一種易于制備的反射式多通道濾光元件的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種易于制備的反射式多通道濾光元件的設計方法。所設計的這種反射式多通道濾光片的基本結構為：從基板側開始是超寬波段高反射的金屬、周期性的高低折射率交替膜堆、極薄的金屬膜到入射媒介。該方法利用周期性高低折射率介質材料的一倍頻和三倍頻之間的透射振蕩波紋，結合超寬波段的高反射金屬和可以令原透射處指定波長達到高反的金屬鉻，設計一種多通道的反射濾光元件，并且其通道位置和個數(shù)可以通過給定的中心波長和介質折射率確定。不同于傳統(tǒng)的對制備要求很高的基于Fabry-Perot結構的窄帶多峰的中間層膜系，本發(fā)明的中間結構是傳統(tǒng)的規(guī)整膜系結構，易于制備，且可以根據(jù)實際需要調整多通道的個數(shù)和位置，制作工藝方便，制作成本低，易于集成，在實際光學薄膜設計中有著重要意義。
【專利說明】一種易于制備的反射式多通道濾光元件的設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜光學領域，涉及一種易于制備的反射式多通道濾光元件的設計方法，特別是其通道個數(shù)和位置可以確定。
【背景技術】
[0002]近年來光學薄膜已成為現(xiàn)代光學中不可缺少的一個部分，幾乎涉及到現(xiàn)代光學系統(tǒng)的各個方面。而其中，多通道濾光薄膜由于其體積小、集成度高、承載信息量大等優(yōu)點，在當今信息通訊、衛(wèi)星成像、遙感高光譜等方面擁有極大的應用價值。
[0003]常見的光學薄膜濾光片多數(shù)是透射型濾光片，但隨著儀器小型化、集成化的需要和技術的不斷發(fā)展，鑒于反射式濾光片設計形式靈活、結構緊湊等諸多優(yōu)點，已經(jīng)有眾多學者對反射式濾光片進行了相關研究。其中，由于全介質濾光片自身的局限，金屬與介質膜組合而成的高反射濾光片受到更廣泛的研究。
[0004]傳統(tǒng)的多通道濾光片的設計膜系大多是基于Fabry-Perot結構為基礎的窄帶膜系結構，這種膜系在制備上難度很大，對于膜層的厚度精度控制有很高的要求，不但每層厚度要精確，而且間隔層兩側的膜層厚度要嚴格對稱，否則反射峰將消失，制備時通常需求鍍膜機配置靈敏度高的光控系統(tǒng)才能實現(xiàn)。然而本發(fā)明提出的膜系是規(guī)整結構，對于膜層厚度控制的精準要求大大降低，對于僅僅配置晶振的鍍膜設備就能夠實現(xiàn)此濾光片的制備因此，本發(fā)明提出一種通道個數(shù)和位置可以確定并且制備難度低的反射式多通道濾光元件的設計方法。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種易于制備的反射式多通道濾光元件的設計方法。
[0006]本發(fā)明特點在于其通道個數(shù)及位置可以確定，并且膜系結構規(guī)整，大大降低了其制備難度。該設計方法利用了周期性高低折射率介質材料的一倍頻和三倍頻之間的透射波紋，結合超寬波段高反的金屬和可以令原透射處指定波長達到高反的極薄金屬層，設計了一種反射式的多通道濾光元件。
[0007]本發(fā)明的技術解決方案如下:
一種易于制備的反射式多通道濾光元件的設計方法，所述反射式多通道濾光元件自下而上依次由基板4、超寬波段金屬反射層3、中間結構層2和金屬層I組成，金屬層I上部接觸空氣，所述方法利用周期性高低折射率材料的一倍頻和三倍頻之間的透射波紋，結合超寬波段高反的金屬和可以令原透射處指定波長達到高反的極薄金屬層，得到反射式的多通道濾光元件；具體步驟如下:
(1)確定初始基本膜系結構Subl(HL)91 Air，其中H為高折射率材料，L為低折射率材料，Sub為基板，Air為出射介質空氣；(HL)9為中間結構層；
