CN117572554A - 一种超宽角度高反射光学元件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超宽角度高反射光学元件及其制备方法和应用，包括基材、形成在基材上的光学膜堆；光学膜堆的结构为AMB(LH)n，其中，n为正整数；A为过渡层，过渡层的材料为Ni、Cr、NiCr、Cu、NiCrNx中的一种或多种，过渡层的厚度不超过30nm；M为金属银层，金属银层的厚度不低于70nm；B为氧化铝层，氧化铝层的厚度不超过30nm；(LH)^n为n层层叠设置的介质层，其中，L为折射率小于1.48的低折射率介质层，H为折射率大于1.9的高折射率介质层；过渡层设置在基材和金属银层之间。本发明的光学元件在膜层厚度大幅缩减的同时，能够提高反射率，拓宽入射角的范围，扩宽工作波段以及降低制造成本。
Description
技术领域
本发明属于光学干涉滤光片技术领域，具体涉及一种超宽角度高反射光学元件及其制备方法和应用。
背景技术
我们知道，常规的高反射光学滤光片，是由高、低折射率的两种介质材料组成的，基本的膜堆就是(HL)n，反射率与n有关，这个周期数越高，反射率也越高，也意味着膜层的总厚度也随之增加。但介质高反膜的特点是反射带宽度有限(反射带的宽度由高低折射率之比来决定)，且受入射角影响较大，虽然可以通过叠加反射膜堆的办法拓宽反射带，提高入射角的范围，但膜层厚度会急剧增加，在实际生产中会带来许多问题，如外观缺陷增多、面型恶化等。另外一种反射膜是金属膜，金属高反射膜的特点是反射波段非常宽，受入射角度影响较小，这个特点恰好是介质高反膜的不足，且膜层很薄，基本100nm的厚度就能实现，但金属反射膜的反射率通常不是很高。如果能够把介质和金属结合起来，二者的优点可以得到体现，将对激光雷达的反射镜或类似的应用场景提供一个有效的高反射薄膜解决方案。
通过检索发现CN115185027A、CN115113311A、CN216013724U、CN1207580C、CN217360287U以及CN112684527B公开了介质膜与金属膜结合使用的光学元件，但该些专利的光学元件仍无法在膜层总厚度不超过1000nm时，扩宽入射角的范围以及提高反射率。
发明内容
本发明的目的是提供一种入射角范围宽且反射率高的光学元件及其制备方法和应用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明第一方面提供了一种光学元件，包括基材、形成在所述基材上的光学膜堆；
所述光学膜堆的结构为AMB(LH)n，其中，n为正整数；
所述A为过渡层，所述过渡层的材料为Ni、Cr、NiCr、Cu、NiCrNx中的一种或多种，所述过渡层的厚度不超过30nm；
所述M为金属银层，所述金属银层的厚度不低于70nm；
所述B为氧化铝层，所述氧化铝层的厚度不超过30nm；
所述(LH)n为n层层叠设置的介质层，其中，所述L为折射率小于1.48的低折射率介质层，所述H为折射率大于1.9的高折射率介质层；
所述过渡层设置在所述基材和所述金属银层之间。
本发明的过渡层能够增加光学膜堆与基材之间的附着力；金属银层能够拓宽反射带的宽度和角度范围；氧化铝层不仅能够作为保护层，还能够增强金属银层与介质层之间的附着；低折射率介质层和高折射率介质层能够进一步提高反射率，并且介质层的厚度能够根据反射光谱的范围来确定。
根据一些具体实施方式，所述光学膜堆的总厚度为300～1000nm。
根据一些具体实施方式，所述基材为光学玻璃、石英玻璃或者硅片。通过对光学膜堆的改进，基材的范围可以进一步拓宽，不仅可以使用各种玻璃，还可以使用硅片。基材需要精加工，光洁度和面型都需按图纸达到要求，例如面型要求：四分之一波长@633nm。
根据一些具体实施方式，所述低折射率介质层的材料包括但不限于SiO2或MgF2。
根据一些具体实施方式，所述高折射率介质层的材料包括但不限于TiO2、Nb2O5、Ta2O5、H4、ZrO2或HfO2。
根据一些具体实施方式，所述低折射率介质层和所述高折射率介质层的厚度与所在波长范围相关，可根据实际需要调整。例如，所述低折射率介质层的厚度为110～400nm，所述高折射率介质层的厚度为70～250nm。
根据一些进一步实施方式，每层所述介质层中的所述低折射率介质层的厚度大于所述高折射率介质层的厚度。
根据一些具体实施方式，所述n为1、2或3。
根据一些具体实施方式，所述过渡层的厚度为10～30nm，例如10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm、22nm、23nm、24nm、25nm、26nm、27nm、28nm、29nm或30nm；所述金属银层的厚度为70～130nm，例如70nm、71nm、72nm、73nm、74nm、75nm、76nm、77nm、78nm、79nm、80nm、81nm、
82nm、83nm、84nm、85nm、86nm、87nm、88nm、89nm、90nm、91nm、92nm、93nm、
94nm、95nm、96nm、97nm、98nm、99nm、100nm、101nm、102nm、103nm、104nm、
