CN106324740A - 一种宽带吸收薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种基于全介质材料的宽带吸收薄膜的制备方法。本发明通过制备单层Ta2O5薄膜、SiO2薄膜和Si薄膜并精确计算其光学常数，在高反射薄膜基本膜系结构基础上设计并制备出在一定波长范围内具有一定吸收率的宽带全介质吸收薄膜，对于吸收测量仪、光谱测试仪等仪器的定标具有重要作用。

Description

一种宽带吸收薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种基于全介质材料的宽带吸收薄膜的制备方法。
背景技术
光学薄膜吸收损耗的存在，不仅影响薄膜的光学质量，更会造成激光在薄膜内的热沉积。特别是在高功率激光作用下，即使十分微弱的吸收也足以导致薄膜元件的灾难性破坏。导致破坏的吸收可能来自于薄膜的本征吸收，更大程度是来源于薄膜中的杂质、缺陷引起的局部额外强吸收，因此有必要对薄膜的这种平均吸收及局部吸收进行精确、快速、实时地检测，从而达到减少薄膜的吸收损耗，制备出高质量的低损耗激光薄膜。目前激光薄膜吸收损耗测试技术主要有激光量热测量技术和光热偏转技术两种方法：(1)激光量热测量技术：目前已有国际标准(ISO 11551)，能对吸收损耗绝对测量，测量可重复性好，可操作性强，但也存在着一些缺点，比如时间、空间分辨率低，需测量特定的样品等。(2)光热偏转测量技术：虽然没有统一的国际标准，但实际得到了广泛的应用，具有灵敏度高，时间、空间分辨率高，可测量实际样品，可分离薄膜吸收和基底吸收等优点，但此方法只是一个相对测量，准备定标困难，操作难度大。因此对基于光热偏转测量技术的光学薄膜弱吸收测量仪，急需定标片。因此，研究宽带吸收薄膜的设计及制备成为光学薄膜弱吸收测量仪研究的重要课题。
近年来，吸收薄膜研究主要集中在太阳光谱选择性吸收薄膜方向，金属、金属氧化物、金属硫化物和半导体等粒子的电子跃迁能级与可见光谱区的光子能量较为匹配，是制备太阳能选择性薄膜的主要材质。这种吸收薄膜主要是基于金属纳米微粒/电介质复合薄膜与金属基底的光干涉原理制备的，目前常见的吸收薄膜制备方法有物理气相沉积法(真空蒸发、溅射镀膜和离子镀)、电化学沉积法(电镀和阳极氧化法)等，主要应用于太阳能的相关产品中。但对于应用于光学测量方面的全介质的吸收薄膜还鲜有报道。
目前，吸收薄膜主要集中在太阳光谱选择性吸收薄膜方向，而对于宽带全介质吸收薄膜的研究还未见报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种宽带吸收薄膜的制备方法，以解决如何制备一种能够实现不同吸收率的宽带吸收薄膜的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种宽带吸收薄膜的制备方法，该方法包括如下步骤：
采用沉积方法，在基底上分别制备单层Ta2O5薄膜、SiO2薄膜和Si薄膜，并根据上述三种单层薄膜的光谱计算得到各自的光学常数；
以光学常数作为设计参数，设定宽带吸收薄膜的基本理论膜系结构为：基底/(HL)^m(M L)^n/空气；其中，H为Ta2O5，L为SiO2，M为Si，m和n分别为两种基本组合的重复次数；并根据宽带吸收薄膜的吸收波段和吸收率的要求，确定宽带吸收薄膜对应的中心波长，以及选择合适的m和n值；
根据宽带吸收薄膜的吸收波段和吸收率的要求，选择合适的厚度系数αi和βi，其中i＝1...n，并利用数值优化方法对基本理论膜系结构中的最外层(M L)^n的物理厚度进行优化，得到优化理论膜系结构为：基底/(H L)^mα1Mβ1L...αnMβnL/空气；
根据优化理论膜系结构，在基底上逐层沉积对应的薄膜，得到对于指定吸收波段具有所要求的吸收率的宽带吸收薄膜。
进一步地，选择熔融石英、K9玻璃或Si作为基底的材料。
进一步地，采用离子束溅射沉积方法在基底上制备薄膜。
进一步地，光谱包括透射光谱、反射光谱和椭圆偏振光谱。
进一步地，通过光谱反演计算方法，计算得到薄膜的光学常数。
进一步地，光学常数包括折射率和消光系数。
进一步地，吸收率大于0且小于20％。
进一步地，4≤m≤10，2≤n≤8。
进一步地，0＜αi＜2，0＜βi＜2。
此外，本发明公开一种宽带吸收薄膜，该薄膜采用上述方法制备。
(三)有益效果
本发明通过制备单层Ta2O5薄膜、SiO2薄膜和Si薄膜并精确计算其光学常数，在高反射薄膜基本膜系结构基础上设计并制备出在一定波长范围内具有一定吸收率的宽带全介质吸收薄膜，对于吸收测量仪、光谱测试仪等仪器的定标具有重要的作用。
附图说明
图1为本发明实施例中熔融石英基底上的单层Si薄膜的透过率曲线；
图2为本发明实施例中Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的折射率曲线；
图3为本发明实施例中Si膜的折射率和消光系数曲线；
图4为本发明实施例中吸收率为1.5％的宽带吸收薄膜的透过率、反射率和吸收率理论曲线；
图5为本发明实施例中吸收率为10％的宽带吸收薄膜的透过率、反射率和吸收率理论曲线；
图6为本发明实施例中吸收率为1.5％的宽带吸收薄膜的透过率、反射率和吸收率测试曲线；
图7为本发明实施例中吸收率为10％的宽带吸收薄膜的透过率、反射率和吸收率测试曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明具体实施方式制备在波长范围1064nm-1319nm吸收率均为1.5％或10％的宽带全介质吸收薄膜。
采用离子束溅射沉积方法，在熔融石英基底上制备单层Ta2O5薄膜。在Si基底上制备单层SiO2薄膜。在熔融石英和K9玻璃基底上，分别制备单层Si薄膜。
