CN113848602B - 基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法 - Google Patents

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Abstract

基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法，以高折射率和低折射率两种材料排列成准周期序列，排列顺序不变高折射率和低折射率互换的序列为反转序列；第一中心波长的准周期序列与其反转序列形成第一组合单元；第二中心波长的准周期序列与其反转序列形成第二组合单元；两种组合单元级联在一起，重复排列，获得级联式准周期多层膜，对全方位入射光实现超宽带高反射。本发明采用高低折射率互换排列的准周期序列组合成两种不同中心波长的多层膜系，有效减小了准周期多层膜的高透射缺陷带宽，无论入射角如何变化，级联式准周期高反射带始终保持互补连接状态，即使发生反射带蓝移，仍能够得到比普通周期和非周期高反膜宽得多的全向高反射带。

Description

基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法
技术领域
本发明涉及一种用于实现超宽带全向高反射的方法，属于全向高反射技术领域。
背景技术
全向高反射膜可以在一定波段中实现与入射角无关的光的全反射，可用于制备传输高功率激光的中空光纤、实验光学中全向反射校准、太阳能电池中的滤光片、高频通信用全介质同轴电缆和低阈值激光器用谐振腔等，也可用于航天器的抗激光防护。全球很多国家已投入大量的人力、物力研究和探索获得高反射率膜层的方法。相对于金属、半导体、高分子材料和复合材料等，无机介质材料具有耐高温、高反射率、热稳定好等优点。常见高反射膜是由高、低折射率介电材料交替构成的低吸收损耗多层膜系，可以获得最大反射率和低吸收率。其制备工艺成熟，早在二十多年前，国际上已经有研究者利用离子束溅射技术制备出了反射率高达99.9998％的介质高反膜。低折射率材料SiO2和高折射率材料TiO2常被用来制备多层高反射膜，但在光频下它们的折射率比并不是很高，所以只能在特定波段和正入射时才表现出高反射率。高、低折射率交替形成的λ/4膜系是最常见的多层膜结构，但对入射角非常敏感，当入射角逐渐偏离正入射时，高反射带会发生蓝移，并逐渐变窄，导致无法获得宽带全方位高反射率。
准晶结构不具备平移对称特性，但拥有长程有序性的特性，表现出更丰富的禁带特性，其准周期无序性使得任何波长的光都可以局域化，适用于宽带高反膜设计。然而，与周期性多层膜一样，也存在入射角增大时反射带蓝移和带宽变窄的问题。
因此，利用多层膜在某个波长下获得高反射率已不是主要问题，关键问题在于如何在宽波长范围中，无论光从什么方位入射都能被反射回入射空间，实现高反射率，从而减小热效应，消除激光损伤。
发明内容
根据上述存在的大入射角时反射率不高和反射带宽窄的问题，本发明提供一种基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法。该方法基于常见多层膜材料，利用禁带更宽的准周期序列，将高低折射率互换的两个序列组合，得到缺陷带更窄的组合多层膜系；通过剪裁材料的折射率对比序列，级联不同中心波长的准周期组合多层膜系，构成超宽带的高反射膜，在全方位入射角和超宽波长范围内获得高反射率，实现高反射和抗激光损伤的目的。
本发明的基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法，是：
以高折射率和低折射率两种材料排列成准周期序列，排列顺序不变的情况下高折射率和低折射率材料互换的序列称为反转序列；第一中心波长λ1的准周期序列与其反转序列形成第一组合单元；第二中心波长λ2的准周期序列与其反转序列形成第二组合单元(第一组合单元和第二组合单元的准周期序列结构相同，只是中心波长不同)；两种组合单元级联在一起，重复排列，获得级联式准周期多层膜，在全方位入射角0～90°获得超宽的高反射带。
两种组合单元各自经过重复排列得到的多层膜系，会在其中心波长周围出现不连续的高反射带；调整其中一个组合单元膜系的中心波长及各层介质光学厚度，用其高反带填补另一组合单元膜系高反射带中的缺陷部分，级联两种组合单元使得其反射谱互补连接，最终获得连续超宽的全向高反射膜。
所述准周期序列适用于各种类型非周期准晶序列。
第一组合单元的准周期序列中的高折射率和低折射率两种材料的光学厚度都是中心波长λ1的四分之一(λ1/4)。
第二组合单元的准周期序列中的高折射率和低折射率两种材料的光学厚度都是中心波长λ2的四分之一(λ2/4)。
第二中心波长λ2根据第一组合单元多层膜系的高反谱中缺陷带特征调整确定。
两种组合单元级联(级联组合序列)的重复排列次数由具体制备条件决定，重复次数越多，反射率越接近1。
本发明采用高低折射率互换排列的准周期序列组合成两种具有不同中心波长的多层膜系，有效减小了准周期多层膜的高透射缺陷带宽。通过剪裁和调整其中一个组合多层膜系的光学厚度，利用其高反射带填补另一组合膜系高反射带中的高透射缺陷带，实现两组合多层膜反射谱的级联互补连接。随入射角由0～90°增大，所有反射带都发生蓝移和变窄，但因为两个组合膜系是由相同材料和序列组成，二者的反射谱变化规律基本一致，只要填补波段反射带宽大于缺陷带宽，无论入射角如何变化，级联准周期高反射带始终保持互补连接状态，即使发生蓝移仍能够得到比普通周期和单准周期高反带宽得多的全向高反射。
附图说明
图1是本发明方法的原理示意图。
图2是入射角0°和70°时两个不同中心波长多层膜组合的反射谱示意图。
图3是入射角0°和70°时级联准周期多层膜的反射谱示意图。
具体实施方式
本发明基于常见多层膜材料，利用禁带更宽的准周期序列，将高低折射率互换的两个序列组合，得到缺陷带更窄的组合多层膜系，通过剪裁材料的折射率对比序列，级联不同中心波长的组合多层膜系，构成超宽带的高反射膜，实现全方位入射光的高反射，提高抗激光损伤性能。该方法适用于各种类型的非周期准晶序列。
本发明采用高折射率和低折射率互换的两个准周期序列组合，用来减小准周期膜系反射带中的高透射缺陷带宽。通过剪裁一个组合多层膜系的各层介质光学厚度来调整其中心波长，利用其高反射带填补另一组合多层膜系反射谱中的缺陷带，通过二者级联实现反射带的互补连接。随入射角由0°到90°逐渐增大，组合多层膜反射带都会发生蓝移并变窄，只要两个组合膜系缺陷带足够窄，填补高反射带足够宽，就可以实现与入射角无关的超宽带全向高反射。
在自由空间中，选用常见介质材料TiO2和SiO2作为高折射率和低折射率材料，以被保护壳体或玻璃为基底，利用磁控溅射方法沉积高质量、高折射率和低缺陷TiO2薄膜(折射率为nH，镀膜厚度为L＝λ/4nH)和低折射率SiO2薄膜(折射率为nL，镀膜厚度为L＝λ/4nL)。斐波那契序列是一种常见的准周期序列，其迭代规律：
S0＝{L}
S1＝{H}
S2＝{LH}
S3＝{HLH}
S4＝{LHHLH}
S5＝{HLHLHHLH}。
以5阶斐波那契准周期序列为例，如图1所示，序列1{LHLHLLHL}与其反转序列2{HLHLHHLH}合成多层膜第一组合单元(图1中的“组合1”)，中心波长为585nm。根据第一组合单元的反射谱，调整同样序列结构的多层膜第二组合单元((图1中的“组合2”)的各层材料厚度，使其中心波长为515nm，重复排列1次后，两种组合单元各自在0°和70°入射角时的反射谱如图2所示。两种组合单元都会在各自中心波长周围出现不连续的高反射带。
两种多层膜组合单元级联，重复排列1次后，得到的级联反射谱如图3所示，在406～620nm(Δλ～200nm)的超宽波长范围内获得全向高反射带，正入射时，平均反射率为99.95％，入射角为70°时，平均反射率仍保持99.77％，从而获得反射带超宽的全向高反射。级联多层膜序列的重复次数由具体制备条件决定，重复次数越多，反射率越接近1。