(2)在基板上方鍍制超寬波段金屬反射層R，所述超寬波段金屬反射層R采用的金屬為Ag或Au等中任一種，厚度為90nm，此時膜系結構為Sub | R9tlnm (HL)91 Air ； (3)在步驟(2)所得的結構上方鍍制中間結構層S，所述中間結構層由高折射材料和低折射率材料組合而成；
(4)在步驟(3)所得的結構上方鍍制在所規(guī)定范圍內光學特性復折射率N=n-1k中η
k的極薄金屬層Μ,其中η為介質的折射率，k為消光系數(shù)；所述極薄金屬M層為Cr、Inconel、Ni或Pt等中任一種，厚度為納米量級，此時膜系結構為Sub R90nm (HL)9MlAir ;其中:中間結構層在所規(guī)定波長處獲得最大透射率，利用吸收率高的超寬波段金屬反射層和金屬層實現(xiàn)所規(guī)定波長處的反射峰和寬波段截止；使自然光從空氣側入射，透過金屬層、中間層后，在超寬波段金屬反射層表面被反射，返回，最后從金屬層出射。
[0008]本發(fā)明中，步驟(I)中所述高折射率材料為Ti02、Ta2O5或HfO2等中任一種，所述低折射率材料為SiO2，折射率為1.46。
[0009]本發(fā)明的核心是利用周期性高低折射率介質材料的一倍頻和三倍頻之間的振蕩透射波紋設計多通道位置可知的反射式多通道濾光片，并且可以通過調節(jié)膜系中的參數(shù)來改變通道的位置。圖1是所設計的膜系的結構示意圖，其中，Sub為基板，Air為出射介質空氣，Sub上層的膜層R層為超寬波段金屬反射層，S層為中間結構層，在本發(fā)明中為周期性高低折射率材料結構(HL) ~9，M層為極薄金屬層。由圖1可知該濾光片的基本膜系結構為Sub I RSMI Air，它利用中間結構層S在所規(guī)定波長處獲得最大透射率，再利用吸收率高的薄金屬膜M和高反射層R實現(xiàn)所規(guī)定波長處的反射峰和除此之外的寬波段截止。自然光從空氣側入射，透過極薄的M層，中間結構層S后，在R層表面被反射，原路返回，最后從M層出射。金屬M的厚度極薄要獲得很高的吸收率，需要其消光系數(shù)k與折射率η接近，使η與k的乘積較大，當滿足n k時，可以實現(xiàn)窄帶高反的目的。在所討論的波長范圍內可以選擇金屬Cr、Inconel、N1、Pt等,它們的η與k的值在可見光附近波段范圍內幾乎相等,這樣就能保證窄帶高反射的實現(xiàn)。
[0010]圖2 為膜系 Sub I (HL) ~91 Air 的透射光譜和 Sub | Ag90nm (HL) '9Cr3nm I Air 的反射光譜曲線對比圖，此時H取TiO2，折射率為2.16，L取SiO2，折射率為1.46，中心波長為1300nn。對于初始膜系Sub I (HL) ~n| Air，η個周期的規(guī)整膜堆三倍頻和一倍頻之間會有η_1個波紋，如圖2中Subl (HL)~9|Air的透射光譜所示。在初始膜系上添加如圖1所示的M層與R層，所設計的膜系Sub I Ag90nm (HL) '9Cr3nm I Air的反射曲線如圖2，與初始膜系的透射曲線峰值一一對應，截止特性良好。由此可知，多通道反射峰值的個數(shù)與原初始膜系透射峰值個數(shù)相等，且反射峰位置與原初始膜系透射峰位置有良好的一一對應關系。隨著膜系周期數(shù)η的取值增大，理論上可以實現(xiàn)任意個通道的反射式濾光片，且其設計方法簡便，規(guī)整膜系的制備相較于傳統(tǒng)的窄帶設計法也大大容易了。
