别取2、2.2和2.4，α₁、α₃和α₄取2时的反射光谱。

图9为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(α₁LHLH)(α₂LHLH)(α₃LHLH)(α₄LHLH)LHL13Cr0.87H |Air，α₁依次取2、1.8、1.6，α₂依次取2，2.2、2.4，α₃和α₄均取2时获得的窄带反射光谱。

图10为膜系结构Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁴L(HL)^m213Cr0.87H|Air为设计基础对反射峰的半宽度进行调整，当m₂分别取1，2，3或4时，以图2(D)中由左至右第3个窄带反射峰为基础的半宽度的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明以一种具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片中光谱特性与结构参数之间的关系为例作具体的说明。图1是本发明膜系结构Sub|(HL)^m1H(α₁LHLH)(α₂LHLH)……(α_qLHLH)L(HL)^m2βMP|Air的示意图，实施例中金属层为Cr。

1、指数q对反射峰数目的调控

图2(A)～图2(B)显示了不同间隔层数目，即所设计膜系中(αLHLH)重复单元个数q与窄带反射峰个数的关系(设计的中心波长为700nm)，α＝2，图中表明，随着间隔层的增加，窄带反射峰数目也增加，反射峰数目与间隔层数目相对应。

其中，图2(A)中，q＝1，L间隔层为1层，反射峰为1个；图2(B)中，q＝2，L间隔层为2层，反射峰为2个；图2(C)中，q＝3，L间隔层为3层，反射峰为3个；图2(D)中，q＝4，L间隔层为4层，反射峰为4个；图2(E)中，q＝5，L间隔层为5层，反射峰为5个。

2、适当增加金属层Cr的厚度以加深低反射区的深度

图3(A)～图3(C)是膜系结构

Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHLβCrP|Air，为当厚度β分别是6nm、9nm和12nm时对应的反射光谱特性曲线，其中，匹配层P取了4层高低折射率交替的膜层，当金属层Cr取不同厚度时，为使膜系与周围入射媒质空气获得好的匹配，设计中对膜系结构中的匹配层P进行了适当的优化。如图3(A)，当β为6nm时，P＝0.01H1.78L1.36H0.90L；如图3(B)，当β为9nm时，P＝2.58H1.65L1.49H0.74L；如图3(C)，当β为12nm时，P＝0.98H0.55L1.70H0.84L。

由图3(A)～图3(C)看出，适当增加金属层厚度的增加，低反射区深度有明显的改善。

3、增加匹配层数目以改善多峰窄带反射滤光膜特性

金属层M厚度一定时，可在保持原有窄带反射峰特性的前提下，通过增加Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHLβMP|Air结构中匹配层数目并进行相应的优化而获得宽的和深的低反射区。

图4、图5、图6分别以为膜系结构

Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁵LHL6CrP|Air为设计基础，匹配层数目分别是1、5和9层时多峰窄带反射滤光片的光谱特性。

图4(A)是1层匹配膜系，即P＝0.86L时膜系的反射光谱，图4(B)是图4(A)的反射光谱的放大图。

图5(A)是5层匹配膜系，即P＝2.03L0.34H2.18L0.38H1.18L时膜系的反射光谱，图5(B)是图5(A)的反射光谱的放大图。

图6(A)是9层匹配膜系，即P＝1.53L1.87H0.94L0.39H0.79L0.61H0.62L0.75H1.22L时膜系的反射光谱，图6(B)是图6(A)的反射光谱的放大图。

由图4～图6可见，当匹配膜系分别为1、5和9层并适当优化后，滤光膜在低反射区的深度增大，而且低反射区的宽度也增大。

4、窄带反射峰位置的微调

这里以间隔层数目为4的多峰窄带反射滤光片的设计为例进行说明，图7、图8、图9中，均选取的膜系结构为Sub|(HL)¹⁶H(α₁LHLH)(α₂LHLH)(α₃LHLH)(α₄LHLH)LHL13Cr0.87H|Air。

图7中，当α₁、α₂、α₃和α₄均取值为2时，计算得到滤光膜的反射光谱如图7中的实线所示；当α₁取2.2，α₂、α₃和α₄均取2时，窄带反射光谱如图7中的虚线所示；当α₁取2.4，α₂、α₃和α₄均取2时，窄带反射光谱如图7中的点划线所示。显然由图7可见，当α₁改变时，图中中间两个反射峰的位置移动比较明显，两侧反射峰的位置移动不明显。

图8中，当α₁、α₂、α₃和α₄均取值为2时，计算得到滤光膜的反射光谱如图8中的实线所示；当α₂取2.2，α₁、α₃和α₄均取2时，窄带反射光谱如图8中的点划线所示；当α₂取2.4，α₁、α₃和α₄均取2时，窄带反射光谱如图8中的虚线所示。由图8见，当α₂改变时，图中两侧反射峰的位置移动比较明显，而中间两个反射峰的位置移动不明显。

图9中，当α₁、α₂、α₃和α₄均取值为2时，计算得到滤光膜的反射光谱如图9中的实线所示；当α₁取1.8，α₂取2.2，α₃和α₄均取2时，窄带反射光谱如图9中的点划线所示；当α₁取1.6，α₂取2.4，α₃和α₄均取2时，窄带反射光谱如图9中的虚线所示。由图9可见，当α₁减小，同时α₂增大时，图9中由左至右第2和第4个反射峰的位置移动比较明显，而第1和第3个反射峰的位置移动不明显。因此可利用反射峰位置和α取值的关系，通过α的不同取值，从而对多窄带反射峰的相对位置进行微调。

5、反射峰半宽度的调整

在Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁴L(HL)^m2βMP|Air结构中可以通过改变m₂的数值对窄带反射峰的宽度进行调整。这里以Sub|(HL)¹⁶H(2LHLH)⁴L(HL)^m213Cr0.87H|Air为设计基础进行说明。如图10所示，当m₂分别取1，2，3或4时，计算多峰窄带反射滤光片的反射光谱，得到的570～900nm波长反射光谱特性轮廓如图2(D)所示，将图中的窄带反射峰在横坐标方向进行放大，则可发现对应不同的m₂值，窄带反射峰的宽度均不相同，图10以图2(D)中由左至右第3个窄带反射峰半宽度的变化为例显示了窄带反射峰半宽度随m₂的变化，显然，随着m₂的增大，反射峰的半宽度明显减小。

Claims

1.一种具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片，膜系结构是以非对称Fabry-Perot结构为基础的多重介质-金属复合膜系，其特征在于：所述的膜系结构为：

Sub|(HL)^m1H(α₁LHLH)(α₂LHLH)……(α_qLHLH)L(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，α₁、α₂……α_q为紧邻其后的L间隔层的厚度系数，其中，q为(αLHLH)重复单元的个数，q为正整数，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。

2.根据权利要求1所述的具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片，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多峰窄带反射滤光片，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多峰窄带反射滤光片，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多峰窄带反射滤光片，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、或低折射率材料单层膜系，P＝γL或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多峰窄带反射滤光片，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＝γ₁Lγ₂H……γ_nL，其中，γ₁、γ₂……γ_n为其对应的高、低折射率材料的厚度系数，n为正整数。

7.根据权利要求1所述的具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片，其特征在于：反射峰的个数由L间隔层的厚度系数α₁、α₂……α_q的个数q决定，反射峰的位置由厚度系数α₁、α₂……α_q 调整，反射峰的高度通过m₁来调整，窄带反射峰的半宽度可通过m₂ 来调整，低反射旁通带的宽度和深度由金属层的厚度β以及导纳匹配层P调整。