CN112394543A - 一种基于铌酸锂薄膜的可调谐fp滤光片 - Google Patents

一种基于铌酸锂薄膜的可调谐fp滤光片 Download PDF

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Abstract

本发明属于薄膜窄带滤光片技术领域，具体涉及一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，包括：衬底、第一金属层、电光可调谐铌酸锂薄膜通光层、第二金属层，通过控制所述第一金属层和第二金属层之间的电压，可以调节所述可调谐滤波器的本发明的可调谐FP滤光片的中心波长。本发明采用的铌酸锂薄膜作为光学干涉薄膜中半波共振腔的腔体材料，其具有较宽的透光窗口、较高的电光系数以及较好的温度稳定性，可以大幅降低窄带可调谐滤波器的光学损耗，同时实现中心波长的可调谐。本发明可以有效改善现有MEMS热光调谐滤波器存在的光损耗大，调谐速度慢、温度敏感等问题，在光传感领域具有良好的应用前景。

Description

一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片
技术领域
本发明属于薄膜窄带滤光片技术领域，具体涉及一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片。
背景技术
滤光片是在塑料或玻璃基材中加入特种燃料或在其表面蒸镀光学膜制成的，用以衰减光波中的某些光波段或以精确选择小范围波段光波通过，而反射掉其他不希望通过的波段。通过改变滤光片的结构和膜层的光学参数，可以获得各种光谱特性，使滤光片可以控制、调整和改变光波的透射、反射、偏振或相位状态，在光谱相机中应用广泛。
传统多波段成像装置为实现多种光谱的检测，需要使用不同的滤光片，然后通过转轮控制实现对多波段的滤光，从而导致体积较大且使用不便；另一方面为实现多波段的聚焦，减轻像差，多波段成像还需要连续减轻像差的大且复杂的光学部件，传统多波段成像装置体积较大，成像系统复杂，不方便使用。可调谐光滤波片通常是指光带通滤波器的中心波长可调的光学滤波片，由于其波长调节的灵活性，可用于多波段成像系统，有效简化多波段成像装置，在多光谱成像领域有着广泛的应用。目前可调光滤波片主要基于MEMS结构、液晶型、热光型等，但是这些可调光滤波器虽然可以满足一些应用要求，但是不同程度存在一些问题，如响应时间长、环境适应性差等问题，限制了可调光滤波片的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，如何提供一种可调谐滤光片结构，要求其可以有效改善现有MEMS型、热光调谐滤波器存在的光损耗大，调谐速度慢、温度敏感、稳定性差等问题，在光谱成像领域具有良好的应用前景。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，所述可调谐FP滤光片包括：衬底1、第一金属层2、电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3、第二金属层4；
所述第一金属层2作为下反射层和电极层置于衬底1之上；
所述电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3作为半波共振腔通光层置于第一金属层2之上；
第二金属层4作为上反射层置于电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3之上；
通过控制所述第一金属层2和第二金属层4之间的电压，调节所述可调谐FP滤光片的中心波长。
其中，所述衬底1为高透光率的石英玻璃或K9玻璃。
其中，所述第一金属层2材料包括Al、Ag，厚度10nm-30nm。
其中，所述电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3厚度为λ/2n，λ为设计中心波长，在400-1000nm范围内，n为未加电状态下铌酸锂薄膜折射率。
其中，所述第二金属层4材料包括Al、Ag，厚度10nm-30nm。
其中，所述第二金属层4和电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3设置为平面型、线列型或瓦片型周期性结构。
其中，所述第二金属层4结构为平面型结构时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3为一维平面结构。
其中，所述第二金属层4结构为线列型周期性结构402时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3为二维线列周期性结构302，脊型宽度与第二金属层4宽度一致。
其中，所述第二金属层4结构为瓦片型、马赛克型周期性结构403时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3为瓦片型、马赛克型三维周期性结构303，脊型长度和宽度与第二金属层4长度和宽度一致。
其中，通过控制第二金属层4的电压，实现所述FP滤光片中心波长光谱调谐，调谐范围0nm～200nm；
折射率差表达为：
Figure BDA0002797603130000031
FP腔中心波长调谐范围：
Figure BDA0002797603130000032
式中，λ为设计中心波长，在400-1000nm范围内；E为电场强度；n为未加电状态下铌酸锂薄膜折射率；r是铌酸锂电光系数，是一个张量，通过调控电场可以调整折射率变化，从而实现中心波长调谐。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明可自由选择铌酸锂薄膜的切向和厚度，有利于充分利用铌酸锂材料本身的光电效应；
所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片中，半波共振腔材料为铌酸锂薄膜大的电光系数、低消光系数的薄膜材料，相对于常规光学介质材料SiO2、Si3N4、多晶硅、非晶硅等热光材料，铌酸锂薄膜的电光系数较高，且响应速度快、温度稳定性好。当通过第一金属层和第二金属层之间施加电压，由于半波共振腔材料的折射率发生相对较大的变化，从而可以实现薄膜中心波长数纳米至上百纳米的调节。
本发明采用的铌酸锂薄膜作为光学干涉薄膜中半波共振腔的腔体材料，其具有较宽的透光窗口(400-1000nm)、较高的电光系数以及较好的温度稳定性，可以大幅降低窄带可调谐滤波器的光学损耗，同时实现中心波长的可调谐。本发明可以有效改善现有MEMS热光调谐滤波器存在的光损耗大，调谐速度慢、温度敏感等问题，在光谱成像领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片的截面图；
图2为本发明实施例提供的一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片线列截面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片的瓦片结构示意图。
