CN102681056A - 基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器 - Google Patents

基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种由两种光子晶体叠加构成的近紫外至近红外光波段全角度反射器，其结构为[A/B]m[C/D]n，两种光子晶体的晶格常数相同，均为d=160nm，其中A、C的介电常数为1.96，B、D的介电常数为16，A、B、C、D的厚度分别为d1=0.76d、d2=0.24d、d3=0.5d、d4=0.5d，m、n为两种光子晶体的周期数，均取9。本发明可实现近紫外至近红外光波段的全角度反射，且反射率高达99%以上。当光线正入射时，禁带范围为375nm～1189nm，当光线以0°至85°角入射时，禁带范围始终可覆盖近紫外至近红外波段（375nm～893nm）。

Description

基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器
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近紫外至近红外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人造光电功能材料，因其良好的光学性质而备受关注。光子晶体是一种介电材料在空间中呈周期分布形成的人工晶体，其重要特点是可以形成光子禁带，落在禁带频率范围内的光波在晶体中将不能传播，利用这一特性可利用光子晶体制作反射器。光子晶体所用材料多为低吸收系数的介电材料，因此反射率较高，可达99%以上。而一维光子晶体较二维和三维光子晶体结构简单、更易于制备。
R．Jomtarak等(Geometrically Distributed 1D photonic Crystals for Light-reflection in All Angles, Procedia Engineering. 2012, Vol:32, 455-460)提到使用多层晶体级联的方法获得全角度反射器，但所获得的禁带范围较窄。
A．Mouldi等(Design of an omnidirectional mirror using one dimensional photonic crystal with graded geometric layers thicknesses, Optik. 2012, Vol:123, 125-131) 提到使用材料厚度渐变的方法获得较宽禁带，但所得到的禁带宽度仍未覆盖紫外至近红外光波段，不能用于紫外至近红外光波段的全角度反射器。
韩培德等(Omni-directional mirror for visible light based on one-dimensional photonic crystal, Chinese Optics Letters. 2011, Vol:9, 071603-071603)提出使用４种晶体相叠加，可以获得可见光波段全角度反射器，但禁带仍不能覆盖近紫外至近红外光波段，且这种方法所需晶体周期数较多，结构较为复杂。
201210139917.0专利申请提供了一种基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器，该反射器使用氟化锂、锗构造复合结构的一维光子晶体[A/B]m[C/D]n，但其工作范围仅覆盖全可见光波段，未能在全角度范围内覆盖近紫外波段至近红外光波段。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器，该反射器当光线以0°至85°角入射时，始终可实现近紫外至近红外光波段的高反射。
本发明采用频域叠加原理，即将具有不同频段禁带范围的光子晶体相叠加，以形成超宽禁带，实现近紫外至近红外光波段全角度反射器。
本发明基于光子晶体的近紫外至近红外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=160nm，单个周期内A的宽度d 1=0.76d，B的宽度d 2=0.24d；
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=160nm，单个周期内C的宽度d 3=0.5d，D的宽度d 4=0.5d。
本发明发现，当选择的周期数m=n=9时，可在近紫外至近红外光波段实现较好的反射特性，反射率达到99%以上。
本发明中，用于构造反射器的介电材料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反射器。
本发明基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器的制备可以采用常规磁控溅射镀膜的方法，在光学基板上依次镀周期数为m的[A/B]m晶体和周期数为n的[C/D]n晶体。
本发明基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器结构简单，易于制备，可以实现近紫外至近红外光波段的全角度反射，且反射率可以达到99%以上。
附图说明
图1为本发明基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器的结构示意图。
图中，[A/B]m为第一光子晶体的结构，A、B为两种不同的介电材料，厚度分别为d 1 、d 2；[C/D]n为第二光子晶体的结构，C、D为两种不同的介电材料，厚度分别为d 3 、d 4。
