CN1215354C - 连续渐变周期全介质宽带全向反射器的设置方法及装置 - Google Patents
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Abstract
连续渐变周期全介质宽带全向反射器的设置方法及装置，利用透明材料衬底，选择两种折射率相异的介电光学材料周期覆盖，每周期介电光学材料层的构成是一层高折射率和一层低折射率介电材料，选取周期渐变量为0.005-0.03，周期数为10-200。该结构的特点是可以选用常规的介质材料组合(如TiO2和SiO2等)，研制出应用于可见光和红外频段的宽带的全向反射器件。这类器件在任意入射角下都保证光波的p分量和s分量，在较大的频率范围内部具有近100%的反射率。本发明中所用材料选择范围广，工艺成熟稳定，在光学器件与光通讯领域都具有十分诱人的应用前景。
Description
一、技术领域
本发明属新材料与新技术领域，主要涉及利用新型一维介电微结构中光子传播的局域化效应，涉及一维光子全带隙结构与连续渐变周期全介质无损耗宽带全向反射器件的设置方法及装置。
二、背景技术
在未来的集成光子器件与光通讯等技术领域，光子带隙材料与结构(光子晶体)将占据非常重要的地位，它是一种限制与传导光子的介电常数周期性分布的人工微结构材料。其中的一维光子带隙材料虽然目前在半导体激光器等微电子和光电子领域已得到广泛应用，但由于其结构空间周期的有限性与Brewster效应的影响，该结构不存在全向能隙，进而限制了它的应用范围。尽管目前已有两种方法部分解决了这个问题，如增大两种介电材料的介电常数的比值或增加另外的周期结构即所谓光子异质结构，以减小Brewster效应的影响，实现有一定带隙的全向反射，但这些方法都有一定的局限性，如提高了材料的选择性活增加了结构的复杂性，且带隙宽度是有限的，同时在制备工艺方面也提高了难度，与目前的微电子光电子制备工艺不太相容。
三、发明内容
本发明采用一种新颖的一维介电微结构设计思想，即利用连续渐变周期结构，实际上是一种非周期结构对光子的局域化效应，彻底消除了Brewster效应的影响，设计出一种新型的一维光子全带隙结构，并通过使用常规介电材料，调节两介质构成的渐变周期，实现在可见光和红外频段具有宽带隙的全向反射，从而可根据该物理原理利用两种常规介电材料设计，并制备出具有较宽反射频带可应用于可见光和红外不同频段的全向反射器件。
本发明的目的是：利用上述思想设计一种新型的一维光子全带隙结构，采用常规介电光学材料(如TiO2，SiO2等)和常规一维周期制备工艺，从而设计和制备应用于可见光和红外频段的无损耗全介质宽带全向反射器件。
本发明的技术解决方案是：连续渐变周期全介质宽带全向反射器的设置方法，利用透明材料衬底，采用常规介电光学材料(如TiO2，SiO2等)，选择两种折射率相异的介电光学材料周期覆盖，每周期介电光学材料层的构成是一层高折射率和一层低折射率介电材料，选取周期渐变量为0.005-0.03，周期数为10-200，如50、60、70、99，折射率有明显差异的介电光学材料，如TiO2和SiO2，两种渐变周期材料也可以采用ZrO2/SiO2，ZrO2/Al2O3，ZnS/MgF2等具有高低折射率的介电材料组合以调节全反射带宽的设计。周期渐变量为相邻两层介电材料之间光学厚度差与第一层介电材料(或称介质)光学厚度的比值。典型的透明材料如石英、玻璃及高聚物材料。周期数选20-100之间更好。
本发明每层介电材料光学厚度无须特殊的约定，一般在十至二百纳米的范围，既便于生长控制，又能达到本发明的目的。常用的是10至50纳米。
本发明连续渐变周期全介质宽带全向反射器，就是以上述方法设置的装置。
本发明利用高真空电子束蒸发和电阻热蒸发或溅射方法，在透明材料衬底上生长制备应用于可见光频段具有调节全反射带宽的器件。
本发明特点是：可以采用各种组合、不同周期数介电光学材料，如图1所示的一维连续渐变周期介电微结构，然后根据不同的应用频段，设计应用于可见光和近红外区、或紫外区，具有宽带隙的一维光子全带隙结构全向反射器。调节渐变周期与周期渐变量，可得到不同带宽的全向反射光谱。
四、附图说明
图1为本发明设计的新型一维光子全带隙结构与全介质无损耗宽带全向反射器件的结构示意图。图1中衬底1、TE、TM为沿光线传播的两个垂直的振动方向，2为周期介质材料，其中dH、dL、nH、nL分别为周期介质材料(一层高折射率和一层低折射率)介电材料的宽度和折射率。
图2为在可见光区，相同周期渐变量的连续渐变周期全介质宽带全向反射器的带隙结构随着不同周期数改变的变化示意图，其中周期渐变量Δ＝0.01。(a)、(b)、(c)以及(d)分别对应周期数为30、44、52、60的全介质宽带全向反射器的带隙结构变化示意图，图中阴影部分为带隙。
图3为在可见光区，相同周期数的连续渐变周期全介质宽带全向反射器的带隙结构随着不同周期渐变量改变的变化示意图，其中周期数为60。(a)、(b)、(c)以及(d)分别对应周期渐变量为0.005、0.01、0.015和0.02，图中阴影部分为带隙。
图4为在不同入射角下，连续渐变周期全介质宽带全向反射器在可见光区的反射光谱，其中周期数为60，周期渐变量为0.01。(a)、(b)、(c)以及(d)分别对应入射角为0°、30°、60°和89°时的全介质宽带全向反射器的反射光谱曲线，图中阴影部分为高反射带。