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。
为解决现有技术问题，本发明提供一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，如图1所示，所述可调谐FP滤光片包括：衬底1、第一金属层2、电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3、第二金属层4；
所述第一金属层2作为下反射层和电极层置于衬底1之上；
所述电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3作为半波共振腔通光层置于第一金属层2之上；
第二金属层4作为上反射层置于电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3之上；
通过控制所述第一金属层2和第二金属层4之间的电压，调节所述可调谐FP滤光片的中心波长。
其中，所述衬底1为高透光率的石英玻璃或K9玻璃等其他高透光材料；
其中，所述第一金属层2材料包括Al、Ag，厚度10nm-30nm。
其中，所述电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3厚度为λ/2n，λ为设计中心波长，在400-1000nm范围内，n为未加电状态下铌酸锂薄膜折射率。
其中，所述第二金属层4材料包括Al、Ag，厚度10nm-30nm。
其中，所述第二金属层4和电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3设置为平面型、线列型或瓦片型周期性结构。
其中，所述第二金属层4结构为平面型结构时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3为一维平面结构。
其中，如图2所示，所述第二金属层4结构为线列型周期性结构402时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3为二维线列周期性结构302，脊型宽度与第二金属层4宽度一致，在2μm～500μm范围内。
其中，如图3所示，所述第二金属层4结构为4*4瓦片型、马赛克型周期性结构403时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3为瓦片型、马赛克型三维周期性结构303，脊型长度和宽度与第二金属层4长度和宽度一致，典型值在100μm～500μm范围内。
所述第二金属层4和电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3的线列型、瓦片型周期性结构通过常规的光刻、刻蚀工艺手段制备。
其中，通过控制第二金属层4的电压，实现所述FP滤光片中心波长光谱调谐，调谐范围0nm～200nm；
折射率差表达为：
Figure BDA0002797603130000051
FP腔中心波长调谐范围：
Figure BDA0002797603130000052
式中，λ为设计中心波长，在400-1000nm范围内；E为电场强度；n为未加电状态下铌酸锂薄膜折射率；r是铌酸锂电光系数，是一个张量，通过调控电场可以调整折射率变化，从而实现中心波长调谐。
所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片中，半波共振腔材料为铌酸锂薄膜大的电光系数、低消光系数的薄膜材料，相对于常规光学介质材料SiO2、Si3N4、多晶硅、非晶硅等热光材料，铌酸锂薄膜的电光系数较高，且响应速度快、温度稳定性好。当通过第一金属层和第二金属层之间施加电压，由于半波共振腔材料的折射率发生相对较大的变化，从而可以实现薄膜中心波长数纳米至上百纳米的调节。
本发明可自由选择铌酸锂薄膜的切向、厚度和厚度，有利于充分利用铌酸锂材料本身的光电效应。
本发明采用的铌酸锂薄膜作为光学干涉薄膜中半波共振腔的腔体材料，其具有较宽的透光窗口(400-1000nm)、较高的电光系数以及较好的温度稳定性，可以大幅降低窄带可调谐滤波器的光学损耗，同时实现中心波长的可调谐。本发明可以有效改善现有MEMS热光调谐滤波器存在的光损耗大，调谐速度慢、温度敏感等问题，在光传感领域具有良好的应用前景。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，包括衬底1、第一金属层2、电光可调谐铌酸锂薄膜通光层3、第二金属层4，通过控制所述第一金属层2和第二金属层4之间的电压，可以调节所述可调谐滤波器的本发明的可调谐FP滤光片的中心波长。
其中，所述衬底1为高透光率的石英玻璃或K9玻璃等其他高透光材料；所述第一金属层2作为下反射层和电极层置于衬底1之上，材料为Al、Ag等，厚度10nm-30nm；所述铌酸锂薄膜3作为半波共振腔通光层置于第一金属层2之上，铌酸锂薄膜层厚度为λ/(2n),λ为设计中心波长，在400-1000nm范围内，n(n＝2.2)为未加电状态下铌酸锂薄膜折射率；第二层金属4作为上反射层置于铌酸锂薄膜3之上，材料为Al、Ag等，厚度10nm-30nm。
所述第二金属层4结构和铌酸锂薄膜可设计为平面型、线列型、瓦片型周期性结构。
所述第二金属层4结构为平面型结构时，其下方铌酸锂薄膜为一维平面结构；
如图2所示给出的实施例为第二金属层4结构为线列型周期性结构，其下方铌酸锂薄膜为线列周期性结构；脊型宽度与第二金属层4宽度一致，在2μm～500μm范围内。
如图3所示给出的实施例为第二金属层4结构为4*4瓦片型周期性结构，其下方铌酸锂薄膜为三维周期性结构，其长度和宽度与第二金属层4长度和宽度一致，典型值在100μm～500μm范围内。
通过控制第二金属电极反射层的电压，可实现所述FP滤光片中心波长光谱调谐，调谐范围0nm～200nm。
折射率差表达为：
Figure BDA0002797603130000071
FP腔中心波长调谐范围：
Figure BDA0002797603130000072
式中，n是铌酸锂折射率，r是铌酸锂电光系数，是一个张量，通过调控电场可以调整折射率变化，从而实现中心波长调谐。
所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片中，半波共振腔材料为铌酸锂薄膜大的电光系数、低消光系数的薄膜材料，相对于常规光学介质材料SiO2、Si3N4、多晶硅、非晶硅等热光材料，铌酸锂薄膜的电光系数较高，且响应速度快、温度稳定性好。当通过第一金属层2和第二金属层4之间施加电压，由于半波共振腔材料的折射率发生相对较大的变化，从而可以实现薄膜中心波长数纳米至上百纳米的调节。本发明可以有效改善现有MEMS、热光调谐滤波器等存在的光学损耗大、调谐速度慢、稳定性差等问题，在光谱成像领域具有良好的应用前景。
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)

