CN110927869A - 一种宽带反射器及电磁波反射方法 - Google Patents

一种宽带反射器及电磁波反射方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽带反射器及电磁波反射方法，反射器包括基底、平行于所述基底设置的两层或者多层高折射率差光栅，各层高折射率差光栅之间以及最下层高折射率差光栅距离所述基底之间都有一定间隔。各层高折射率差光栅的高反射率波段主体部分互不相同；同时对于高反射率波段主体部分相邻的两层高折射率差光栅来说，它们的高反射率波段主体部分相互交叠，重合的波段也具有高反射率。本发明的宽带反射器具有无损耗、反射率高、带宽较宽、成本低、制作工艺简单的优点，对高光谱成像，可调滤波器等光学领域器件的加工及设计有很大的帮助。

Description

一种宽带反射器及电磁波反射方法
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，具体涉及一种基于两层及两层以上的级联反射式光栅的，能够在激光器、高光谱成像、可调滤波器等众多领域进行应用的宽带反射器。
背景技术
宽带反射器用于实现特定波长电磁波的反射，是重要的光学元件，在激光器、高光谱成像、可调滤波器等众多领域都有广泛的应用。比较常见的一种是使用金属反射镜，例如银或铝，虽然此类反射器具有较宽的反射带宽，但是金属的本征损耗对反射率却有较大影响。另一种常用的反射器是分布式布拉格光栅(DBR)，采用多层高低折射率不同的材料堆叠而成，具有较高的反射率，但是此类反射器的厚度都比较高，通常在微米级，并且在加工过程中对实验环境要求比较高，成本也比较高。
2004年加利福尼亚大学Connie J.Chang-Hasnain首次提出来使用硅材料做光栅，SiO2做衬底，形成高折射率差光栅(HCG)，从而实现红外波段1.33-1.8μm处的高反射率，该波段的反射率大于99％，相对带宽30％。自此，基于HCG的宽带反射器引起人们广泛的关注。由于对于红外波段可以使用硅等材料来制作器件，因此很容易实现高折射率差光栅，进而实现宽带反射器，目前基于HCG的宽带反射器也主要集中在红外波段。而在可见光波段，天然的高折射率并且无损耗的材料比较难找，因此难以简单实现基于高折射率差光栅的宽带反射器。2015年，查尔姆斯理工大学Ehsan Hashemi课题组首次利用TiO2进行可见光波段HCG反射器的研究，得到在395-475nm处反射率大于95％，相对带宽仅18％，因而仍然无法覆盖整个可见光波段。因此，如何获得宽带高、反射低损耗且成本低的反射器仍是亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明选用在可见光至近红外波段具有高折射率且无损耗的材料来实现高折射率差光栅反射器，巧妙的将对应于相邻波段的多个高折射率差光栅反射器进行级联，从而获得覆盖整个可见光波段或可见光至红外波段的宽带反射器。
具体地，本发明的宽带反射器包括基底、两层或者多层高折射率差光栅；其中，所述两层或者多层高折射率差光栅平行于所述基底设置，并且最下层高折射率差光栅距离所述基底有一定间隔；各层高折射率差光栅之间也具有一定间隔；各层高折射率差光栅的高反射率波段主体部分互不相同；同时对于高反射率波段主体部分相邻的两层高折射率差光栅来说，它们的高反射率波段主体部分相互交叠，重合的波段也具有高反射率。
进一步，所述各层高折射率差光栅的制作材料为折射率高并且无损耗的材料，针对可见光波段优选为GaN或者TiO2，针对红外波段优选为Si。
优选地，各层高折射率差光栅的高度范围为100-500nm，占空比为0.5-0.8，周期小于工作波长。特别地，针对可见光波段，周期范围为200-500nm；针对红外波段，周期范围为400-800nm。
对于整个宽带反射器来说，工作波段能够覆盖可见光波段或者覆盖可见光至红外波段。所述高反射率波段的反射率可以达到大于95％。
相应地，本发明还提出一种使电磁波反射的方法，包括：
构建两层或者多层高折射率差光栅，并且各层高折射率差光栅之间具有一定间隔；其中，各层高折射率差光栅的高反射率波段主体部分互不相同；同时对于高反射率波段主体部分相邻的两层高折射率差光栅来说，它们的高反射率波段主体部分相互交叠，重合的波段也具有高反射率；
电磁波从最外层高折射率差光栅的一侧入射，并经所述两层或者多层高折射率差光栅反射。
其中，所述方法还包括根据严格耦合波模型理论，计算各层高折射率差光栅之间的间隔在不同数值下的反射效果，根据反射效果选择最优的间隔的步骤。
进一步，所述各层高折射率差光栅的制作材料为折射率高并且无损耗的材料，针对可见光波段优选为GaN或者TiO2，针对红外波段优选为Si。
