CN102004331A - 一种反射带位置动态可调的选择性滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射带位置动态可调的选择性滤光片，该元件依次由FTO玻璃衬底，致密铁电膜层，铁电氧化物介质反射膜堆，致密铁电膜层，透明导电氧化物膜层上电极组成。其特征表现在：I.衬底为F掺杂SnO₂涂布的玻璃(简称FTO玻璃)；II.铁电氧化物介质反射膜由折射率不同的锆钛酸铅(PZT)材料在空间交替排列而成；III.两个致密铁电膜层指组分与反射膜材料组分一致的PZT薄膜；IV.氧化物膜层上电极是透明导电的ZnO:Al薄膜。本发明的优势在于：利用PZT材料的电光效应，通过外加直流电场改变PZT薄膜的折射率，使铁电氧化物介质反射膜堆的反射带的中心波长发生移动，进而方便地动态调控滤光片的中心工作频率。该类滤光片在众多技术领域具有广泛的应用前景。

Description

一种反射带位置动态可调的选择性滤光片

技术领域

本发明涉及光学元器件技术领域，特别指一种以铁电材料为基本工作介质，利用材料的电光效应，通过外加电场实现工作频率动态调谐的滤光片。

背景技术

广泛应用于各种光学系统中的滤光片本质上是一种特殊结构的周期性膜堆，它们对光起选择性反射、选模、滤波和放大等作用，是光量子操控系统中的重要器件。传统材料，如硫化锌、冰晶石、氟化钙、氟化镁、二氧化钛、二氧化硅等，因不具有声光、热光、电光等效应，基于这些物质设计制作的干涉滤光片只能工作在特定的中心波长或频率点。

就实际应用而言，可调光子带隙结构显得尤为重要，液晶和铁电材料的出现为实现这类结构提供了可能。对可见光透明的钙钛矿铁电氧化物，如锆钛酸铅和钛酸锶钡等，具有显著的电光、声光和热光效应，并且拥有高折射率和折射率随组分变化的优点。用它们作为制作周期性单元的基本介质，光子器件的特性参数就可以通过外场得到动态调谐。例如深空探测中使用的高光谱窄带通滤光片常因温度变化引起工作点漂移。如果滤光片的材质拥有电光效应，通过施加电场改变材料折射率或介电常数，使滤光片的中心工作频率回到原来设定的值。因此，铁电材料为光学元器件的设计制作提供了一个新自由度。

反射带位置动态可调的选择性滤光片的原理如下：用电光效应显著的锆钛酸铅铁电材料制作高反射率的周期性介质膜堆，周期性锆钛酸铅膜系对给定的频率段进行选择性反射，产生滤光效果。由于反射带的中心波长位置取决于膜系中高低折射率层的光学厚度，在膜堆的上下表面制作透明导电的氧化物电极并施加一直流电场，锆钛酸铅的折射率发生改变，反射带的中心频率随之移动。由此形成的反射型滤光片，其中心工作频率便通过外加偏压实现了动态调控。这类光学器件有望在激光技术、光信息处理技术和空间技术等领域发挥重要作用。

发明内容

本发明旨在提供一种集成于透明导电玻衬底上的反射带位置动态可调的选择性滤光片。

本发明的反射带位置动态可调的选择性滤光片，包括：衬底1，在衬底1上依次置有第一致密铁电膜层2，铁电氧化物介质反射膜堆3，第二致密铁电膜层4和透明导电氧化物膜层上电极5。所说的衬底1为透明导电的F掺杂SnO₂涂布的玻璃(简称FTO玻璃)；所说的铁电氧化物介质反射膜堆3为锆钛酸铅反射膜系，该膜系由8～16个周期的致密锆钛酸铅和多孔锆钛酸铅膜层交替排列组成，其膜系结构为：

第一致密铁电膜层2/(HL)ⁿ/第二致密铁电膜层4

其中：H是厚度为40-100nm的多孔锆钛酸铅薄膜，L是厚度为40-100nm的致密锆钛酸铅薄膜，n为周期数，取值范围8-16；所说的第一致密铁电膜层2和第二致密铁电膜层4为均匀相、且组分与反射膜堆3一致的厚度为100～200nm的锆钛酸铅薄膜；所说的透明导电氧化物膜层上电极5为透明导电、厚度200～400nm的ZnO:Al薄膜。

本发明中铁电氧化物介质反射膜是利用相分离原理，通过重复甩胶-热处理工艺制备的单一组分的锆钛酸铅周期性多层膜，反射带的位置由转速控制。为将直流偏压加于锆钛酸铅多层膜两端，所引入的两个致密铁电膜层的生长工艺类似于锆钛酸铅多层膜的生长工艺。FTO玻璃为商用产品。透明导电氧化物上电极用磁控溅射方法制备。

本发明的优点是：器件结构简单，热稳定性好，防潮抗腐蚀；器件工艺简化，成本低；低的驱动电压(低于200V)并能使滤光片的中心工作波长发生显著移动。

附图说明

图1为反射带位置动态可调的选择性滤光片的结构示意图。

图2为实施例1中滤光片在0和25伏偏压下的透射光谱。

图3为实施例2中滤光片在0和40伏偏压下的反射光谱曲线。

具体实施方式

下面结合附图和五个实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例1

反射带位置动态可调的选择性滤光片，包括：衬底1，在衬底1上依次置有第一致密铁电膜层2，铁电氧化物介质反射膜堆3，第二致密铁电膜层4，透明导电氧化物膜层上电极5。所说的衬底为透明导电的F掺杂SnO₂涂布的玻璃(简称FTO玻璃)；所说的铁电氧化物介质反射膜堆3为PbZr₀₄Ti_0.6O₃(PZT)反射膜系，该膜系由8个周期的致密PZT和多孔PZT膜层交替排列组成，沿衬底方向，膜系按致密PZT薄膜/多孔PZT薄膜/…/致密PZT薄膜/多孔PZT薄膜的方式排列；所说的第一致密铁电膜层2和第二致密铁电膜层4为厚度100nm的PbZr₀₄Ti_0.6O₃薄膜；所说的透明导电氧化物膜层上电极是厚度为200nm的透明导电ZnO:Al薄膜。