图5为在近红外区，相同的周期渐变量的连续渐变周期全介质宽带全向反射器的带隙结构随着不同周期数改变的变化示意图，其中周期渐变量Δ＝0.005。(a)、(b)、(c)以及(d)分别对应周期数为50、60、70和99的全介质宽带全向反射器的带隙结构变化示意图，图中阴影部分为带隙。
图6为在不同入射角下，连续渐变周期全介质宽带全向反射器在近红外区的反射光谱，其中周期数为99，周期渐变量为0.005。(a)、(b)、(c)以及(d)分别对应于入射角为0°、30°、60°和89°时的全介质宽带全向反射器的反射光谱曲线，图中阴影部分为高反射带。
五、具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施实例对本发明做进一步的说明：
图1为本发明设计的新型一维光子全带隙结构与全介质无损耗宽带全向反射器件的结构示意图。
图2所示，在可见光区，相同周期渐变量的连续渐变周期全介质宽带全向反射器的带隙结构随着不同周期数改变而变化，如图2所示，该反射器的带隙宽度在可见光区是随着周期数的增加而不断则增大。对应的带隙宽度分别为从522.8nm到561.4nm共38.6nm、从522.5nm到625.4nm共102.9nm、从519.5nm到662nm共142.5nm和从520nm到701nm共181nm。
如图3所示，该反射器的带隙宽度在可见光区是随着周期渐变量的增加而不断增大，对应的带隙宽度分别从506.8nm到582.8nm共76nm、从520nm到701nm共181nm、从537.5nm到819nm共281.nm和从548nm到940nm共392nm。
如图5所示，该反射器的带隙宽度在近红外区同样随着周期数的增加而不断增大。从1427nm到1556.5nm共129.5nm、从1433nm到1621nm共188nm、从1435nm到1685nm共250nm和从1429nm到1871nm共442nm。
本发明选择高折射率介质为TiO2(在可见光区nH＝2.300，在近红外区nH＝2.250)，低折射率介质为SiO2(在可见光区nL＝1.460，在近红外区nL＝1.446)。
如上所述，继续增加周期数性能并没有更实质的提高，当然，亦可以取200以上的周期，工艺繁一些，但没有超出本发明的范围。而介电材料层的组合选取也可以采用ZrO2/SiO2，ZrO2/Al2O3，ZnS/MgF2以调节全反射带宽的设计。原理与结果基本在上述实施例的范围内，具有相同的变化趋势。
实现本发明的生产方法是常规的方法，利用高真空电子束蒸发和电阻热蒸发或溅射方法，蒸发源为TiO2、ZrO2、SiO2，ZrO2、Al2O3，ZnS、MgF2等，玻璃或透明材料的范围极为广泛，如石英、玻璃和光学玻璃、一般在石英衬底上生长制备较好，可以控制介电材料薄膜的位置和厚度，介电层位置和厚度，均为常用的方法，根据设计的要求来决定结构。亦可用高聚物透明材料(如聚苯乙烯、聚碳酸酯、PMMA等)，但工艺上采取室温蒸镀的方式，如离子源辅助蒸发的工艺，此均为常规工艺。这些均没有超出本发明的范围。
Claims (10)
1.连续渐变周期全介质宽带全向反射器的设置方法，其特征是利用透明材料衬底，选择两种折射率相异的介电光学材料周期覆盖，每周期介电光学材料层的构成是一层高折射率和一层低折射率介电材料，其中周期渐变量即相邻两层介电材料之间厚度差与第一层介电材料光学厚度的比值为0.005-0.03，周期数为10-200。
2.由权利要求1所述的连续渐变周期全介质宽带全向反射器的设置方法，其特征是周期数选20-100。
3.由权利要求1或2所述的连续渐变周期全介质宽带全向反射器的设置方法，其特征是折射率相异介电光学材料为TiO2/SiO2、ZrO2/SiO2，ZrO2/Al2O3或ZnS/MgF2具有高低折射率的介电材料组合。
4.由权利要求1或2所述的连续渐变周期全介质宽带全向反射器的设置方法，其特征是相邻两层介电材料之间厚度差与第一层介电材料光学厚度的比值为0.01-0.02。
5.由权利要求1或2所述的连续渐变周期全介质宽带全向反射器的设置方法，其特征是透明材料衬底为石英、玻璃、光学玻璃或高聚物透明材料。
6.连续渐变周期全介质宽带全向反射器，其特征是利用透明材料衬底，选择两种折射率相异的介电光学材料周期覆盖，每周期介电光学材料层的构成是一层高折射率和一层低折射率介电材料，选取周期渐变量为0.005-0.03，周期数为10-200。
7.由权利要求6所述的连续渐变周期全介质宽带全向反射器，其特征是周期数选20-100。
8.由权利要求6或7所述的连续渐变周期全介质宽带全向反射器，其特征是折射率相异介电光学材料为TiO2/SiO2、ZrO2/SiO2，ZrO2/Al2O3或ZnS/MgF2具有高低折射率的介电材料组合。
9.由权利要求6或7所述的连续渐变周期全介质宽带全向反射器，其特征是相邻两层介电材料之间厚度差与第一层介电材料光学厚度的比值为0.01-0.02。
10、由权利要求6或7所述的连续渐变周期全介质宽带全向反射器，其特征是透明材料衬底为石英、玻璃、光学玻璃或高聚物透明材料。
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