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115nm、116nm、117nm、118nm、119nm、120nm、121nm、122nm、123nm、124nm、
125nm、126nm、127nm、128nm、129nm或130nm；所述氧化铝层的厚度为10～30nm，例如10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm、22nm、23nm、24nm、25nm、26nm、27nm、28nm、29nm或30nm。
根据一些具体实施方式，所述光学元件的工作波段为650～2000nm，所述光学元件的入射角度为0-89.5°，所述光学元件的反射率R≥99％。
本发明第二方面提供一种上述光学元件的制备方法，所述光学膜堆的各层分别利用物理气相沉积法依次形成在所述基材的表面。
其中，物理气相沉积法可以为电子束蒸发、离子源辅助沉积、溅射镀膜等中的一种或多种。
利用物理气相沉积法形成各层膜的具体工艺采用本领域的常规技术即可。
本发明第三方面提供一种激光雷达，所述激光雷达的反射镜包括上述光学元件。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的光学元件在膜层厚度大幅缩减的同时，能够提高反射率，拓宽入射角的范围，扩宽工作波段以及降低制造成本。并且，本发明的光学元件制成的反射镜的面型能够保持不变以保证光束质量，能够满足车载激光雷达所需要的宽波段、超宽角度以及高反射等的光学性能要求。
附图说明
图1为实施例1的光学元件的结构示意图；
图2为实施例1的反射光谱图；
图3为实施例2的光学元件的结构示意图；
图4为实施例2的反射光谱图；
图5为实施例3的反射光谱图；
图6为实施例4的反射光谱图；
图7为实施例5的反射光谱图；
图8为实施例6的反射光谱图；
图9为对比例1的反射光谱图；
图10为对比例2的反射光谱图。
具体实施方式
本发明中公开了所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特征或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明不应限于这些实施例，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中一个例子而已。下述实施例中未作特殊说明，所有原料均来自于商购，制备方法为本领域常规方法。
实施例1
实施例1的反射镜的结构如图1所示。
其中，基材：K9光学玻璃，光洁度40-20，面型精度小于3个波长@633nm。各个字母代表的材料是：A：镍；M：银；B：氧化铝；L：二氧化硅；H：五氧化二铌。
A、M、B、L、H对应的厚度分别是25nm、100nm、25nm、110nm和70nm，总厚度330nm。
利用物理气相沉积法在K9光学玻璃上依次沉积镍层、银层、氧化铝层、二氧化硅层、五氧化二铌层。
实施例1制备得到的反射镜的入射角范围是12.5°-77.5°，反射带范围是890-920nm，反射率R>99％，其反射光谱见图2。
如图2所示，此时因为膜层总厚度很薄，镀膜后面型可以复制基材自身的面型精度，能够有效的保证光束质量。
实施例2
实施例2的反射镜的结构如图3所示。
其中，基材：K9光学玻璃，光洁度40-20，面型精度小于3个波长@633nm。各个字母代表的材料是：A：镍；M：银；B：氧化铝；L：二氧化硅；H：五氧化二铌。
A、M、B、L、H、L、H对应的厚度分别是20nm、85nm、20nm、170nm、76nm、192nm、75nm，总厚度638nm。
利用物理气相沉积法在K9光学玻璃上依次沉积如图3所示的各膜层。
实施例2制备得到的反射镜的入射角范围是12.5°-77.5°，反射带范围是850-950nm，反射率R>99％，其反射光谱见图4。
原理分析：金属银在可见波段及近红外波段有比较高的反射率，一般大于97％，在波长1000nm处，甚至达到99％，而介质高反射膜一般是由高低折射率不同的氧化物材料组成，和金属银匹配，只要一个LH组合就可以达到所需的效果(如实施例1)，如再增加一个(LH)周期(如实施例2)，反射率可进一步提高，余量增大，更利于光谱的控制，且厚度仅增加300纳米，面型还是可以保证的。
由此可知，通过对膜系结构[AMB(LH)n]的选用，适当选取n值为1或2，通过软件优化，就可以实现特定波段宽入射角反射率的要求，这对类似的高反射镜的设计有重要的参考价值和指导意义。
实施例3
实施例3与实施例2基本相同，不同之处在于基材。
实施例3的基材：硅片，光洁度：40-20，面型：四分之一波长@633nm。
实施例3制备得到的反射镜的入射角范围是0-89.5度，反射波段800-1000nm，R>99％，其反射光谱见图5。
实施例4
实施例4与实施例2基本相同，不同之处在于基材以及各层的厚度。
实施例4的基材：硅片，光洁度：40-20，面型：小于3个波长@633nm。
A、M、B、L、H、L、H对应的厚度分别是15nm、90nm、25nm、284nm、126nm、320nm、124nm，总厚度984nm。