优选地，各层高折射率差光栅的高度范围为100-500nm，占空比为0.5-0.8，周期小于工作波长。特别地，针对可见光波段，周期范围为200-500nm；针对红外波段，周期范围为400-800nm。
对于上述使电磁波反射的方法来说，能够适用可见光波段或者可见光至红外波段。同时，所述高反射率波段的反射率能够达到大于95％。
本发明通过将两个及以上对应相邻波段带宽的宽带反射高折射率差光栅进行巧妙的级连，可以实现覆盖整个可见光或可见光到红外波段的宽带反射器。与现有技术相比，本发明的宽带反射器具有无损耗、反射率高、带宽较宽、成本低、制作工艺简单的优点，对高光谱成像，滤波器等光学领域器件的加工及设计有很大的帮助。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1是本发明宽带反射器结构示意图；
图2是本发明宽带反射器结构模型图；
图3是本发明实施例1的仿真结果图；
图4是本发明实施例1两层高折射率差光栅间距变化的仿真结果图；
图5是本发明实施例2的仿真结果图；
图6是本发明实施例3的宽带反射器结构示意图；
图7是本发明实施例3的仿真结果图。
附图标记：
1-上层高折射率差光栅、2-下层高折射率差光栅、3-基底、4-中层高折射率差光栅。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明宽带反射器的核心结构为平行于基底3的两层或者多层高折射率差光栅，例如说明书附图1中的上层高折射率差光栅1和下层高折射率差光栅2。所述两层或多层高折射率差光栅的制作材料需要选用折射率高并且无损耗的材料，优选折射率在2-5之间，例如GaN、TiO2或者Si等。而每层光栅的周期均小于工作波长。在以下的说明中，以TiO2作为所述高折射率差光栅的材料为例，但本领域技术人员容易知晓该材料也可替换成其他高折射率并且无损耗的材料，例如GaN、Si等。
参见说明书附图1所示，宽带反射器包括材质为TiO2的上层高折射率差光栅1，材质为TiO2的下层高折射率差光栅2，材质为硅的基底3。两层高折射率差光栅均平行于基底设置，相当于将两层高折射率差光栅进行级联。两层高折射率差光栅之间以及下层高折射率差光栅2与基底3之间的空间部分都由空气填充。使用所述宽带反射器时，入射光从上层高折射率差光栅1的上方垂直入射。建立如图1所示的坐标系，其中x、y和z三个方向相互垂直，x-y平面平行于纸面。为了固定所述两层或多层高折射率差光栅以及基底，可以设置有如图1所示的沿y方向延伸的侧板。尽管图中仅仅显示了两个沿x方向分立左右的侧板，但z方向的前后也同样可以设置侧板，从而两层或者多层的光栅结构以及基底可以固定在侧板上。可替换地，侧板可以与所述基底3一体制作而成。每一层高折射率差光栅的高度范围为100-500nm，对于可见光波段，该高度范围优选为100-300nm，对于红外波段，该高度范围优选为300-500nm。各层高折射率差光栅的占空比为0.5-0.8，周期小于工作波长。特别地，针对可见光波段，周期范围优选为200-500nm；针对红外波段，周期范围优选为400-800nm。通过后文所描述的模拟仿真计算可知，不在这个范围内的参数设定会导致光栅的反射率降低或对应高反射的带宽变窄。级联后整体光栅结构的周期为多个单层光栅周期的最小公倍数，因而整体光栅结构的周期范围为200-500000nm。如图1所示的整个宽带反射器的尺寸可以做到长宽为毫米或厘米量级，高为1.2μm左右，其中下层高折射率差光栅2到基底3距离的典型尺寸约为480-500nm。参见后文的实施例，对于工作波段来说整个器件在光栅层的反射效率很高，因而下层高折射率差光栅到基底的距离并非关键参数，大部分工作波段的电磁波不会进入该区域。
在各层高折射率差光栅的设计上，每一层TiO2高折射率差光栅对应的反射率大于95％的带宽能够大于30％，并且上下两层高折射率差光栅对应反射率大于95％的波段主体部分要求不相同，反射光谱重合点处的总体反射率应大于95％，这样才能够使反射器获得更高的带宽。在以下实施例中，采用严格耦合波模型理论仿真计算光栅的反射率，并对器件的结构进行计算优化，得到上下两层高折射率差光栅的间距为一定值时，或者多层高折射率差光栅之间的间距为一定值时，可实现总结构的反射率带宽为两层或多层单层高折射率差光栅反射率的带宽之和，实现覆盖整个可见光波段或可见光至近红外波段的宽带反射器，并且具有无损耗、反射率高的特性。