A.FTO玻璃衬底的热处理：将FTO玻璃衬分别置于酒精和去离子水中各超声清洗15分钟，然后用氮气吹干。接着将清洗完毕的FTO玻璃衬底衬底放于快速退火炉内，分别在180℃、380℃和680℃的温度下干烘4分钟，4分钟和4分钟。

B1.溶胶-凝胶镀膜：将事先配制好的不含聚合物的、锆钛比为40/60的PZT前驱体溶液，滴到以2500转/分钟的转速旋转着的FTO玻璃衬底上，并保持60秒，溶剂迅速挥发得到凝胶膜；然后将凝胶膜置于退火炉中分段进行热处理，即分别在200℃、380℃和650℃的温度下热处理4分钟、4分钟和6分钟。重复该过程两次得到厚度为100nm的致密PZT膜层。

B2.接着再将锆钛比为40/60含有聚合物PVP的PZT前驱体溶液滴到旋转着的经B1过程处理过的衬底上，在60秒内，分二次前后间隔20秒，每分钟2500转的转速旋涂PZT反射膜层，再将固化凝胶膜放入快速退火炉中，分别在180℃、380℃和650℃下热处理5分钟，5分钟和7分钟。重复上述过程8次，得到构型为/玻璃/FTO/致密PZT/8个周期的PZT多层膜/的反射膜片。

B3.重复过程B1，得到构型为/玻璃/FTO/致密PZT/8个周期的PZT多层膜/致密PZT/的反射系统。

B4.溅射沉积透明导电的ZnO:Al上电极：将B3过程制备的膜系置于溅射系统，通过掩膜工艺制作直径7mm，厚度为200nm的ZnO:Al薄膜，得到构型为/玻璃/FTO/致密PZT/8个周期的PZT多层膜/致密PZT/ZnO:Al的反射型滤光片。图2中的曲线分别为重复过程B2 8个周期后的滤光片在加偏压前后的透射光谱。从图2可以看到在在中波长483nm波长处出现了一个宽度约为39nm的滤光带。在25伏偏压下，该带的中心波长向长波方向移动了约3.75nm。

实施例2

实施例2中滤光片的结构与实施例1中的滤光片的结构大体相同。区别在于：制备高反射率PZT多层膜的转速改为1900转/分钟，PZT多层膜的周期数为变为12，且周期长度大于实施例1的PZT多层膜的周期长度，其它完全一样。图3给出了实施例2的构型为/玻璃/FTO/致密PZT/12个周期的PZT多层膜/致密PZT/ZnO:Al滤光片在加偏压前后的反射光谱曲线。同样，可以看到在中心波长625nm处有一个宽度约65nm的反射滤光带，当电压从0加40伏时，滤光片反射带的中心波长从624.89nm红移到629.58nm，改变了4.69nm。

实施例3

实施例3中滤光片的结构与实施例1中的滤光片的结构基本相同。区别在于：制备高反射率PZT多层膜的转速改为2300转/分钟，PZT多层膜的周期数为变为16，其它完全一样。

实施例4

实施例4中滤光片的结构与实施例1中的滤光片的结构无多大差别。区别在于：上电极ZnO:Al薄膜的厚度变为300nm，两个致密的PZT膜层的厚度增加到150nm，其它完全一样。该滤光片的透射光谱几乎与实施例1中滤光片的光谱一致。

实施例5

实施例5中滤光片的结构与实施例1中的滤光片的结构相似。不同之处在于：上电极ZnO:Al薄膜的厚度增加到400nm，两个致密的PZT膜层的改为200nm，其它则完全一样。该滤光片的透射光谱同样几乎与实施例1中滤光片的光谱一致，区别仅表现在：相同直流偏压下，滤光片的中心波长改变量略有减小。

Claims (1)

1.一种反射带位置动态可调的选择性滤光片，在衬底(1)上依次置有第一致密铁电膜层(2)，铁电氧化物介质反射膜堆(3)，第二致密铁电膜层(4)和透明导电氧化物膜层上电极(5)，其特征在于：

所述的衬底(1)是透明导电氧化物F掺杂SnO₂涂布的玻璃；

所述的第一致密铁电膜层(2)和第二致密铁电膜层(4)是厚度为100～200nm的锆钛酸铅薄膜；

所述的铁电氧化物介质反射膜堆(3)为锆钛酸铅反射膜系，反射膜系由8～16个周期的致密锆钛酸铅和多孔锆钛酸铅膜层交替排列组成，其膜系结构为：

第一致密铁电膜层(2)/(HL)ⁿ/第二致密铁电膜层(4)

其中：H是厚度为40-100nm的多孔锆钛酸铅薄膜，L是厚度为40-100nm的致密锆钛酸铅薄膜，n为周期数，取值范围8-16；

所述的透明导电氧化物膜层上电极(5)是厚度为200～400nm的透明导电ZnO:Al薄膜。

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