CN102681054A - 基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器，由两种结构不同但晶格常数相同的光子晶体叠加构成，其结构为[A/B]m[C/D]n，其中：所述第一光子晶体中，材料A的介电常数1.96，材料B的介电常数16，单个周期内A的宽度d 1=0.74d，B的宽度d 2=0.26d；所述第二光子晶体中，材料C的介电常数1.96，材料D的介电常数16，单个周期内C的宽度d 3=0.5d，D的宽度d 4=0.5d。本发明的全角度反射器结构简单，易于制备，可以实现384nm～768nm全可见光波段的全角度反射，且反射率可以达到99.9%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种光子晶体反射器，特别是涉及一种可以在全可见光波段全角度反射的光子晶体反射器。
背景技术
光子晶体作为一种新型的光电功能材料，因其良好的光学性能而备受关注。相对于二维和三维光子晶体，一维光子晶体因其结构简单，技术上更容易实现而受到人们的青睐。完全光子禁带是光子晶体的主要特性之一，即当特定频率的光经过光子晶体时，由于干涉等光学效应而使光不能通过光子晶体，从而形成禁带；而有些频率的光可以通过，形成导带。由于光子晶体所用材料为非金属晶体材料，对可见光波段的吸收系数较小，因此禁带的反射率较高，可达99.9%以上。因其具备以上良好的光学性能，从而为制备高反射率光子晶体反射器提供了可能。
R. Jomtaraka等（Geometrically Distributed 1D Photonic Crystals for Light-Reflection in All Angles, SciVerse Sciencedirect. 2012, 32, 455-460）提到使用周期按几何级数分布的一维光子晶体叠加以增宽禁带宽度的方法，但这种方法针对性不高，需用晶体周期层数较多，实际制作复杂。
韩培德等（Omni-directional mirror for visible light based on one-dimensional photonic crystal, CHINESE OPTICS LETTERS. 2011, 9(7), 071603）提到使用(AB)m/(CD)n/(EF)l/(MN)s结构实现全可见光波段全角度反射器的方法，但这种方法需用三种不同结构的光子晶体组成，结构较复杂，当光线以大于60°入射时，可见光波段TM模光线将不能完全反射。
顾培夫等（用于可见光区的薄膜光子晶体全角度反射器, 物理学报.2005, 54(8)）提到使用角域叠加的方法实现全可见光波段全角度反射器，但这种方法也并未完全覆盖全可见光波段。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于一维光子晶体的全可见光波段全角度反射器，本发明提供的反射器反射率较高，结构简单易于制备，当光线以大角度入射时，仍可实现全可见光波段的反射。
本发明的原理在于：当对光子晶体的结构进行优化，将会发现在较大范围内出现完全光子禁带，而在此基础上叠加另一种光子晶体，将会发现最终的禁带将是两种光子晶体禁带的叠加。本发明针对于当入射角度增大时，禁带将向短波平移的特点，在等周期宽度基础上设计两种光子晶体，使其禁带范围的叠加在大入射角度条件下仍可覆盖全可见光波段。
本发明基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器由两种光子晶体叠加构成，每种光子晶体均由两种不同的介电材料按照相同的周期交替排列而成，反射器的结构为[A/B] m[C/D]n，其中：
所述的第一光子晶体中，材料A的介电常数1.96，材料B的介电常数16，光子晶体的晶格常数d=134nm，单个周期内A的宽度d 1=0.74d，B的宽度d 2=0.26d，光子晶体周期数m选择8或9；
所述的第二光子晶体中，材料C的介电常数1.96，材料D的介电常数16，光子晶体的晶格常数d=134nm，单个周期内C的宽度d 3=0.5d，D的宽度d 4=0.5d，光子晶体周期数n选择11、12或13。
本发明中，用于构造全角度反射器的介电材料A和C选择氟化锂，B和D选择锗。但是，用于构建本发明全角度反射器的介电材料并不局限于氟化锂和锗，凡是介电常数与其相等或接近的其他各类材料，均可以用于构建本发明全角度反射器。
本发明基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器的制备方法是，首先用磁控溅射方法在光学基片上沉积一层设计厚度的介电材料D，再沉积一层设计厚度的介电材料C，按以上方法再沉积n－1个周期的[C/D]；在以上基础上，再沉积一层设计厚度的介电材料B，然后再沉积一层设计厚度的介电材料A，按以上方法再沉积m－1个周期的[A/B]。
本发明基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器结构简单，易于制备，可以实现384nm～768nm全可见光波段的全角度反射，且反射率可以达到99.9%以上。
附图说明
图1为本发明基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器的结构示意图。