关于高折射率差光栅之间的间距，其是影响整个宽带反射器的重要参数。为了快速优化这个间距以获得宽带的高反射性能，可以采用一个耦合波理论模型。参见说明书附图2所示，以两层高折射率差光栅为例，利用图2的耦合波理论模型对器件进行描述，其中入射光的幅度为1(单位幅度)，遇到上层高折射率差光栅后，反射系数为r1，透射系数为t1，进一步，透射的能量在遇到下层高折射率差光栅后，在下层光栅反射系数为r2，透射系数为t2，其中的反射光再次经过上层高折射率差光栅后，透射系数为t3，反射系数为r3。级联结构的反射系数为B1，透射系数为A2，由于全介质材料吸收为零，这两个系数满足以下关系：
|A2|2+|B1|2＝1 (1)
根据耦合波理论模型，经过简单的推导，反射系数B1的表达如下所示，
Figure BDA0002314314550000061
其中，d为两层高折射率差光栅之间的间距，k0为波数，A1为入射下层光栅的总的能量，n3为两层光栅之间介质层的折射率，此处为空气，因此n3＝1。因而，级联结构的整体反射率为：
R＝|B1|2 (3)
公式(2)建立了级联光栅整体的反射率与两层光栅的反射系数、透射系数和间距之间d的函数关系。该理论模型的优点是，理论预测结果与数值仿真结果一致，然而所需的计算量与数值仿真相比可以忽略不计。由于每层光栅的反射系数和透射系数以及k0均随着波长改变。利用公式(3)可以快速准确求取不同间距下的级联光栅反射谱，从而为获得宽带的高反射率提供了光栅间距的快速优化方法。
下面结合具体实施例和附图作进一步说明。
实施例1
本实施例的高反射率高带宽的两层级联高折射率差光栅反射器，其结构即为图1所示。基底3为硅；上层高折射率差光栅1为TiO2光栅，厚度为241nm，周期为360nm，占空比为0.69；下层高折射率差光栅2为TiO2光栅，厚度为159nm，周期为250nm，占空比为0.73。其余空间为空气填充。整体结构的周期为9000nm。
本实施例的仿真计算结果如说明书附图3所示。图3是依照本发明实施例1提供的高反射率高带宽的两层级联高折射率差光栅反射器的理论计算，得到的TM(电场平行x方向)偏振光的反射率-波长曲线。其中虚线为单独上层高折射率差光栅1对应的反射率曲线图，在526-756nm处，反射率大于95％，相对带宽35.9％。点线为单独下层高折射率差光栅2对应的反射率曲线图，在400-553nm处，反射率大于95％，相对带宽32％。实线为整体结构的反射率光谱图。通过严格耦合波模型理论计算优化得到，当两层高折射率差光栅之间的间距为315nm时，可实现最佳效果：400-756nm处，反射率都大于95％，相对带宽61.6％。可实现覆盖整个可见光范围的宽带反射的效果。
说明书附图4为本发明实施例1中两层高折射率差光栅间距d变化的仿真结果图，其中实线为图3中两层光栅间距d为315nm时，整体结构的反射率曲线图；虚线为两层光栅间距d变为350nm，而其他参数不变的情况下，整体结构的反射率曲线图；点线为两层光栅间距d变为250nm，而其他参数不变的情况下，整体结构的反射率曲线图。从图中可见，两层光栅间距d是可以通过优化得到最佳值的，相比于上述间距d为315nm的结果，无论是间距d为350nm还是250nm，都存在部分波段的反射率小于95％的情况，也就是说虽然能够满足上下两层高折射率差光栅对应反射率大于95％的波段主体部分不相同，但是并不满足反射光谱重合点处的总体反射率也大于95％，如此将影响反射器的使用性能。
实施例2
本实施例的高反射率高带宽的两层级联高折射率差光栅反射器，其结构也同图1所示。基底3为硅；上层高折射率差光栅1为TiO2光栅，厚度为275nm，周期为400nm，占空比为0.7，下层高折射率差光栅2为TiO2光栅，厚度为241nm，周期为360nm，占空比为0.69。其余空间为空气填充。整体结构的周期为3600nm。
本实施例的仿真计算结果如图5所示。图5是依照本发明实施例2提供的高反射率高带宽的两层级联高折射率差光栅反射器的理论计算，得到的TM(电场平行x方向)偏振光的反射率-波长曲线。其中虚线为上层高折射率差光栅1对应的反射率曲线图，在589-831nm处，反射率大于95％，相对带宽34％。点线为下层高折射率差光栅2对应的反射率曲线图，在526-757nm处，反射率大于95％，相对带宽36％。实线为整体结构的反射率光谱图。通过严格耦合波模型理论计算优化得到，当两层高折射率差光栅之间的间距为475nm时，可实现最佳效果：536-840nm处，反射率大于95％，相对带宽44％。可实现覆盖可见光至近红外范围的宽带反射的效果。
实施例3
