CN110119005A

CN110119005A - 一种宽波段反射镜

Info

Publication number: CN110119005A
Application number: CN201910452121.2A
Authority: CN
Inventors: 詹耀辉; 马鸿晨; 姚凯强; 赵海鹏
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2019-08-13

Abstract

本发明公开了一种宽波段反射镜，包括从下向上依次设置的衬底层、金属反射层和光子晶体反射层，光子晶体反射层为一维光子晶体；所述光子晶体反射层包括由下至上依次排布的第一光子晶体层、第二光子晶体层和第三光子晶体层；所述第一光子晶体层的光子禁带的中心波长为300nm，所述第二光子晶体层的光子禁带的中心波长为340nm，所述第三光子晶体层的光子禁带的中心波长为380nm。其具有超宽的反射带宽，高反射率，极大的减小了镀膜层数，降低了膜层的内应力。

Description

一种宽波段反射镜

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种宽波段反射镜。

背景技术

反射镜是一种常见的光学元件，在常规尺寸的光学系统和尺寸很小的微纳光学系统之中都有很重要的应用。反射镜主要用于改变光路，传递信息，汇聚能量，避免不必要的能量进入系统等。随着光学，电磁学等基础学科的发展，人们认识到：光的本质是电磁波，人眼可见的光只是占据了光谱中很小的一个波段。除可见光外，还有紫外波段和红外波段的光。在信息爆炸和传统能源日渐退出历史舞台的时代，为了获取或阻隔更多的信息和能量，光学系统不仅要对可见光波段起作用，还要对紫外和红外波段起作用。例如，光学系统为了获得更多的信息，必须要能够接收更宽波段的电磁波，而不能够再局限于可见光波段，在信息获取方面，紫外光具有能够使许多荧光物质发光，鉴定伪钞等作用。红外线作为所有物体热辐射的波段，促成了红外探测仪，红外温度检测仪等装备的生成和发展。而利用金属制作的反射镜往往对紫外波段具有很高的吸收，普通的反射镜也无法兼顾红外波段的需求，故而无法满足宽带调控的目的。

从古时人们利用铜镜进行成像，到近代出现玻璃加银反射层的平面反射镜，反射镜大多都利用金属以达到效果。然而，金属层往往只能对部分可见光波段的光有一定的反射效率，而在波长较短的紫光和紫外线波段，金属反射镜不但不能起到反射作用，还会出现相当可观的吸收。这将极大的影响光学系统的颜色完整性，并且会损失掉一大部分太阳能和其中所包含的光学信息。被吸收的能量将会转化成为热能，这一部分热将会加速金属的老化和腐蚀，进一步的导致反射镜的效率和稳定性的降低。

为了提高反射镜的性能，人们最常用的方法就是光学镀膜。通过在基底上依次镀上折射率高低交替排布的薄膜，增加光的反射界面，提高光的反射效率。这是一种行之有效的方法，通过多层镀膜，对于某一特定频率的光的反射率能达到99％以上。

然而如果为了得到很宽的反射波段，往往需要多达几百层的镀膜。这样的设计使得制作工艺效率低下，并且随着膜层数的不断增加，层间的内应力会增大。百层以上的膜层堆叠往往会容易产生膜层变形，部分膜层脱落的现象。专利号为CN106443848A公开了一种带宽激光薄膜反射器，只能反射400-700nm的可见光波段。该专利主要应用于激光输出的反射镜，波长较窄。无法对紫外线和红外辐射进行反射。专利号为CN103048712A公开了一种极紫外反射镜及其制作方法，虽然可以反射紫外波段，然而只能反射12.5-30nm的极紫外波段。专利号为CN 102112897A公开了宽波段反射镜,其能够反射的波段宽度为400nm-2000nm，覆盖了太阳能波段的主要部分，可以用作太阳能集热器的反射镜。然而该专利中的方案使用了至少200层的膜层堆叠。制作工艺费时费力，成本高昂。大量的膜层堆叠必然导致膜层内部应力的加大，使得整个镜面变形。并且，膜层内应力对于温度变化非常敏感，这更加限制了这种宽波段反射镜的使用场景。

总的说来，现有技术存在的问题主要如下：反射波段窄，无法同时覆盖紫外，可见，红外这三大波段。故而无法实现足够能量和信息的调控；反射效率低，在传统的反射镜中，反射效率大多在85％左右。这既降低了反射的能量，又可能因为镜子本身的吸收而产生多余的热量，导致镜子的形变和腐蚀。进一步影响镜子的使用寿命和效果；大多数为利用金属薄膜所做成的反射镜。金属本身会在紫外波段有很高的吸收。同时，金属容易遭受到腐蚀和氧化；为了提高抗氧化抗腐蚀性能，现有技术大多会采用金属氧化物膜的方式，而这种方式往往会进一步降低反射率。