1.一种基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述可调谐FP滤光片包括：衬底(1)、第一金属层(2)、电光可调谐铌酸锂薄膜通光层(3)、第二金属层(4)；
所述第一金属层(2)作为下反射层和电极层置于衬底(1)之上；
所述电光可调谐铌酸锂薄膜通光层(3)作为半波共振腔通光层置于第一金属层(2)之上；
第二金属层(4)作为上反射层置于电光可调谐铌酸锂薄膜通光层(3)之上；
通过控制所述第一金属层(2)和第二金属层(4)之间的电压，调节所述可调谐FP滤光片的中心波长。
2.如权利要求1所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述衬底1为高透光率的石英玻璃或K9玻璃。
3.如权利要求1所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述第一金属层(2)材料包括Al、Ag，厚度10nm-30nm。
4.如权利要求1所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述电光可调谐铌酸锂薄膜通光层(3)厚度为λ/2n，λ为设计中心波长，在400-1000nm范围内，n为未加电状态下铌酸锂薄膜折射率。
5.如权利要求1所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述第二金属层(4)材料包括Al、Ag，厚度10nm-30nm。
6.如权利要求1所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述第二金属层(4)和电光可调谐铌酸锂薄膜通光层(3)设置为平面型、线列型或瓦片型周期性结构。
7.如权利要求6所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述第二金属层(4)结构为平面型结构时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层(3)为一维平面结构。
8.如权利要求6所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述第二金属层(4)结构为线列型周期性结构(402)时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层(3)为二维线列周期性结构(302)，脊型宽度与第二金属层(4)宽度一致。
9.如权利要求6所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，所述第二金属层(4)结构为瓦片型、马赛克型周期性结构(403)时，其下方的电光可调谐铌酸锂薄膜通光层(3)为瓦片型、马赛克型三维周期性结构(303)，脊型长度和宽度与第二金属层(4)长度和宽度一致。
10.如权利要求1所述基于铌酸锂薄膜的可调谐FP滤光片，其特征在于，通过控制第二金属层(4)的电压，实现所述FP滤光片中心波长光谱调谐，调谐范围0nm～200nm；
折射率差表达为：
Figure FDA0002797603120000021
FP腔中心波长调谐范围：
Figure FDA0002797603120000022
式中，λ为设计中心波长，在400-1000nm范围内；E为电场强度；n为未加电状态下铌酸锂薄膜折射率；r是铌酸锂电光系数，是一个张量，通过调控电场可以调整折射率变化，从而实现中心波长调谐。
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