[0011 ] 對于膜系Sub I Ag90nm (HL) '9Cr3nm I Air,可以通過改變中心波長來調諧整個多通道的位置。如圖3，令中心波長分別取IOOOnm和1300nm，可以看出，中心波長取IOOOnm時整個多通道峰值位置向短波漂移。這是因為所實現(xiàn)多通道的位置在一倍頻和三倍頻之間，因此中心波長取IOOOnm時，產(chǎn)生峰值的范圍在333nm和IOOOnm之間，而中心波長取1300nm時，產(chǎn)生峰值的范圍在433nm和1300nm之間。由此可知，中心波長越大，峰值越向長波漂移，產(chǎn)生的峰值范圍越大，峰值間距離也越大。同樣，可以通過改變膜系中H與L的折射率來調諧多通道的位置。如圖4，保持其他參數(shù)不變，L的折射率分別取1.46和1.2時，觀察多通道反射曲線，由圖可知，L取1.2時光譜整體向短波漂移，長波處漂移特別明顯。因此，減小L的折射率可以調諧多通道的位置整體向短波漂移。同樣，保持其他參數(shù)不變，只改變H的折射率也可以調諧通道位置。如圖5，膜系Sub IAg9tol(HL) '9Cr3nmIAir中H的折射率分別取2.16和2.5，可以看到H取2.5時反射光譜整體向短波漂移，長波處漂移明顯。因此，增大H的折射率或是減小L的折射率都可以調諧多通道位置向短波漂移。
[0012]綜上所述，本發(fā)明所設計的反射式多通道濾光片可以確定其多通道的個數(shù)和位置，并可以通過改變膜系參數(shù)來實現(xiàn)多通道位置的調諧，且其制備難度相較于傳統(tǒng)設計方法大大降低。
[0013]本發(fā)明的技術效果如下:
1.可以確定反射式多通道濾光片的通道個數(shù)和位置。所設計的膜系的反射通道與該膜系的初始膜系的透射峰值--對應。
[0014]2.可以調諧多通道的位置。通過改變膜系中的參數(shù)，實現(xiàn)峰值整體的漂移，控制參數(shù)來達到調諧通道的目的，易于操作。
[0015]3.本發(fā)明高效易行。相對于傳統(tǒng)的窄帶設計方法，本發(fā)明設計的膜系用了基本的規(guī)整膜系，使得制備難度大大降低，提高了制備效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0017]圖1膜系結構示意圖。
[0018]圖2 膜系 Sub|Ag9Qmi(HL)~9Cr3njAir 的反射曲線與 Sub | (HL) ~9| Air 的透射曲線的峰值對比圖。
·[0019]圖3膜系SublAg9tlnm(HL) '9Cr3nm I Air在中心波長分別為1000nm和1300nm時的反射曲線對比圖。
[0020]圖4 膜系 SublAg90nm(HL) '9Cr3nm I Air 中 L 取 1.46 和 1.2 的反射峰對比圖。
[0021]圖5 膜系 SublAg90nm(HL) '9Cr3nm I Air 中 H 取 2.16 和 2.5 的反射峰對比圖。
[0022]圖中標號:1為金屬層M(n ^ k), 2為中間結構層S, 3為超寬波段金屬反射層R,4為基板Sub。
【具體實施方式】
[0023]通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0024]實施例1:本發(fā)明設計的濾光片由高低折射率交替的多層介質光學干涉薄膜與金屬膜構成，其膜系結構可以表述為:基板-R-(HL) ~9-M-入射媒介。R為超寬波段高反射的金屬，選取金屬Ag，最外層極薄金屬M選用金屬Cr，其金屬復折射率的實部與虛部較為接近，既不會將入射光在初入射時就過多地反射回去，且可以對非所要求的光波段的入射光實現(xiàn)較強的吸收，從而獲得很深的截止度。需要注意的是，這層金屬要控制在納米量級，否則大部分入射光會被金屬直接吸收，而無法獲得高的峰值反射率。入射光在一倍頻和三倍頻之間的振蕩透射波紋位置來回振動而存儲了大量的能量，這些能量出射后被后方的高反金屬膜反射回去，返回的場強由于薄膜干涉的作用，在極薄金屬層與介質膜堆的界面上會達到一個極值，只要控制這個極值為極小值，即進入薄金屬層的場強達到極小，納米量級的極薄金屬就無法對光波進行強烈吸收，此時大部分光波被反射回入射界面，達到很高的峰值反射率。而對于非振蕩波紋位置的光波，由于在極薄金屬層與反射層的界面上無法達到場強的干涉極小值，金屬層會吸收大量的能量，于是形成了很深的截止帶。