对于利用多层膜结构达到宽带反射镜的现有技术方案，其缺点主要有，第一：材料选取没有固定原则，不具备可设计性。在纷繁众多的光学材料中，选取材料的方法至关重要。科学的选择合适的光学材料会极大的缩短工艺设计的周期和步骤。而现有技术往往只是“碰运气”式的选择材料。导致材料在力学，化学，热学等其他方面存在很多不匹配的现象。第二：材料厚度设计没有严格的理论指导，缺乏设计性。多层膜厚度存在随机现象，厚度上下浮动大。这进一步加大了生产工艺的复杂性和生产成本。第三：膜层堆叠层数过多，导致了很强的难以消除的内应力。更加限制了使用场景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种宽波段反射镜，其具有超宽的反射带宽，高反射率，极大的减小了镀膜层数，降低了膜层的内应力。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宽波段反射镜，包括从下向上依次设置的衬底层、金属反射层和光子晶体反射层，光子晶体反射层为一维光子晶体；所述光子晶体反射层包括由下至上依次排布的第一光子晶体层、第二光子晶体层和第三光子晶体层；所述第一光子晶体层的光子禁带的中心波长为300nm，所述第二光子晶体层的光子禁带的中心波长为340nm，所述第三光子晶体层的光子禁带的中心波长为380nm。

作为优选的，所述第一光子晶体层的周期数为6，所述第一光子晶体层为第一二氧化硅层与第一氮化硅层交叠而成，所述第一二氧化硅层厚度为50nm，所述第一氮化硅层厚度为350nm。

作为优选的，所述第二光子晶体层的周期数为6，所述第二光子晶体层为第二二氧化硅层与第二氮化硅层交叠而成，所述第二二氧化硅层厚度为57nm，所述第二氮化硅层厚度为40nm。

作为优选的，所述第三光子晶体层的周期数为6，所述第三光子晶体层为第三二氧化硅层与第三氮化硅层交叠而成，所述第三二氧化硅层厚度为64nm，所述第三氮化硅层厚度为44nm。

作为优选的，所述金属反射层为金属银，所述金属银的厚度为1um。

作为优选的，所述金属反射层的厚度大于100nm。

作为优选的，所述衬底层为介电材料或者金属氧化物。

作为优选的，所述衬底层为平面结果或曲面结构。

本发明的有益效果：

1、本发明形成了超宽的反射带宽，反射带宽可达300nm-6000nm。

2.本发明反射率不低于96％，具有高反射率。

3.本发明在形成超宽带宽的反射带的前提下，极大的减小了镀膜层数，从而降低了膜层的内应力，提高的膜层的稳定性，延长使用寿命。

4.本发明衬底层的引入，既可以保护金属反射层不被腐蚀、氧化，又为反射层的多种形状奠定了基础，极大的拓宽了该反射镜的应用范围。

附图说明

图1为本发明的光子晶体反射层的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中宽波段反射镜和银金属层的反射图谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

某些金属如：金，银，铝，铜，以及其化合物，合金，本身就能够对一些特定波段的电磁波具有很高的反射率。如银可以对500nm-6um的光波都具有很高的反射率。可以利用这一特性，将金属作为反射镜的一层，用来反射长波波段的电磁波。我们称其为金属反射层。

然而，金属反射层对于在500nm以下的短波波段却反射率很低，并且会吸收大量的紫外波段的能量。这对于形成宽波段反射镜是非常不利的。

故而，在金属反射层之上我们要添加光子晶体反射层。光子晶体反射层由若干光子晶体组成的。光子晶体是由两种及以上不同介电常数的介电材料按照一定的空间规律周期性排列而成的。按照维数可以讲光子晶体分为一维光子晶体，二维光子晶体和三维光子晶体。本发明内主要使用一维光子晶体进行组合。

光子晶体入射光和出射光之间关系可以由：

给出，其中E_i，H_i表示对于光子的入射光的电场强度和磁场强度，E_t，H_t表示对于光子晶体的出射光的电场强度和磁场强度，M表示表示光子晶体层的传输矩阵。

当光子晶体层由n个光子晶体组成时，M为各个光子晶体的传输矩阵的积，可以表示为：

其中，M_n表示第n个光子晶体的传输矩阵。

上面第一个公式主要表明了光子晶体对入射光波的作用，这种作用具体表现为光子晶体具有光子禁带。光子禁带会对处于禁带频率内的光有极高的反射率，这非常符合反射镜的要求。

另外，第二个公式主要表明光子晶体对入射光波的作用具有线性的叠加效果，具体表现为：上述的光子禁带具有线性叠加效果。即光子晶体层的反射带是以不同的光子晶体的禁带叠加出来的。