本实施例的高反射率高带宽的三层级联高折射率差光栅反射器，其结构如说明书附图6所示。其基底3为硅；上层高折射率差光栅1为TiO2光栅，厚度为130nm，周期为200nm，占空比为0.78；中层高折射率差光栅4为TiO2光栅，厚度为184nm，周期为280nm，占空比为0.73；下层高折射率差光栅2为TiO2光栅，厚度为275nm，周期为400nm，占空比为0.7。上层和中层光栅之间间距为375nm，中层光栅和下层光栅之间间距为260nm。其余空间为空气填充。整体结构的周期为2800nm。
本实施例的仿真计算结果如说明书附图7所示。图7是依照本发明实施例3提供的高反射率高带宽的三层级联高折射率差反射器的理论计算，得到的TM(电场平行x方向)偏振光的反射率-波长曲线。其中虚线为上层高折射率差光栅1对应的反射率曲线图，在380-460nm处，反射率大于95％，相对带宽19％。点线为中层高折射率差光栅4对应的反射率曲线图，在430-600nm处，反射率大于95％，相对带宽33％。虚点线为下层高折射率差光栅2对应的反射率曲线图，在590-860nm处，反射率大于95％，相对带宽37％。实线为整体结构的反射率光谱图。通过严格耦合波模型理论计算优化得到，上层和中层光栅之间间距为375nm，中层光栅和下层光栅之间间距为260nm时，可实现最佳效果：400-860nm处，反射率大于95％，相对带宽73％。可实现覆盖整个可见光至近红外范围的宽带反射的效果。
本发明通过将两层或者多层对应相邻波段带宽的宽带反射高折射率差光栅进行巧妙的级联，要求每层反射光谱重合点的反射率不能低于95％，可以实现总带宽等于甚至大于多个单层高折射率差光栅对应高反射率带宽相加的效果，实现覆盖整个可见光或可见光到红外波段的反射率大于95％的宽带反射器，并且具有无损耗，反射率高，带宽较宽，成本较低的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种宽带反射器，包括基底、两层或者多层高折射率差光栅；
其中，所述两层或者多层高折射率差光栅平行于所述基底设置，并且最下层高折射率差光栅距离所述基底有一定间隔；各层高折射率差光栅之间也具有一定间隔；
各层高折射率差光栅的高反射率波段主体部分互不相同；同时对于高反射率波段主体部分相邻的两层高折射率差光栅来说，它们的高反射率波段主体部分相互交叠，重合的波段也具有高反射率。
2.根据权利要求1所述的宽带反射器，其特征在于：所述各层高折射率差光栅的制作材料为折射率高并且无损耗的材料，针对可见光波段优选为GaN或者TiO2，针对红外波段优选为Si。
3.根据权利要求1所述的宽带反射器，其特征在于：各层高折射率差光栅的高度范围为100-500nm，占空比为0.5-0.8，周期小于工作波长。优选地，针对可见光波段，周期范围为200-500nm；针对红外波段，周期范围为400-800nm。
4.根据权利要求1所述的宽带反射器，其特征在于：工作波段覆盖可见光波段或者覆盖可见光至红外波段。
5.根据权利要求1所述的宽带反射器，其特征在于：所述高反射率波段的反射率为大于95％。
6.一种使电磁波反射的方法，包括：
构建两层或者多层高折射率差光栅，并且各层高折射率差光栅之间具有一定间隔；其中，各层高折射率差光栅的高反射率波段主体部分互不相同；同时对于高反射率波段主体部分相邻的两层高折射率差光栅来说，它们的高反射率波段主体部分相互交叠，重合的波段也具有高反射率；
电磁波从最外层高折射率差光栅的一侧入射，并经所述两层或者多层高折射率差光栅反射。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括根据严格耦合波模型理论，计算各层高折射率差光栅之间的间隔在不同数值下的反射效果，根据反射效果选择最优的间隔。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述各层高折射率差光栅的制作材料为折射率高并且无损耗的材料，针对可见光波段优选为GaN或者TiO2，针对红外波段优选为Si。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：各层高折射率差光栅的高度范围为100-500nm，占空比为0.5-0.8，周期小于工作波长。特别地，针对可见光波段，周期范围为200-500nm；针对红外波段，周期范围为400-800nm。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述电磁波为可见光波段或者可见光至红外波段的电磁波。
11.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述高反射率波段的反射率为大于95％。
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