[0025]如圖1，以JGSl石英玻璃為基板，根據(jù)膜系Sub IAg9tlnm(HL) ~9Cr3nJ Air，基板上分別鍍制90nm的金屬Ag，周期性高低折射率材料(HL) ~9，中心波長為1300nm，其一倍頻與三倍頻之間為可見光附近波段，H、L分別代表高、低折射率介質，光學厚度均為中心波長的1/4，H材料選取TiO2，折射率為2.16，L材料選取SiO2,折射率為1.46，最外層M層鍍制3nm的金屬Cr，在中心波長的復折射率N=4.47-4.50i，其反射光譜如圖2所示。
[0026]再以JGSl石英玻璃為基板，根據(jù)初始膜系Sub I (HL) ~91 Air，鍍制膜層，H、L的參數(shù)與膜系SublAg9tlnm(HL) '9Cr3nmI Air 一致,其透射光譜如圖2所示。
[0027]比較膜Sub I Ag90nm (HL) '9Cr3nm I Air的反射光譜曲線與膜系Sub | (HL) ~91 Air的透射光譜曲線，可以看出其峰值的對應關系，如圖2，所設計的多通道反射峰與其中間層初始膜系Sub I (HL) ~91 Air的透射峰——對應，且截至特性良好。
[0028]對于所設計的膜系Sub I Ag90nm (HL) '9Cr3nm I Air,改變其中心波長為lOOOnm，如圖3，當中心波長由1300nm減小到IOOOnm時，整個多通道峰值的位置向短波漂移。保持其他參數(shù)不變，膜系SublAg90nm(HL) '9Cr3nmIAir中心波長取1300nm,改變其L的大小為1.2，如圖4可知，多通道光譜整體向短波漂移，且長波處漂移明顯。同樣，只改變H的大小也能起到調諧多通道位置的作用，如圖5，改變H的大小為2.5，多通道光譜整體向短波漂移，且長波處漂移明顯。因此，調節(jié)膜系的中心波長或者改變膜系中的參數(shù)都能起到調諧多通道位置的作用。
【權利要求】
1.一種易于制備的反射式多通道濾光元件的設計方法，其特征在于所述反射式多通道濾光元件自下而上依次由基板(4)、超寬波段金屬反射層(3)、中間結構層(2)和金屬層(I)組成，金屬層(I)上部接觸空氣，所述方法利用周期性高低折射率材料的一倍頻和三倍頻之間的透射波紋，結合超寬波段高反的金屬和可以令原透射處指定波長達到高反的極薄金屬層，得到反射式的多通道濾光元件；具體步驟如下: (1)確定初始基本膜系結構Subl(HL)91 Air，其中H為高折射率材料，L為低折射率材料，Sub為基板，Air為出射介質空氣；(HL)9為中間結構層； (2)在基板上方鍍制超寬波段金屬反射層R，所述超寬波段金屬反射層R采用的金屬為Ag或Au等中任一種，厚度為90nm，此時膜系結構為Sub | R9tlnm (HL)91 Air ； (3)在步驟(2)所得的結構上方鍍制備中間結構層S，所述中間結構層由高折射材料和低折射率材料組合而成； (4)在步驟(3)所得的結構上方鍍制在所規(guī)定范圍內光學特性復折射率N=n-1k中ηk的極薄金屬層Μ,其中η為介質的折射率，k為消光系數(shù)；所述極薄金屬M層為Cr、Inconel、Ni或Pt中任一種，厚度為納米量級，此時膜系結構為Sub R90nm (HL)9MlAir ;其中:中間結構層在所規(guī)定波長處獲得最大透射率，利用吸收率高的超寬波段金屬反射層和金屬層實現(xiàn)所規(guī)定波長處的反射峰和寬波段截止；使自然光從空氣側入射，透過金屬層、中間層后，在超寬波段金屬反射層表面被反射，返回，最后從金屬層出射。
2.根據(jù)權利要求1所述的設計方法，其特征在于步驟(I)中所述高折射率材料為Ti02、Ta2O5或HfO2中任一種，所述低折射率材料為SiO2，折射率為1.46。
【文檔編號】G02B27/00GK103592714SQ201310484791
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權日:2013年10月17日
【發(fā)明者】焦宏飛, 賀芝宇, 趙陽, 程鑫彬, 張錦龍, 馬彬, 丁濤, 王占山 申請人:同濟大學