在光子晶体反射层的中的每一个光子晶体，都由两种折射率高低不同的材料周期排布形成。具体的讲，就是折射率高的介质与折射率低的介质相互叠加的周期结构。该结构可以表示为：Air(HL)m₁(HL)m₂···(HL)m_s Metal其中Air表示空气，Metal表示金属反射层，H代表高折射率介电材料，L代表低折射率介电材料。m₁，m₂，···m_s表示周期数。

假设该光子晶体的光子禁带中心波长为λ，两种介质材料的折射率分别为n₁，n₂，为了满足生成相应的光子禁带的条件，则对应的介质层厚度应为：d₁＝λ/4n₁，d₂＝λ/4n₂，如图1所示，为光子晶体反射层的结构示意图。

参照图2所示，本发明公开了一种宽波段反射镜，包括从下向上依次设置的衬底层、金属反射层和光子晶体反射层，光子晶体反射层为一维光子晶体；光子晶体反射层包括由下至上依次排布的第一光子晶体层、第二光子晶体层和第三光子晶体层；第一光子晶体层的光子禁带的中心波长为300nm，第二光子晶体层的光子禁带的中心波长为340nm，第三光子晶体层的光子禁带的中心波长为380nm。第一光子晶体层的周期数为6，第一光子晶体层为第一二氧化硅层与第一氮化硅层交叠而成，第一二氧化硅层厚度为50nm，第一氮化硅层厚度为350nm。第二光子晶体层的周期数为6，第二光子晶体层为第二二氧化硅层与第二氮化硅层交叠而成，第二二氧化硅层厚度为57nm，第二氮化硅层厚度为40nm。第三光子晶体层的周期数为6，第三光子晶体层为第三二氧化硅层与第三氮化硅层交叠而成，第三二氧化硅层厚度为64nm，第三氮化硅层厚度为44nm。金属反射层的厚度大于100nm。金属反射层的材料可选的为Au，Ag，Al，Cu及其合金等。本实施例中，金属反射层为金属银，金属银的厚度为1um。图3为本发明中宽波段反射镜和银金属层的反射图谱。

衬底层为介电材料或者金属氧化物。衬底层可用玻璃，氧化铝等抗氧化，抗腐蚀材料，可以根据不同环境选取材料，并不会对反射镜的反射性能产生影响

衬底层为平面结果或曲面结构。为了满足不同条件和不同环境下的使用要求，衬底层的设计决定了整个反射镜的形状，大小。可选的，衬底层可以设计为平面形(具体包括圆形，方形，环形，扇形等)，弧球形，柱形，球形，任意曲面形等。如将衬底层设置在弧球形，可以用于太阳能集热器。衬底层也可以选择为某种物体的表面，通过在其表面进行镀膜工艺，依次镀金属层膜和光子晶体层膜，使得物体本身的表面成为这种超宽波段的反射镜。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种宽波段反射镜，其特征在于，包括从下向上依次设置的衬底层、金属反射层和光子晶体反射层，光子晶体反射层为一维光子晶体；所述光子晶体反射层包括由下至上依次排布的第一光子晶体层、第二光子晶体层和第三光子晶体层；所述第一光子晶体层的光子禁带的中心波长为300nm，所述第二光子晶体层的光子禁带的中心波长为340nm，所述第三光子晶体层的光子禁带的中心波长为380nm。

2.如权利要求1所述的宽波段反射镜，其特征在于，所述第一光子晶体层的周期数为6，所述第一光子晶体层为第一二氧化硅层与第一氮化硅层交叠而成，所述第一二氧化硅层厚度为50nm，所述第一氮化硅层厚度为350nm。

3.如权利要求1所述的宽波段反射镜，其特征在于，所述第二光子晶体层的周期数为6，所述第二光子晶体层为第二二氧化硅层与第二氮化硅层交叠而成，所述第二二氧化硅层厚度为57nm，所述第二氮化硅层厚度为40nm。

4.如权利要求1所述的宽波段反射镜，其特征在于，所述第三光子晶体层的周期数为6，所述第三光子晶体层为第三二氧化硅层与第三氮化硅层交叠而成，所述第三二氧化硅层厚度为64nm，所述第三氮化硅层厚度为44nm。

5.如权利要求1所述的宽波段反射镜，其特征在于，所述金属反射层为金属银，所述金属银的厚度为1um。

6.如权利要求1所述的宽波段反射镜，其特征在于，所述金属反射层的厚度大于100nm。

7.如权利要求1所述的宽波段反射镜，其特征在于，所述衬底层为介电材料或者金属氧化物。

8.如权利要求1所述的宽波段反射镜，其特征在于，所述衬底层为平面结果或曲面结构。