图中：第一光子晶体的结构为[A/B] m，表示A、B两种不同的介电材料依次m个周期排列，其中d 1为介电材料A的厚度，d 2为介电材料B的厚度，d 1 +d 2=d为第一光子晶体的晶格常数；第二光子晶体的结构为[C/D] n，表示C、D两种不同的介电材料依次n个周期排列，其中d 3为介电材料C的厚度，d 4为介电材料D的厚度，d 3 +d 4=d为第二光子晶体的晶格常数；z方向为光子晶体的周期排列方向。
图2为本发明中第一光子晶体的结构示意图。
图3为第一光子晶体的能带特性图，其禁带宽度为421nm～818nm。
图4为当光线正入射时，结构为[A/B] 9的第一光子晶体的反射谱，其反射率大于99.9%的禁带范围为425nm～803nm。
图5为本发明中第二光子晶体的结构示意图。
图6为第二光子晶体的能带特性图，其禁带归一化频率范围为0.3138～0.4286和0.1342～0.2209，对应禁带波长范围为312nm～427nm和606nm～989nm。
图7为当光线正入射时，结构为[C/D]12的第二光子晶体的反射谱，其反射率大于99.9%的禁带范围为316nm～426nm和617nm～984nm。
图8为当入射角度为0°时，晶体结构为[A/B] 9[C/D] 12的全角度反射器的反射谱，反射率大于99.9%的禁带范围为315nm～982nm。
图9为当入射角度为15°时，晶体结构为[A/B] 9[C/D] 12的全角度反射器的反射谱，反射率大于99.9%的禁带范围为314nm～968nm。
图10为当入射角度为30°时，晶体结构为[A/B] 9[C/D] 12的全角度反射器的反射谱，反射率大于99.9%的禁带范围为311nm～932nm。
图11为当入射角度为45°时，晶体结构为[A/B] 9[C/D] 12的全角度反射器的反射谱，反射率大于99.9%的禁带范围为308nm～878nm。
图12为当入射角度为60°时，晶体结构为[A/B] 9[C/D] 12的全角度反射器的反射谱，反射率大于99.9%的禁带范围为398nm～818nm。
图13为当入射角度为75°时，晶体结构为[A/B] 9[C/D] 12的全角度反射器的反射谱，反射率大于99.9%的禁带范围为388nm～763nm。
图14为当入射角度为85°时，晶体结构为[A/B] 9[C/D] 12的全角度反射器的反射谱，禁带范围为384nm（反射率99.9%）～768nm（反射率99%）。
具体实施方式
本实施例全可见光波段全角度反射器的结构模型为两种光子晶体的级联。其第一光子晶体结构为[A/B] m，拥有9个周期结构，第二光子晶体结构为[C/D] n，拥有12个周期结构。两个光子晶体的晶格常数相同，均为d=134nm。且介电材料A与C相同，介电常数1.96，B与D相同，介电常数16。唯一不同的是两个光子晶体的占空比不同，第一光子晶体中两种介电材料的占空比d 1︰d 2=0.74d︰0.26；第二光子晶体中两种介电材料的占空比d 3︰d 4=0.5︰0.5。
本实施例选用常用的半导体氟化锂（介电常数1.96）和锗（介电常数16.00）为介电材料，按照[LiF2/Ge] 9[LiF2/Ge] 12的结构，选择石英片作为光学基片，采用型号为WD.54-450的真空镀膜机，在光学基片上依次交替沉积42层：第1、3、5、7、9、11、13、15、17层是厚度99.16nm的氟化锂层，第2、4、6、8、10、12、14、16、18层是厚度34.84nm的锗层，第19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41层是厚度67nm的氟化锂层，第20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42层是厚度67nm的锗层。这样在光学基片上按照表1从下至上依次生长所需厚度的氟化锂、锗共42层薄膜，从而制备出反射光频率范围为全可见光波段的全角度反射器。
表1 一维光子晶体全可见光波段全角度反射器各层介电材料及镀膜厚度
图8至图14显示了不同入射角度时全角度反射器的反射谱，从图8至图14可以看出，在光线以0°至85°的入射角范围内，均可实现全可见光波段384nm～768nm的高反射率，可以满足全可见光波段全角度反射器的功能。
Claims (3)
1.基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器，由两种光子晶体叠加构成，每种光子晶体均由两种不同的介电材料按照相同的周期交替排列而成，反射器的结构为[A/B]m[C/D]n，其中：
所述的第一光子晶体中，材料A的介电常数1.96，材料B的介电常数16，光子晶体的晶格常数d=134nm，单个周期内A的宽度d 1=0.74d，B的宽度d 2=0.26d，光子晶体周期数m选择8或9；
所述的第二光子晶体中，材料C的介电常数1.96，材料D的介电常数16，光子晶体的晶格常数d=134nm，单个周期内C的宽度d 3=0.5d，D的宽度d 4=0.5d，光子晶体周期数n选择11、12或13。
2.根据权利要求１所述的全可见光波段全角度反射器，其特征是构造全角度反射器的介电材料A和C是氟化锂，B和D是锗。
3.根据权利要求1所述的全角度反射器，其特征是所述全角度反射器的工作波长范围为384nm～768nm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140319 |