CN103592714A - 一种易于制备的反射式多通道滤光元件的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种易于制备的反射式多通道滤光元件的设计方法。所设计的这种反射式多通道滤光片的基本结构为：从基板侧开始是超宽波段高反射的金属、周期性的高低折射率交替膜堆、极薄的金属膜到入射媒介。该方法利用周期性高低折射率介质材料的一倍频和三倍频之间的透射振荡波纹，结合超宽波段的高反射金属和可以令原透射处指定波长达到高反的金属铬，设计一种多通道的反射滤光元件，并且其通道位置和个数可以通过给定的中心波长和介质折射率确定。不同于传统的对制备要求很高的基于Fabry-Perot结构的窄带多峰的中间层膜系，本发明的中间结构是传统的规整膜系结构，易于制备，且可以根据实际需要调整多通道的个数和位置，制作工艺方便，制作成本低，易于集成，在实际光学薄膜设计中有着重要意义。
Description
技术领域
本发明属于薄膜光学领域，涉及一种易于制备的反射式多通道滤光元件的设计方法，特别是其通道个数和位置可以确定。
背景技术
近年来光学薄膜已成为现代光学中不可缺少的一个部分，几乎涉及到现代光学系统的各个方面。而其中，多通道滤光薄膜由于其体积小、集成度高、承载信息量大等优点，在当今信息通讯、卫星成像、遥感高光谱等方面拥有极大的应用价值。
常见的光学薄膜滤光片多数是透射型滤光片，但随着仪器小型化、集成化的需要和技术的不断发展，鉴于反射式滤光片设计形式灵活、结构紧凑等诸多优点，已经有众多学者对反射式滤光片进行了相关研究。其中，由于全介质滤光片自身的局限，金属与介质膜组合而成的高反射滤光片受到更广泛的研究。
传统的多通道滤光片的设计膜系大多是基于Fabry-Perot结构为基础的窄带膜系结构，这种膜系在制备上难度很大，对于膜层的厚度精度控制有很高的要求，不但每层厚度要精确,而且间隔层两侧的膜层厚度要严格对称,否则反射峰将消失,制备时通常需求镀膜机配置灵敏度高的光控系统才能实现。然而本发明提出的膜系是规整结构，对于膜层厚度控制的精准要求大大降低,对于仅仅配置晶振的镀膜设备就能够实现此滤光片的制备
因此，本发明提出一种通道个数和位置可以确定并且制备难度低的反射式多通道滤光元件的设计方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种易于制备的反射式多通道滤光元件的设计方法。
本发明特点在于其通道个数及位置可以确定，并且膜系结构规整，大大降低了其制备难度。该设计方法利用了周期性高低折射率介质材料的一倍频和三倍频之间的透射波纹，结合超宽波段高反的金属和可以令原透射处指定波长达到高反的极薄金属层，设计了一种反射式的多通道滤光元件。
本发明的技术解决方案如下：
一种易于制备的反射式多通道滤光元件的设计方法，所述反射式多通道滤光元件自下而上依次由基板4、超宽波段金属反射层3、中间结构层2和金属层1组成，金属层1上部接触空气，所述方法利用周期性高低折射率材料的一倍频和三倍频之间的透射波纹，结合超宽波段高反的金属和可以令原透射处指定波长达到高反的极薄金属层，得到反射式的多通道滤光元件；具体步骤如下：
(1)确定初始基本膜系结构Sub|(HL)9|Air，其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，Sub为基板，Air为出射介质空气；(HL)9为中间结构层；
(2)在基板上方镀制超宽波段金属反射层R，所述超宽波段金属反射层R采用的金属为Ag或Au等中任一种，厚度为90nm，此时膜系结构为Sub|R90nm(HL)9|Air；
(3)在步骤(2)所得的结构上方镀制中间结构层S，所述中间结构层由高折射材料和低折射率材料组合而成；
(4)在步骤(3)所得的结构上方镀制在所规定范围内光学特性复折射率N=n-ik中n 
k的极薄金属层M，其中n为介质的折射率，k为消光系数；所述极薄金属M层为Cr、Inconel、Ni或Pt等中任一种，厚度为纳米量级，此时膜系结构为Sub| R90nm (HL)9M|Air；其中：中间结构层在所规定波长处获得最大透射率，利用吸收率高的超宽波段金属反射层和金属层实现所规定波长处的反射峰和宽波段截止；使自然光从空气侧入射，透过金属层、中间层后，在超宽波段金属反射层表面被反射，返回，最后从金属层出射。
本发明中，步骤(1)中所述高折射率材料为TiO2、Ta2O5或HfO2等中任一种，所述低折射率材料为SiO2，折射率为1.46。
