CN108490526A - 一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片 - Google Patents

Abstract

一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片，属于光学技术领域，为了克服现有技术滤光片膜层老化脱落及吸收光能的问题，该滤光片为在光学玻璃表面直接刻划多组孔状微结构形成，其包括：光学材料基底；第一组高折射率孔状微结构，该结构直接与光学材料基底相连；第二组低折射率孔状微结构，其位于第一组高折射率孔状微结构上；第三组高折射率孔状微结构，其位于第二组低折射率孔状微结构上；三组孔状微结构的表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；三组孔状微结构的孔心上下对齐，且第一组高折射率孔状微结构的折射率和第三组高折射率孔状微结构的折射率均大于第二组低折射率孔状微结构的折射率。

Description

一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片

技术领域

本发明涉及窄带滤光片，特别涉及一种窄带高反的多层孔状微结构，属于光学技术领域。

背景技术

干涉滤光片是利用多光束干涉原理制成的一种从宽光谱中过滤出一小段波段的多层膜系，同时让其余短波和长波截止或反射的光学器件。常用的干涉滤光片有两种，一种称为全介质干涉滤光片：在平板玻璃上镀上两组四分之一波长的膜系，两组膜系可以看作两组高反膜中间夹着一个间隔层；另一种是金属反射膜干涉滤光片：在基板上镀一层高反射率的银膜，在银膜之上在镀介质膜，再镀一层高反射率的银膜。两种干涉滤光片的原理是相同的，利用两层高反射膜夹一层低反射膜实现窄带高反射率。

带通滤光片只允许较窄波长范围的光通过，常见的是法布里-珀罗型滤光片，它实质上是一个法布里-珀罗标准具。具体结构为：玻璃衬底上涂一层半透明金属层，接着涂一层氟化镁隔层，再涂一层半透明金属层，两金属层构成了法布里-珀罗标准具的两块平行板。当两极的间隔与波长同数量级时，透射光中不同波长的干涉高峰分得很开，利用别的吸收型滤光片可把不允许透过的光滤掉，从而得到窄通带的带通滤光片，其通频带宽度远比普通吸收型滤光片要窄。另外还有全电介质的法布里-珀罗型滤光片，两种典型结构为gHLH(LL)HLHa，gHLHL(HH)LHLHa。

所谓窄带滤光片，是从带通滤光片中细分出来的，其定义与带通滤光相同，也就是这种滤光片在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止，窄带滤光片的通带相对来说比较窄，一般为中心波长值的5％以下。窄带滤光片主要作用是使特定波长的光通过，让其他波长的光的反射(或衰减)光学元件。半波宽度通常控制在20nm或者更小，可在紫外线、可见光、近红外、远红外波段使用。

现有技术的最大缺点就是蒸镀的膜层寿命有限，通常一年至几年之内膜层老化、脆裂、脱落，这时需要在光学表面进行酸洗，重新蒸镀，这个过程可能在光学表面产生划痕，破坏光学表面平整度，进而影响成像质量或光学系统工作效率，光学系统也需要拆开，然后重新装调，有些特殊环境下的光学仪器，如海洋环境中使用的光学仪器一经封装便不再允许拆卸，薄膜的寿命直接影响整个光学系统的寿命。可以拆卸维护的光学系统，整个维护过程都需要在特定的操作环境下由专业人员进行，镀膜和装调又是两个工艺环节，所以维护过程繁复，势必成本高昂，还会耽误光学系统的正常使用。

第二个缺点，首先，干涉滤光片的通频带的中心波长透过率往往在20％-90％之间，金属反射膜干涉滤光片吸收尤为严重，峰值透过率一般在30％以下，两种干涉滤光片都有不同程度的光能损失。对于全介质干涉滤光片来说，膜层数量越大，截止深度越深，但峰值波长透过率越小，膜层数量越小，峰值波长透过率会增加，但截止和透过波长的交界线又会变得不那么陡峭，多层膜系会吸收很大一部分光能量，膜层数量越多，光能损失越严重。通频带宽度，截至深度和峰值波长透过率始终难以平衡。其次，多层膜系蒸镀往往需要数小时到几天几夜，时间不等。时间过于冗长，步骤过于繁琐。最后，对于众多波段的全介质干涉滤光片，通常为了针对不同波长达到不同的滤光效果，需要选择多种膜层材料进行组合，经常会遇到没有合适折射率材料的情况。

发明内容

本发明为了克服现有技术滤光片膜层老化脱落及吸收光能的问题，提出一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片。

本发明的技术方案为：

一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片，其特征是，该滤光片为在光学玻璃表面直接刻划多组孔状微结构形成，其包括：光学材料基底；第一组高折射率孔状微结构，其具有K，K≥1层孔状微结构，该结构直接与光学材料基底相连，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；第二组低折射率孔状微结构，其具有N，N≥1层孔状微结构，其位于第一组高折射率孔状微结构上，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；第三组高折射率孔状微结构，其具有M，M≥1层孔状微结构，其位于第二组低折射率孔状微结构上，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；上述三组孔状微结构的孔心上下对齐，且第一组高折射率孔状微结构的折射率和第三组高折射率孔状微结构的折射率均大于第二组低折射率孔状微结构的折射率。

