專利名稱：金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及濾光片，尤其涉及一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾 光片。
技術(shù)背景光子晶體(PC)的研究已成為國際重要前沿研究，其中一維(ID) PC和 傳統(tǒng)的周期性結(jié)構(gòu)的薄膜非常類似，可以用傳統(tǒng)薄膜的方法制作，比較容易實 現(xiàn)應用，所以備受關注。但因為1DPC不是完全帶隙PC，不能高效實現(xiàn)如光發(fā) 射的增強與抑制，限制了它的應用。近年來1DPC主要研究熱點就是全角度高 反結(jié)構(gòu)，以及采用金屬材料來代替其中的一種介質(zhì)材料，構(gòu)成1D金屬介質(zhì)周期 結(jié)構(gòu)，利用金屬材料的獨特性質(zhì)，并且在P偏振下實現(xiàn)了負折射，完全帶隙以 及自準直等現(xiàn)象。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全 角度透射濾光片。金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片包括玻璃基板、介質(zhì)薄膜、金 屬薄膜，在玻璃基板上間隔設有多層介質(zhì)薄膜和多層金屬薄膜，其中第一層和 最后一層均為介質(zhì)薄膜，介質(zhì)薄膜厚度為55 80nm、金屬薄膜厚度為25 45nm， 第一層和最后一層介質(zhì)薄膜的厚度為介質(zhì)薄膜厚度的二分之一。所述的介質(zhì)薄膜和金屬薄膜材料在工作波段上的介電常數(shù)正負相反，絕對 值相同。介質(zhì)薄膜的材料為A1203、 HfQ2、 Ta205、 Ti02或ZnS。金屬薄膜的材 料為Ag或Au。在可見光及近紫外波段采用Ag。在紅外波段采用Au。本發(fā)明采用一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了 p光下全角度透射濾光，并且 對透射帶兩側(cè)的較大區(qū)域的光(紫外、紅外)形成了有效阻擋；工作波段覆蓋 整個可見光和近紅外區(qū)，能根據(jù)透射帶、帶寬要求調(diào)整結(jié)構(gòu)或者材料參數(shù)進行 設計；可以用傳統(tǒng)薄膜沉積方法制備，具有材料選擇范圍廣，制作成本低，耐 高溫等優(yōu)點。


圖1是一維金屬介質(zhì)周期薄膜結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2(a)是一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)的能帶圖；圖2(b)是一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)第二條能帶中的等頻線圖；圖3(a)是理論計算得到不同角度下的3周期Ag/ZnS結(jié)構(gòu)的p光透射率曲線； 圖3(b)是實驗鍍制樣品的p光透射率曲線。
具體實施方式
如圖1所示，金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片包括玻璃基板1、 介質(zhì)薄膜2、金屬薄膜3，在玻璃基板1上間隔設有多層介質(zhì)薄膜2和多層金屬 薄膜3，其中第一層和最后一層均為介質(zhì)薄膜2，介質(zhì)薄膜厚度為55 80nm、 金屬薄膜厚度為25 45nm，第一層和最后一層介質(zhì)薄膜2的厚度為介質(zhì)薄膜2 厚度的二分之一。膜層沿Z方向的周期d-90nm，介質(zhì)材料采用ZnS,折射率為2.4，厚度為 60nm,金屬材料采用Ag，厚度為30nm，首先對金屬材料采用Drude模型，計 算這些參數(shù)下一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)p偏振的能帶圖及等頻線，結(jié)果如圖2所 示.圖2 (b)給出了第二條能帶內(nèi)部分頻率的等頻線，可以看到在這些頻率下， 對于傳輸波分量，等頻線基本是平的，說明了對于任何入射角度，光在一維金 屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)中沿垂直結(jié)構(gòu)界面方向傳播。圖3 (a)利用文獻中的金屬銀光學常數(shù)以及我們實驗分析得到的ZnS的光 學常數(shù)計算了 3周期一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)的p光透射率，入射介質(zhì)為空氣， 基板采用BK7玻璃，結(jié)果表明在0-75度范圍里透射帶中心波長以及兩個峰值位 置基本不變，證明實現(xiàn)了全角度透射濾光的效果，并且得到了 30%以上的透射 率。圖3(b)中給出了實驗鍍制3周期Ag/ZnS結(jié)構(gòu)的p光透射結(jié)果。