CN107085248B - 多层真空夹层一维光子晶体膜系结构 - Google Patents

多层真空夹层一维光子晶体膜系结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，该结构由多层高折射率材料薄膜层与厚度可调的真空薄层交替堆叠而成，上下相邻两高折射率材料薄膜层之间设有宽度调节器，所述的真空薄层分布在宽度调节器与上下相邻两高折射率材料薄膜层共同围设而成的空腔中，并且所述的可调真空薄层中还设有弹性支撑梁。与现有技术相比，本发明将堆叠的多层固体膜系转化成了单层膜与真空层(可调真空薄层)的组合，避免了多层膜系难以镀制、易开裂的问题，通过调节真空薄层的厚度，根据光子晶体不同结构的不同选择透过性，可以改变得到的光谱，并具有更好的改变温度的效果。

Description

多层真空夹层一维光子晶体膜系结构
技术领域
本发明属于光子晶体技术领域，涉及一种多层真空夹层一维光子晶体膜系结构。
背景技术
光子晶体是由具有不同介电常数的材料在空间周期性排列的结构。光子晶体在合适的介电常数比和晶格常数下，可以产生光子禁带，在光子禁带频率范围内的电磁波将无法透过光子晶体，即可产生各种各样的光学效果，因此，具有广泛的应用范围。
光子晶体多层膜系的特性计算可以通过一种基于麦克斯韦方程的特征导纳矩阵求得解。给定膜系中每一层膜的厚度和折射率参数，利用计算机计算即可方便地得到膜系的特性以及透过膜系的光谱图。然而反过来，给定所需的光谱图，设计膜系则困难的多。现在普遍采用的方法是：基于特殊膜系单元，采用解析技术得到一个初始的结构，对这个结构构造性能评价函数，然后用数值优化技术改进该结构，使评价函数趋于最小值，得到局部最优解。近年来，还得到了全局最优解。现在，膜层设计技术已经日趋成熟，在市面上也有了许多计算的软件。也可以自己编写专门的程序计算膜系结构，达到不一样的需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种经济成本低、光谱可调，隔热隔声效果好，成膜精度高的多层真空夹层一维光子晶体膜系结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，该结构由多层高折射率材料薄膜层与厚度可调的真空薄层交替堆叠而成，上下相邻两高折射率材料薄膜层之间设有宽度调节器，所述的真空薄层分布在宽度调节器与上下相邻两高折射率材料薄膜层共同围设而成的空腔中，并且所述的可调真空薄层中还设有弹性支撑梁。
所述的高折射率材料薄膜层的折射率＞可调真空薄层的折射率。
所述的高折射率材料薄膜层的厚度为0.1-10μm。
所述的高折射率材料薄膜层包括二氧化钛薄膜层、五氧化二钽薄膜层、三氧化二钛薄膜层或二氧化锆薄膜层中的一种或几种。
所述的二氧化钛薄膜层的折射率为2.63-2.67，所述的五氧化二钽薄膜层的折射率为2.10-2.30，所述的三氧化二钛薄膜层的折射率为2.20-2.35，所述的二氧化锆薄膜层的折射率为2.14-2.20。
所述的真空薄层的厚度为0.1-10μm。
所述的真空薄层的真空度为0.01-100Pa。
在实际制备过程中，先将高折射率材料薄膜层按要求的顺序，以要求的真空薄层的间隔距离平行排列，然后在真空薄层中添置弹性支撑梁，最后逐层使用真空泵抽真空，加以密封，即可。
本发明整个结构体系主要由高折射率材料薄层和可调真空薄层构成。高折射率材料薄层和可调真空薄层交替堆叠，整个结构体系自身就是一维光子晶体；调节可调真空薄层的厚度，相当于调节膜系结构中低折射率材料的厚度，即可改变光子晶体的选择透过的结果，改变得到的光谱；可调真空薄层有利于减少整个结构体系两边的热量交换，相对中空层的隔热性能更佳，可以达到更好的改变温度的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)摆脱了光子晶体必须镀制在基片上的限制，因而避免了镀制工艺中膜与基片或膜与膜的物理或化学反应的合成，也就自然地突破了工艺的限制；
2)与磁控溅射、化学气相沉积、离子束刻蚀等方法相比，本发明结构体系在制备过程中，无需限制于镀膜设备对基片大小和镀膜可重复性的限制，可制造面积较大的光子晶体产品，也可工业化生产，且成本低；
3)与提拉法、旋涂法相比，本发明将堆叠的多层固体膜系转化成了单层膜与真空层(可调真空薄层)的组合，避免了多层膜系难以镀制，易开裂的问题，有成膜精度高、膜层质量好、可重复性高、可监测性好的优势。
附图说明
图1为实施例1结构示意图；
图2为实施例2结构示意图；
图3为实施例3结构示意图；
图中标记说明：
1—高折射率材料薄膜层、11—二氧化钛薄层、12—五氧化二钽薄层、13—三氧化二钛薄层、14—二氧化锆薄层、2—真空薄层、3—宽度调节器、4—弹性支撑梁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例多层真空夹层一维光子晶体膜系结构由多层高折射率材料薄膜层1与厚度可调的真空薄层2交替堆叠而成，上下相邻两高折射率材料薄膜层1之间设有宽度调节器3，真空薄层2分布于宽度调节器3与上下相邻两高折射率材料薄膜层1共同围设而成的空腔中，并且真空薄层2中还设有弹性支撑梁4。