本发明的有益效果：

在光学元件自身表面进行刻划多层孔状微结构，可以克服膜层老化脱落的问题；多层孔状微结构与光学元件是同一种材料，可以避免膜层本身吸收光能；多层孔状微结构是一种特征尺寸远小于作用光波长的结构，不会带来明显的衍射效应影响成像；多层孔状微纳结构可等效于一个空气和基质间的连续变化折射率的介质层，相比于传统膜层材料拥有更优越的折射性能；可以通过控制每层微孔的形貌、周期、占空比，层数、每层的层厚、层与层之间的排列方式等，精确控制折射率变化函数，进而精准控制反射的波长，数量不同的层数对应不同的反射波长，做到精确精准的同时，可以有效缩减反射带带宽，有效增加峰值波长反射率。在200-1200nm波段范围内，可反射任意波长，带宽控制在峰值波长5％以下，峰值波长反射率大于99.99％。

附图说明

图1是本发明一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片结构示意图。

1、光学材料基底，2、第一组高折射率孔状微结构，3、第二组低折射率孔状微结构，4、第三组高折射率孔状微结构。

图2是本发明一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片实施例示意图。

图3是两孔孔心之间的连线首尾相连构成正六边形，上下三层孔心对齐。

图4是中心波长为532nm的三层孔状微结构的反射式窄带滤光片的反射光谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片，其特征是，该滤光片具有多层孔状微结构，其包括：光学材料基底1；第一组高折射率孔状微结构2，其具有K，K≥1层孔状微结构，该结构直接与光学材料基底1相连，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；第二组低折射率孔状微结构3，其具有N，N≥1层孔状微结构，其位于第一组高折射率孔状微结构2上，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；第三组高折射率孔状微结构4，其具有M，M≥1层孔状微结构，其位于第二组低折射率孔状微结构3上，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；上述三组孔状微结构的孔心上下对齐，且第一组高折射率孔状微结构2的折射率和第三组高折射率孔状微结构4的折射率均大于第二组低折射率孔状微结构3的折射率；该反射式窄带滤光片为在光学玻璃表面直接刻划多组孔状微结构形成。

同一层孔状微结构遵循同一参数和排布，不同层之间，孔状微结构的参数略有差异，微孔开口直径变化范围0.2-0.5微米，深度变化范围0.2-0.5微米，孔心与孔心之间的间距变化范围0.4-0.9微米，微孔的密度变化范围1.5-4.2个每平方微米。

如图2所示，以中心反射波长532nm为例，每组均为一层多孔微结构，利用三层孔状微结构实现窄带反射。第三层高折射率孔状微结构4位于整个光学表面的最外层；第二层低折射率孔状微结构3位于整个光学表面的次外层；第一层高折射率孔状微结构2位于整个光学表面的最里层，直接与光学材料基底1紧密相接；第一层高折射率孔状微结构2与第三层高折射率孔状微结构4构成两层高反射层；第二层低折射率孔状微结构3位于第一层高折射率孔状微结构2与第三层高折射率孔状微结构4之间，作为间隔层。

第一层高折射率孔状微结构2和第三层高折射率孔状微结构4的微孔结构的特征为：微孔成瓦罐状，截面成超半球状，微孔开口的直径为0.2微米，深度0.32微米，孔心与孔心之间的间距为0.55微米，微孔的密度为3.6个每平方微米，两微孔中心连线首尾相连构成六边形，如图3所示。

第二层低折射率孔状微结构3的微孔结构的特征为：微孔成瓦罐状，截面成超半球状，微孔开口的直径为0.25微米，深度0.4微米，孔心与孔心之间的间距为0.55微米，微孔的密度为3.6个每平方微米，两微孔中心连线首尾相连构成六边形，如图3所示。三层孔心上下对齐。

如图4所示，以中心波长为532nm的三层孔状微结构的反射式窄带滤光片为例，反射带宽532±7nm，反射率大于99.99％，其余波长反射率均处于5％以下。

Claims (3)

1.一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片，其特征是，该滤光片为在光学玻璃表面直接刻划多组孔状微结构形成，其包括：

光学材料基底(1)；

第一组高折射率孔状微结构(2)，其具有K，K≥1层孔状微结构，该结构直接与光学材料基底(1)相连，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；

第二组低折射率孔状微结构(3)，其具有N，N≥1层孔状微结构，其位于第一组高折射率孔状微结构(2)上，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；

第三组高折射率孔状微结构(4)，其具有M，M≥1层孔状微结构，其位于第二组低折射率孔状微结构(3)上，其表面均匀排布微孔结构，微孔为瓦罐状，截面成超半球状，依次将相邻微孔中心点连线构成六边形；

上述三组微孔结构的孔心上下对齐，且第一组高折射率孔状微结构(2)的折射率和第三组高折射率孔状微结构(4)的折射率均大于第二组低折射率孔状微结构(3)的折射率。

2.一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片，其特征在于，所述多层孔状微结构通过控制每组微孔的形貌、周期、占空比，层数、每层的层厚、层与层之间的排列方式，控制折射率变化函数，进而控制反射的波长。

3.一种多层孔状微结构的反射式窄带滤光片，其特征在于，同一层孔状微结构遵循同一参数和排布，不同层之间，孔状微结构的参数不同，微孔开口直径变化范围是0.2-0.5微米，深度变化范围是0.2-0.5微米，孔心与孔心之间的间距变化范围是0.4-0.9微米，微孔的密度变化范围是1.5-4.2个每平方微米。