图2为第一光子晶体[A/B]m的结构示意图。
图3为第一光子晶体[A/B]m的能带特性图。其禁带归一化频率范围为0.1682～0.3255，禁带波长范围为491nm～951nm（青绿色光至近红外波段）。
图4为当光线正入射，即入射角度为0°时，晶体结构[A/B]m 9的反射谱。反射率大于99%的禁带范围为494nm～953nm（青绿色光至近红外波段）。
图5为第二光子晶体[C/D]n的结构示意图。
图6为第二光子晶体[C/D]n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373nm～509nm（近紫外至绿色光波段）和724nm～1192nm（红色光至近红外波段）。
图7为当光线正入射，即入射角度为0°时，晶体结构[C/D]9的反射谱。反射率大于99.9%的禁带波长范围为376nm～510nm（近紫外至绿色光波段）和734nm～1190nm（红色光至近红外波段）。
图8为当入射角度为0°时，晶体结构为[A/B]9[C/D]9的反射谱。反射率大于99%的禁带范围为375nm～1189nm（近紫外至近红外波段）。
图9为当入射角度为15°时，晶体结构为[A/B]9[C/D]9的反射谱。反射率大于99%的禁带范围为374nm～1173nm（近紫外至近红外波段）。
图10为当入射角度为30°时，晶体结构为[A/B]9[C/D]9的反射谱。反射率大于99%的禁带范围为372nm～1128nm（近紫外至近红外波段）。
图11为当入射角度为45°时，晶体结构为[A/B]9[C/D]9的反射谱。反射率大于99%的禁带范围为366nm～1063nm（近紫外至近红外波段）。
图12为当入射角度为60°时，晶体结构为[A/B]9[C/D]9的反射谱。反射率大于99%的禁带范围为362nm～989nm（近紫外至近红外波段）。
图13为当入射角度为75°时，晶体结构为[A/B]9[C/D]9的反射谱。反射率大于99.9%的禁带范围为359nm～920nm（近紫外至近红外波段）。
图14为当入射角度为85°时，晶体结构为[A/B]9[C/D]9的反射谱。反射率大于99%的禁带范围为356nm～893nm（近紫外至近红光波段）。
图15为201210139917.0专利申请中禁带随光线入射角度的曲线，横坐标为光线入射角度，纵坐标为光波波长，线<1>为禁带上限随光线入射角度的变化趋势，线<4>为禁带下限随随光线入射角度的变化趋势，线<2>和线<3>之间部分为随光线入射角度的增大而出现的一条导带。
图16为本发明中禁带随光线入射角度的曲线，横坐标为光线入射角度，纵坐标为光波波长，线<1>为禁带上限随光线入射角度的变化趋势，线<2>为禁带下限随光线入射角度的变化趋势。
具体实施方式
本实施例基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器的结构为[A/B]9[C/D]9，其第一光子晶体结构为[A/B]9，拥有9个周期结构，晶格常数d=160nm，其中A是介电常数为1.96的氟化锂，厚度d 1=0.76d；B是介电常数为16的锗，厚度d 2=0.24d；第二光子晶体结构为[C/D]9，拥有9个周期结构，晶格常数d=160nm，其中C是介电常数为1.96的氟化锂，厚度d 3=0.5d；D是介电常数为16的锗，厚度d 4=0.5d。
本实施例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36层：第1、3、5、7、9、11、13、15、17层为厚度121.60nm的氟化锂层，第2、4、6、8、10、12、14、16、18层为厚度38.40nm的锗层，第19、21、23、25、27、29、31、33、35层为厚度80nm的氟化锂层，第20、22、24、26、28、30、32、34、36层为厚度80nm的锗层。这样在光学基片上从下至上依次生长所需厚度的氟化锂、锗共36层薄膜，从而制备出反射光频率范围为近紫外至近红外光波段的全角度反射器。
图8至图14显示了本实施例反射器在不同入射角度时的反射谱，从图8至图14可以看出，在光线以0°至85°的入射角范围内，均可实现近紫外至近红外光波段375nm～893nm的高反射率。可满足近紫外至近红外波段全角度反射器的功能。
通过图15和图16的对比，可以看出本发明反射器的性能明显优于201210139917.0专利申请中反射器的功能。

Claims (3)

1.基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器，由结构为[A/B]m和[C/D]n的两种光子晶体叠加构成，反射器的结构为[A/B]m[C/D]n，其中，
所述的第一光子晶体[A/B]m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=160nm，单个周期内A的宽度d 1=0.76d，B的宽度d 2=0.24d，周期数m取9；
所述的第二光子晶体[C/D]n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=160nm，单个周期内C的宽度d 3=0.5d，D的宽度d 4=0.5d，周期数n取9。
2.根据权利要求１所述的全角度反射器，其特征是构造所述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375nm～893nm。
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