采用Lambda900分光光度计测量单层Ta2O5薄膜、SiO2薄膜和Si膜的透射光谱和反射光谱，测量波长范围为200nm-2000nm。采用美国J.A.Woollam公司的VASE型可变入射角度椭圆偏振仪测量单层Ta2O5薄膜、SiO2薄膜的椭圆偏振光谱，测量范围为0.6eV-5.2eV，测量步长为0.04eV，测量角度为55℃和65℃。熔融石英基底上单层Si薄膜的透过率曲线，如图1所示。采用透射光谱和椭圆偏振光谱相结合的光谱反演计算方法，精确计算Ta2O5薄膜、SiO2薄膜和Si薄膜的折射率和消光系数。Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的折射率曲线，如图2所示，在1064nm处的折射率分别为2.04和1.47。Si膜的折射率和消光系数曲线，如图3所示。
将计算的Ta2O5薄膜、SiO2薄膜和Si薄膜的光学常数作为设计参数，根据设计要求(1064nm-1319nm的吸收率均为1.5％或10％)，设定宽带吸收薄膜的基本理论膜系结构为：基底/(HL)^8(ML)^4/空气；其中H为Ta2O5，L为SiO2，M为Si。
对于吸收率为1.5％的要求，设定参考波长为1190nm，优化最外8层，具体的优化理论膜系结构为：基底/(HL)^8 0.82M 1.50L 0.63M 1.51L 0.65M 1.54L 0.65M 0.05L/空气，其透过率、反射率和吸收率理论曲线，如图4所示，在1064nm和1319nm的透射率分别为0.22％和0.03％，反射率分别为98.26％和98.21％，吸收率分别为1.52％和1.76％。
对于吸收率为10％的要求，设定参考波长为1190nm，具体的优化理论膜系结构为：基底/(HL)^8(ML)^2 1.27M 0.26L ML/空气，其透过率、反射率和吸收率理论曲线，如图5所示，在1064nm和1319nm的透射率分别为0.04％和0.12％，反射率分别为89.96％和89.96％，吸收率分别为10％和9.92％。
根据上述两个优化理论膜系结构，采用Spector型双离子束溅射镀膜机，分别在熔融石英、k9玻璃和Si基底上制备吸收率分别为1.5％和10％的宽带吸收薄膜。采用Lambda900分光光度计测量了熔融石英基底上两种宽带吸收薄膜的透射光谱和反射光谱，透过率、反射率和吸收率测试曲线，如图6和图7所示。通过A＝1-T-R，其中A为吸收率，T为透射率，R为反射率，对于A＝1.5％的宽带吸收光谱，在1064nm和1319nm的透射率分别为0.04％和0.32％，反射率分别为97.84％和97.46％，吸收率分别为2.12％和2.22％；对于A＝10％的宽带吸收光谱，在1064nm和1319nm的透射率分别为0.06％和1.97％，反射率分别为90.23％和88.96％，吸收率分别为9.71％和9.07％。由此可见，本发明依据优化理论膜系结构制备的宽带吸收薄膜，能够满足在一定波长范围内具有一定吸收率的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽带吸收薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
采用沉积方法，在基底上分别制备单层Ta2O5薄膜、SiO2薄膜和Si薄膜，并根据上述三种单层薄膜的光谱计算得到各自的光学常数；
以所述光学常数作为设计参数，设定所述宽带吸收薄膜的基本理论膜系结构为：基底/(H L)^m(M L)^n/空气；其中，H为Ta2O5，L为SiO2，M为Si，m和n分别为两种基本组合的重复次数；并根据所述宽带吸收薄膜的吸收波段和吸收率的要求，确定所述宽带吸收薄膜对应的中心波长，以及选择合适的m和n值；
根据所述宽带吸收薄膜的吸收波段和吸收率的要求，选择合适的厚度系数αi和βi，其中i＝1...n，并利用数值优化方法对所述基本理论膜系结构中的最外层(M L)^n的物理厚度进行优化，得到优化理论膜系结构为：基底/(H L)^mα1Mβ1L...αnMβnL/空气；
根据所述优化理论膜系结构，在所述基底上逐层沉积对应的薄膜，得到对于指定吸收波段具有所要求的吸收率的所述宽带吸收薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择熔融石英、K9玻璃或Si作为所述基底的材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用离子束溅射沉积方法在基底上制备薄膜。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光谱包括透射光谱、反射光谱和椭圆偏振光谱。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过光谱反演计算方法，计算得到薄膜的光学常数。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学常数包括折射率和消光系数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸收率大于0且小于20％。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，4≤m≤10，2≤n≤8。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，0＜αi＜2，0＜βi＜2。
10.一种宽带吸收薄膜，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的方法制备。
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