相比理論計 算透射帶發(fā)生了一點藍移，第一個峰值的透射率值也相對較小，這是由于計算 所用的光學常數(shù)和實驗中還是有區(qū)別，并且實驗中對薄膜厚度的控制也存在一 定誤差。但我們的實驗結(jié)果還是證實了一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)的全角度透射濾 光特性，并且保持了較高的透射率，對透射帶兩側(cè)的光起到了有效的阻擋。根據(jù)一些貴金屬(Ag,Cu，Au)在一定頻率能得到負的介電常數(shù)，因此p偏 振光在其中傳播時平行界面方向上的能流方向會和傳統(tǒng)介質(zhì)中方向相反，相互 之間能形成補償，可能在這一方向上得到0或者很小(相對垂直界面方向上能 流)能流，從而對任何入射角的光都有O或者接近O度的折射角。理論計算在 一定參數(shù)下一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)圖以及等頻線得到了在第二條能 帶內(nèi)都接近平的色散曲線，可以認為任何入射角度的光在一維金屬介質(zhì)周期結(jié) 構(gòu)中都是垂直結(jié)構(gòu)界面方向傳播，因此能得到相同的中心波長以及透射峰。該濾光片采用(0.5DM0.5D)s的對稱周期結(jié)構(gòu)膜系，M代表金屬層，D代表 介質(zhì)材料,s代表總周期數(shù)，入射介質(zhì)為空氣，基底采用BK7玻璃。介質(zhì)材料在應用波段必須全透明，在可見光區(qū)主要采用Al203，Hf02，Ta205，Ti02，ZnS,GaP等材 料，金屬材料也盡量選相應波段吸收較小的材料，并且介電常數(shù)絕對值兩者要 接近，因此金屬材料主要為Ag，在紅外波段可以采用Au。選用不同金屬介質(zhì) 材料組合可以在不同波段實現(xiàn)全角度透射濾光。隨著周期數(shù)的增大，透射帶邊 緣會比較陡，會形成較多的透射峰值。鍍膜開始時，用酒精乙醚對基板(BK7玻璃)進行清洗，并用脫脂棉將表 面擦干凈，鍍膜時基底不加熱，真空度低于3.0e-3Pa，介質(zhì)材料利用電子槍進行 加熱，金屬銀采用阻蒸的方法沉積，兩種材料交替鍍制。
權(quán)利要求
1.一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片，其特征在于包括玻璃基板(1)、介質(zhì)薄膜(2)、金屬薄膜(3)，在玻璃基板(1)上間隔設有多層介質(zhì)薄膜(2)和多層金屬薄膜(3)，其中第一層和最后一層均為介質(zhì)薄膜(2)，介質(zhì)薄膜厚度為55～80nm、金屬薄膜厚度為25～45nm，第一層和最后一層介質(zhì)薄膜(2)的厚度為介質(zhì)薄膜(2)厚度的二分之一。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片， 其特征在于所述的介質(zhì)薄膜(2)和金屬薄膜(3)材料在工作波段上的介電常數(shù)正 負相反，絕對值相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片， 其特征在于所述介質(zhì)薄膜(2)的材料為A1203、 Hf02、 Ta205、 Ti02或ZnS。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片， 其特征在于所述金屬薄膜(3)的材料為Ag或Au。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片， 其特征在于所述金屬薄膜(3)的材料在可見光及近紫外波段采用Ag。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片， 其特征在于所述金屬薄膜(3)的材料在紅外波段采用Au。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬介質(zhì)周期薄膜構(gòu)成的全角度透射濾光片。它包括玻璃基板、介質(zhì)薄膜、金屬薄膜，在玻璃基板上間隔設有多層介質(zhì)薄膜和多層金屬薄膜，其中第一層和最后一層均為介質(zhì)薄膜，介質(zhì)薄膜厚度為55～80nm、金屬薄膜厚度為25～45nm，第一層和最后一層介質(zhì)薄膜的厚度為介質(zhì)薄膜厚度的二分之一。本發(fā)明采用傳統(tǒng)的多層薄膜構(gòu)建新型全角度透射濾光片，利用能帶理論中的平色散等頻線的概念拓寬了濾光片的入射角范圍，使一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)薄膜濾光片具備全角度的特性。由本發(fā)明制得的透射濾光片具有全角度濾光，透射率較高，截止帶長，材料選擇范圍廣，能實現(xiàn)頻帶按需設計，制作成本低等優(yōu)點。
文檔編號G02B5/20GK101261333SQ20081006030
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者旭 劉, 張錦龍, 沈偉東, 婷 郭 申請人:浙江大學