实施例4制备得到的反射镜的入射角范围是0-89.5度，反射波段1400-1700nm，R>99％，其反射光谱见图6。
实施例5
实施例5与实施例2基本相同，不同之处在于基材以及各层的厚度。
实施例4的基材：K9玻璃，光洁度：40-20，面型：小于1个波长@633nm。
A、M、B、L、H、L、H对应的厚度分别是20nm、90nm、25nm、208nm、94nm、236nm、95nm，总厚度768nm。
实施例5制备得到的反射镜的入射角范围是0-89.5度，反射波段1000-1150nm，R>99％，其反射光谱见图7。
实施例6
实施例6与实施例2基本相同，不同之处在于基材以及各层的厚度。
实施例6的基材：石英，光洁度：40-20，面型：四分之一个波长@633nm。
A、M、B、L、H、L、H对应的厚度分别是20nm、90nm、20nm、152nm、68nm、172nm、68nm，总厚度590nm。
实施例5制备得到的反射镜的入射角范围是0-89.5度，反射波段750-900nm，R>99％，其反射光谱见图8。
对比例1
对比例1与实施例4基本相同，不同之处在于：改变M层的材料，对比例1的M层采用金属铝。
对比例1制备得到的反射镜在整个波段反射率只能达到97％，最低相差2％以上，其反射光谱见图9所示。
对比例2
对比例2与对比例1基本相同，不同之处在于：对比例2增加了一对LH，膜层到9层，其中，各层厚度分别是20nm、80nm、20nm、252nm、196nm、273nm、190nm、278nm和116nm，总厚度为1425nm。
对比例2制备得到的反射镜在整个波段反射率可以提高到98％以上，但还是不能全部到99％以上，效果不如实施例4，对比例2的反射光谱见10所示。
对比例1和对比例2从另一个侧面说明，M用金属银，是优于铝和其他金属的。在本专利实施的范围内，金属银是最优选择。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光学元件，其特征在于：包括基材、形成在所述基材上的光学膜堆；
所述光学膜堆的结构为AMB(LH)n，其中，n为正整数；
所述A为过渡层，所述过渡层的材料为Ni、Cr、NiCr、Cu、NiCrNx中的一种或多种，所述过渡层的厚度不超过30nm；
所述M为金属银层，所述金属银层的厚度不低于70nm；
所述B为氧化铝层，所述氧化铝层的厚度不超过30nm；
所述(LH)n为n层层叠设置的介质层，其中，所述L为折射率小于1.48的低折射率介质层，所述H为折射率大于1.9的高折射率介质层；
所述过渡层设置在所述基材和所述金属银层之间。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述光学膜堆的总厚度为300～1000nm。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述基材为光学玻璃、石英玻璃或者硅片。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述低折射率介质层的材料为SiO2或MgF2。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述高折射率介质层的材料为TiO2、Nb2O5、Ta2O5、H4、ZrO2或HfO2。
6.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述n为1、2或3。
7.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述过渡层的厚度为10～30nm，所述金属银层的厚度为70～130nm，所述氧化铝层的厚度为10～30nm。
8.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述光学元件的工作波段为650～2000nm，所述光学元件的入射角度为0-89.5°，所述光学元件的反射率R≥99％。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的光学元件的制备方法，其特征在于：所述光学膜堆的各层分别利用物理气相沉积法依次形成在所述基材的表面。
10.一种激光雷达，其特征在于：所述激光雷达的反射镜包括权利要求1至8中任一项所述的光学元件。
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| CN202311695530.8A Pending CN117572554A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种超宽角度高反射光学元件及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117572554A (zh) |
-
2023
- 2023-12-11 CN CN202311695530.8A patent/CN117572554A/zh active Pending
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