本发明的核心是利用周期性高低折射率介质材料的一倍频和三倍频之间的振荡透射波纹设计多通道位置可知的反射式多通道滤光片，并且可以通过调节膜系中的参数来改变通道的位置。图1是所设计的膜系的结构示意图，其中，Sub为基板，Air为出射介质空气，Sub上层的膜层R层为超宽波段金属反射层，S层为中间结构层，在本发明中为周期性高低折射率材料结构(HL)^9，M层为极薄金属层。由图1可知该滤光片的基本膜系结构为Sub|RSM|Air，它利用中间结构层S在所规定波长处获得最大透射率，再利用吸收率高的薄金属膜M和高反射层R实现所规定波长处的反射峰和除此之外的宽波段截止。自然光从空气侧入射，透过极薄的M层，中间结构层S后，在R层表面被反射，原路返回，最后从M层出射。金属M的厚度极薄，要获得很高的吸收率，需要其消光系数k与折射率n接近，使n与k的乘积较大，当满足nk时，可以实现窄带高反的目的。在所讨论的波长范围内可以选择金属Cr、Inconel、Ni、Pt等，它们的n与k的值在可见光附近波段范围内几乎相等，这样就能保证窄带高反射的实现。
图2为膜系Sub| (HL)^9|Air的透射光谱和Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air的反射光谱曲线对比图，此时H取TiO2，折射率为2.16，L取SiO2，折射率为1.46，中心波长为1300nn。对于初始膜系Sub| (HL)^n|Air，n个周期的规整膜堆三倍频和一倍频之间会有n-1个波纹，如图2中Sub| (HL)^9|Air的透射光谱所示。在初始膜系上添加如图1所示的M层与R层，所设计的膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air的反射曲线如图2，与初始膜系的透射曲线峰值一一对应，截止特性良好。由此可知，多通道反射峰值的个数与原初始膜系透射峰值个数相等，且反射峰位置与原初始膜系透射峰位置有良好的一一对应关系。随着膜系周期数n的取值增大，理论上可以实现任意个通道的反射式滤光片，且其设计方法简便，规整膜系的制备相较于传统的窄带设计法也大大容易了。
对于膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air，可以通过改变中心波长来调谐整个多通道的位置。如图3，令中心波长分别取1000nm和1300nm，可以看出，中心波长取1000nm时整个多通道峰值位置向短波漂移。这是因为所实现多通道的位置在一倍频和三倍频之间，因此中心波长取1000nm时，产生峰值的范围在333nm和1000nm之间，而中心波长取1300nm时，产生峰值的范围在433nm和1300nm之间。由此可知，中心波长越大，峰值越向长波漂移，产生的峰值范围越大，峰值间距离也越大。同样，可以通过改变膜系中H与L的折射率来调谐多通道的位置。如图4，保持其他参数不变，L的折射率分别取1.46和1.2时，观察多通道反射曲线，由图可知，L取1.2时光谱整体向短波漂移，长波处漂移特别明显。因此，减小L的折射率可以调谐多通道的位置整体向短波漂移。同样，保持其他参数不变，只改变H的折射率也可以调谐通道位置。如图5，膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air中H的折射率分别取2.16和2.5，可以看到H取2.5时反射光谱整体向短波漂移，长波处漂移明显。因此，增大H的折射率或是减小L的折射率都可以调谐多通道位置向短波漂移。
综上所述，本发明所设计的反射式多通道滤光片可以确定其多通道的个数和位置，并可以通过改变膜系参数来实现多通道位置的调谐，且其制备难度相较于传统设计方法大大降低。
本发明的技术效果如下：
1. 可以确定反射式多通道滤光片的通道个数和位置。所设计的膜系的反射通道与该膜系的初始膜系的透射峰值一一对应。
2. 可以调谐多通道的位置。通过改变膜系中的参数，实现峰值整体的漂移，控制参数来达到调谐通道的目的，易于操作。
3. 本发明高效易行。相对于传统的窄带设计方法，本发明设计的膜系用了基本的规整膜系，使得制备难度大大降低，提高了制备效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1 膜系结构示意图。
图2 膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air的反射曲线与Sub| (HL)^9|Air的透射曲线的峰值对比图。
图3 膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air在中心波长分别为1000nm和1300nm时的反射曲线对比图。
图4 膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air中L取1.46和1.2的反射峰对比图。
图5 膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air中H取2.16和2.5的反射峰对比图。
图中标号：1为金属层M(n≈k)，2为中间结构层S，3为超宽波段金属反射层R，4为基板Sub。
具体实施方式