其中，高折射率材料薄膜层1的折射率＞可调真空薄层2的折射率。本实施例中，高折射率材料薄膜层1为二氧化钛薄层11和三氧化二钛薄层12，二氧化钛薄层11的折射率为2.65，厚度0.98微米，三氧化二钛薄层15的折射率为2.32，厚度1.63微米。
真空薄层2的真空度为0.1Pa，厚度0.76微米。真空薄层2的制备：先将高折射率材料薄膜层1按要求的顺序，以要求的真空薄层2的间隔距离平行排列，然后在真空薄层2中添置弹性支撑梁4，最后逐层使用真空泵抽真空，加以密封，即可。
实施例2：
如图2所示，本实施例中，高折射率材料薄膜层1为二氧化钛薄层11、五氧化二钽薄层12和三氧化二钛薄层13。其中，二氧化钛薄层11的折射率为2.66，厚度3.25微米，五氧化二钽薄层12的折射率为2.12，厚度1.04微米，三氧化二钛薄层13的折射率为2.27，厚度2.11微米。真空薄层2真空度为1Pa，从上至下厚度分别为0.57微米和0.96微米。
其余同实施例1。
实施例3：
如图3所示，本实施例中，高折射率材料薄膜层1为二氧化钛薄层11、五氧化二钽薄层12、三氧化二钛薄层13和二氧化锆薄层14。二氧化钛薄层11的折射率为2.65，厚度3.12微米，五氧化二钽薄层12的折射率为2.11，厚度1.98微米，三氧化二钛薄层13的折射率为2.33，厚度1.26微米，二氧化锆薄层14的折射率为2.20，厚度3.05微米。真空薄层2真空度为0.1Pa，从上至下厚度分别为0.36 微米、1.35微米和0.85微米。
其余同实施例1。
实施例4：
本实施例中，高折射率材料薄膜层1为二氧化钛薄层11、五氧化二钽薄层12、三氧化二钛薄层13和二氧化锆薄层14。二氧化钛薄层11的折射率为2.63，厚度 0.1微米，五氧化二钽薄层12的折射率为2.10，厚度0.5微米，三氧化二钛薄层13 的折射率为2.20，厚度0.8微米，二氧化锆薄层14的折射率为2.14，厚度1.2微米。真空薄层2真空度为0.01Pa，从上至下厚度分别为0.1微米、0.4微米和0.8微米。
其余同实施例1。
实施例5：
本实施例中，高折射率材料薄膜层1为二氧化钛薄层11、五氧化二钽薄层12、三氧化二钛薄层13和二氧化锆薄层14。二氧化钛薄层11的折射率为2.67，厚度2 微米，五氧化二钽薄层12的折射率为2.30，厚度4微米，三氧化二钛薄层13的折射率为2.35，厚度8微米，二氧化锆薄层14的折射率为2.20，厚度10微米。真空薄层2真空度为100Pa，从上至下厚度分别为1微米、3微米和10微米。
其余同实施例1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，其特征在于，该结构由多层高折射率材料薄膜层与厚度可调的真空薄层交替堆叠而成，形成单层膜与可调真空薄层的组合，上下相邻两高折射率材料薄膜层之间设有宽度调节器，所述的真空薄层分布在宽度调节器与上下相邻两高折射率材料薄膜层共同围设而成的空腔中，并且所述的可调真空薄层中还设有弹性支撑梁。
2.根据权利要求1所述的多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，其特征在于，所述的高折射率材料薄膜层的折射率＞可调真空薄层的折射率。
3.根据权利要求1所述的多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，其特征在于，所述的高折射率材料薄膜层的厚度为0.1-10μm。
4.根据权利要求1所述的多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，其特征在于，所述的高折射率材料薄膜层包括二氧化钛薄膜层、五氧化二钽薄膜层、三氧化二钛薄膜层或二氧化锆薄膜层中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，其特征在于，所述的二氧化钛薄膜层的折射率为2.63-2.67，所述的五氧化二钽薄膜层的折射率为2.10-2.30，所述的三氧化二钛薄膜层的折射率为2.20-2.35，所述的二氧化锆薄膜层的折射率为2.14-2.20。
6.根据权利要求1所述的多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，其特征在于，所述的真空薄层的厚度为0.1-10μm。
7.根据权利要求6所述的多层真空夹层一维光子晶体膜系结构，其特征在于，所述的真空薄层的真空度为0.01-100Pa。
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