CN1544961A - 光子晶体全方向全反膜 - Google Patents

Abstract

一种光子晶体全方向全反膜。本发明涉及一种能够对特定波段内的光波产生“禁带”，实现对从各个角度入射的光波都进行完全反射的反射膜技术领域。该全反膜由基片和介质膜层构成；介质膜层由两种或多种具有不同折射率的介质构成，形成一维周期膜单元，属于一维光子晶体结构。本发明对特定波段内的光波，不仅能实现完全反射，而且反射率和入射角度无关，即对各个角度入射光波都可以实现完全反射。

Description

光子晶体全方向全反膜

(一)技术领域

本发明涉及一种能够对特定波段内的光波产生“禁带”，实现对各个角度入射的光波都进行完全反射的反射膜技术领域。

(二)背景技术

在现有技术中，常用的反射镜一般采用镀金属膜层或介质膜层的方法，实现对光波的反射。虽然金属膜层的反射波段比较宽，对各个角度入射的特定波段内的光波都可以实现反射，但存在着反射率相对较低的问题；尤其由于吸收的原因，还存在光波能量损耗较大的问题。而介质膜层是采取在基片上镀制多层介质膜的方法，实现高效率反射的，但由于光波在介质中的传播特性决定了这种高效率反射只能对某一特定角度入射的光波实现，因此存在着反射率随入射角度出现偏差会很快下降，并且膜层的工作波段很窄等问题。显然上述两种反射镜都难以对各个角度入射的光波都进行完全反射。

(三)发明内容

本发明的全反膜所要解决的技术问题是利用一维光子晶体原理，提供一种新的光子晶体全方向全反膜，使反射镜对于特定波段内的光波，实现对各个角度入射的光波都进行完全反射。

本发明采用的技术方案是：本发明的光子晶体全方向全反膜由基片和介质膜层构成；介质膜层由周期性结构的介质构成，属于一维光子晶体结构，两种或多种具有不同折射率的介质形成一维周期膜单元；介质膜层通过现代真空离子镀方法在基片上形成薄膜而得到。

本发明具有如下的积极效果：

本发明的光子晶体全方向全反膜，对特定波段内的光波，不仅能实现完全反射，而且反射率和入射角度无关，即对各个角度入射光波都可以实现完全反射。

(四)附图说明

图1：光子晶体全方向全反膜结构示意图

图2：光子晶体全方向全反膜“能带结构”示意图

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，光子晶体全方向全反膜由基片和介质膜层构成，其介质膜层是由周期性结构的介质构成的，属于一维光子晶体结构。两种或多种具有不同折射率的介质形成一维周期膜单元。这里不妨假设由两种折射率分别为n₁和n₂的介质构成，那么有

且

                          n(x+a)＝n(x)                           (2)

其中h₁+h₂＝a。

假设入射光波的波矢为 $\stackrel{\→}{k}=k_x{\stackrel{\→}{e}}_x+k_y{\stackrel{\→}{e}}_y,$ 频率为ω＝c|k|/n₀。根据Maxwe11方程组和固体物理理论，在这种周期结构中光波的传播方程的解为布洛赫波，即

                         E_K(x，y)＝E_K(x)e^iKxe^ik，y                (3)

其中E_K(x+a)＝E_K(x)。

通过求解布洛赫波波矢K和ω、k_y的关系，可以定义光子的“能带结构”。在K为实数时，光波能够传播，为“能带”；而在K为虚数时，光波会很快衰减，不能够传播，为“禁带”。

又由于光波是从均匀介质空气中进入介质膜层，需满足

                            ω≥ck_y/n₀                      (4)

因此，当ω满足条件(4)，并且K为实数时，光波既能在空气中传播，又能在介质膜中传播，介质膜对该波段的光波能透过；当ω满足条件(4)，并且K为虚数时，光波就只能在空气中传播，不能在介质膜中传播，那么介质膜对该波段的光波实现了完全反射，并且这种完全反射和入射角度无关。

全反膜的膜层材料和厚度可以根据所需工作的光波波段进行选择。膜层材料的预选条件是：(一)对工作波段的光波透过率高；(二)对工作波段的光波吸收率低；(三)两种膜层材料折射率之比高。假设要设计中心波长为3μm的光子晶体全方向全反膜，可选择硅(Si)和氟化铅(PbF)两种材料，其折射率分别为n₁＝3.43 n₂＝1.72，并符合预选的三个条件。膜层厚度分别为硅(Si)h₁＝0.25μm，氟化铅(PbF)h₂＝0.5μm。

计算光子晶体全方向全反膜的“能带结构”ω(K，k_y)，参照图2。图中右半区域是对TE模式光波的计算结果，左半区域是对TM模式光波的计算结果。其中两条粗点斜线表示了条件(4)，灰色区域表示在K为实数时，光波能够传播；而白色区域表示在K为虚数时，光波会很快衰减，不能够传播。黑色区域表示既满足条件(4)，K又为虚数，它表明该波段的光波能在空气中传播，却不能在光子晶体全方向全反膜中传播，该区域所表示的就是膜层的“禁带”，此时膜层对光波实现了完全反射，并且和入射角度无关。该“禁带”区域约为 $0.215~0.265\left(\frac{2\mathrm{\πc}}{a}\right),$ a＝h₁+h₂，即波长为2.8μm～3.5μm。光子晶体全方向全反膜“禁带”的参数可以通过改变膜层材料和厚度来进行设计。

如果镜片使用条件是强激光环境，镀膜基片材料可选择为石英或硅片；如果镜片使用条件是弱激光环境，基片材料可以选择为K₉玻璃等普通光学玻璃。根据不同的应用条件，光子晶体全方向全反膜基片材料也可以是金属、硅、塑料、有机合成材料等等。

全反膜的形成方式为光学薄膜生产中常用的现代真空离子镀方法。即在真空或超真空的条件下，用电阻、高频、电子束、激光等加热技术蒸发镀膜材料，蒸发源形成导电阳极，等离子枪发射等离子束，使蒸发的镀膜材料和反应气体进行有效的离子化和活化，并在基片上施加负偏压，使得亚离子加速到达基片并沉积下来形成薄膜。根据不同的镀膜材料的特性，光子晶体全方向全反膜的形成方式可以是活化反应蒸发法、离子束淀积法、真空磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶—凝胶法以及热压技术等等。

Claims (4)

1、一种光子晶体全方向全反膜，其特征在于：该全反膜由基片和介质膜层构成；介质膜层由两种或多种具有不同折射率的介质构成，形成一维周期膜单元，属于一维光子晶体结构；介质膜层通过现代真空离子镀等镀膜方法在基片上形成薄膜而得到。

2、根据权利要求1所述的全反膜，其特征在于：该全反膜的膜层材料和厚度可以根据所需工作的光波波段进行选择。

3、根据权利要求1所述的全反膜，其特征在于：构成全反膜的基片材料可以是玻璃、金属、硅、塑料和有机合成材料。

4、根据权利要求1所述的全反膜，其特征在于：介质膜层可以由现代真空离子镀法、真空磁控溅射法、真空蒸发法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法以及热压技术在基片镀得。

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