通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：本发明设计的滤光片由高低折射率交替的多层介质光学干涉薄膜与金属膜构成，其膜系结构可以表述为：基板-R-(HL)^9-M-入射媒介。R为超宽波段高反射的金属，选取金属Ag，最外层极薄金属M选用金属Cr，其金属复折射率的实部与虚部较为接近，既不会将入射光在初入射时就过多地反射回去，且可以对非所要求的光波段的入射光实现较强的吸收，从而获得很深的截止度。需要注意的是，这层金属要控制在纳米量级，否则大部分入射光会被金属直接吸收，而无法获得高的峰值反射率。入射光在一倍频和三倍频之间的振荡透射波纹位置来回振动而存储了大量的能量，这些能量出射后被后方的高反金属膜反射回去，返回的场强由于薄膜干涉的作用，在极薄金属层与介质膜堆的界面上会达到一个极值，只要控制这个极值为极小值，即进入薄金属层的场强达到极小，纳米量级的极薄金属就无法对光波进行强烈吸收，此时大部分光波被反射回入射界面，达到很高的峰值反射率。而对于非振荡波纹位置的光波，由于在极薄金属层与反射层的界面上无法达到场强的干涉极小值，金属层会吸收大量的能量，于是形成了很深的截止带。
如图1，以JGS1石英玻璃为基板，根据膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air，基板上分别镀制90nm的金属Ag，周期性高低折射率材料(HL) ^9，中心波长为1300nm，其一倍频与三倍频之间为可见光附近波段，H、L分别代表高、低折射率介质，光学厚度均为中心波长的1/4，H材料选取TiO2，折射率为2.16，L材料选取SiO2，折射率为1.46，最外层M层镀制3nm的金属Cr，在中心波长的复折射率N=4.47-4.50i，其反射光谱如图2所示。
再以JGS1石英玻璃为基板，根据初始膜系Sub| (HL)^9|Air，镀制膜层，H、L的参数与膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air一致，其透射光谱如图2所示。
比较膜Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air的反射光谱曲线与膜系Sub| (HL)^9|Air的透射光谱曲线，可以看出其峰值的对应关系，如图2，所设计的多通道反射峰与其中间层初始膜系Sub| (HL)^9|Air的透射峰一一对应，且截至特性良好。
对于所设计的膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air，改变其中心波长为1000nm，如图3，当中心波长由1300nm减小到1000nm时，整个多通道峰值的位置向短波漂移。保持其他参数不变，膜系Sub|Ag90nm(HL)^9Cr3nm|Air中心波长取1300nm，改变其L的大小为1.2，如图4可知，多通道光谱整体向短波漂移，且长波处漂移明显。同样，只改变H的大小也能起到调谐多通道位置的作用，如图5，改变H的大小为2.5，多通道光谱整体向短波漂移，且长波处漂移明显。因此，调节膜系的中心波长或者改变膜系中的参数都能起到调谐多通道位置的作用。
Claims (2)
1.一种易于制备的反射式多通道滤光元件的设计方法，其特征在于所述反射式多通道滤光元件自下而上依次由基板(4)、超宽波段金属反射层(3)、中间结构层(2)和金属层(1)组成，金属层(1)上部接触空气，所述方法利用周期性高低折射率材料的一倍频和三倍频之间的透射波纹，结合超宽波段高反的金属和可以令原透射处指定波长达到高反的极薄金属层，得到反射式的多通道滤光元件；具体步骤如下：
(1)确定初始基本膜系结构Sub|(HL)9|Air，其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，Sub为基板，Air为出射介质空气；(HL)9为中间结构层；
(2)在基板上方镀制超宽波段金属反射层R，所述超宽波段金属反射层R采用的金属为Ag或Au等中任一种，厚度为90nm，此时膜系结构为Sub|R90nm(HL)9|Air；
(3)在步骤(2)所得的结构上方镀制备中间结构层S，所述中间结构层由高折射材料和低折射率材料组合而成；
(4)在步骤(3)所得的结构上方镀制在所规定范围内光学特性复折射率N=n-ik中n 
k的极薄金属层M，其中n为介质的折射率，k为消光系数；所述极薄金属M层为Cr、Inconel、Ni或Pt中任一种，厚度为纳米量级，此时膜系结构为Sub| R90nm (HL)9M|Air；其中：中间结构层在所规定波长处获得最大透射率，利用吸收率高的超宽波段金属反射层和金属层实现所规定波长处的反射峰和宽波段截止；使自然光从空气侧入射，透过金属层、中间层后，在超宽波段金属反射层表面被反射，返回，最后从金属层出射。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于步骤(1)中所述高折射率材料为TiO2、Ta2O5或HfO2中任一种，所述低折射率材料为SiO2，折射率为1.46。
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