Claims (6)

1.一种基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法，其特征是：
以高折射率和低折射率两种材料排列成准周期序列，排列顺序不变的情况下高折射率和低折射率材料互换的序列称为反转序列；第一中心波长λ1的准周期序列与其反转序列形成第一组合单元；第二中心波长λ2的准周期序列与其反转序列形成第二组合单元；两种组合单元级联在一起，重复排列，获得级联式准周期多层膜，对全方位入射光实现超宽带高反射；
两种组合单元各自经过重复排列得到的多层膜系，在其中心波长周围出现不连续的高反射带；调整其中一个组合单元膜系的中心波长及各层介质光学厚度，用其高反带填补另一组合单元膜系高反射带中的缺陷部分，级联两种组合单元使得其反射谱互补连接，最终获得连续超宽的全向高反射膜。
2.根据权利要求1所述的基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法，其特征是：所述准周期序列适用于各种类型非周期准晶序列。
3.根据权利要求1所述的基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法，其特征是：所述第一组合单元的准周期序列中的高折射率和低折射率两种材料的光学厚度都是中心波长λ1的四分之一。
4.根据权利要求1所述的基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法，其特征是：第二组合单元的准周期序列中的高折射率和低折射率两种材料的光学厚度都是中心波长λ2的四分之一。
5.根据权利要求1所述的基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法，其特征是：所述第二中心波长λ2要根据第一组合单元多层膜系的高反射带中的缺陷带特征调整确定。
6.根据权利要求1所述的基于级联式准周期多层膜的超宽带全向高反射方法，其特征是：所述两种组合单元级联的重复排列次数由制备条件决定，重复次数越多，反射率越接近1。
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