專利名稱:一種新型的薄膜窄帶反射濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的薄膜窄帶反射濾光片。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代初，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為各國(guó)和跨國(guó)研究計(jì)劃的重點(diǎn)，亞洲與歐美國(guó)家都紛紛制定了各種研究計(jì)劃，同時(shí)，各種學(xué)術(shù)團(tuán)體和標(biāo)準(zhǔn)化組織也積極開展了光通信尤其是光波分復(fù)用系統(tǒng)方面的研究。而在光波分復(fù)用系統(tǒng)中，處處都離不開對(duì)單一波長(zhǎng)光的操作處理，因此光波解復(fù)用器就成為這個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件之一。于是以法布里-珀羅濾光片為代表的介質(zhì)膜濾光型波分復(fù)用器，便因其高的峰值透過率及特寬的截止區(qū)在光學(xué)、天文物理學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于這些濾光片大都屬于透射式，在系統(tǒng)中的排列較占空間，不易于集成；此外，為了獲得高的峰值透過率和窄的半高寬，這些濾光片不得不成倍增加反射膜堆的周期數(shù)，且大幅提高對(duì)膜系對(duì)稱性的要求，造成了鍍制的困難。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種新型的薄膜窄帶反射濾光片，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光波的解復(fù)用效果。
該薄膜濾光片，采用極薄的金屬薄膜-高低折射率交疊膜層構(gòu)成的較低反射率的反射膜堆-間隔層薄膜-高反射率的(周期更多)高低折射率交疊構(gòu)成的反射膜堆，組成薄膜器件。由反射率較低的反射膜堆、間隔層(可看作諧振腔)薄膜與高反膜堆組成所謂的Gires-Tournois(GT)諧振腔，因此該器件可以認(rèn)為是在基板上鍍制了GT腔，然后在入射媒介與GT腔之間增加了一層厚度極薄的金屬層。
本發(fā)明采用傳統(tǒng)的薄膜沉積工藝進(jìn)行制備，方法簡(jiǎn)單、制作成本低、易集成。而整個(gè)GT腔完全由高、低折射率介質(zhì)材料蒸鍍而成，有插入損耗小、完全無源、無須溫度控制等特點(diǎn)。本發(fā)明是反射式器件，在不同波長(zhǎng)光束入射時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光波濾波、分色、解復(fù)用的效果，在光學(xué)系統(tǒng)中易于排列。此外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)直觀、設(shè)計(jì)方便，可以根據(jù)實(shí)際需要自由調(diào)整峰值反射率與半高寬的大小，獲得盡可能高的峰值反射率、極窄的半高寬以及很深的寬帶截止度。在密集波分復(fù)用、光電顯示以及光學(xué)信息處理等系統(tǒng)中的應(yīng)用前景將會(huì)非常廣泛。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是薄膜窄帶反射濾光片結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是理論設(shè)計(jì)薄膜窄帶反射濾光片的反射率光譜曲線示意圖；圖3是實(shí)際鍍制薄膜窄帶反射濾光片的反射率光譜曲線示意圖；圖4是薄膜窄帶反射濾光片的波長(zhǎng)解復(fù)用應(yīng)用示意圖；圖5是薄膜窄帶反射濾光片在彩色顯示領(lǐng)域中的應(yīng)用示意圖；圖中1、入射媒介，2、金屬膜，3、若干周期的高、低折射率交替膜堆，4、間隔層薄膜，5、高周期的高、低折射率交替膜堆，6、基板，7、四個(gè)中心波長(zhǎng)不同的薄膜窄帶反射濾光片，8、中心波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三原色的薄膜窄帶反射濾光片。
具體實(shí)施方式薄膜窄帶反射濾光片在基板6側(cè)首先鍍制了高周期數(shù)的高、低折射率交替膜堆5，接著鍍制了間隔層薄膜4-若干周期的高低折射率交替膜堆3-極薄的金屬膜2到入射媒介1，入射光從入射媒介入射到薄的金屬膜。
本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光波的解復(fù)用效果。該器件由高、低折射率交替的多層介質(zhì)光學(xué)干涉薄膜與金屬構(gòu)成，其膜系結(jié)構(gòu)可以表述為基板-(HL)m2H 2L(HL)m1M-入射媒介。M代表金屬，一般選用鉻(Cr)，因?yàn)檫@種金屬?gòu)?fù)折射率的實(shí)部(nc)與虛部(kc)較為接近，既不會(huì)將入射光在初入射時(shí)就過多的反射回去，而且可以對(duì)非中心波長(zhǎng)的入射光實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的吸收，從而獲得很深的寬帶截止度。但是需要注意這層金屬需要控制在納米量級(jí)，否則大部分入射光會(huì)直接被金屬吸收，而無法獲得高的峰值反射率。H、L分別代表高、低折射率介質(zhì)，光學(xué)厚度均為中心波長(zhǎng)的1/4，折射率分別表示為nH與nL，可以根據(jù)實(shí)際需要自由選取。m1、m2代表反射膜堆的周期數(shù)，對(duì)本發(fā)明而言，m1一般較小，而m2需要很大，以實(shí)現(xiàn)足夠高的反射率。在這種結(jié)構(gòu)中，中心波長(zhǎng)的光波在間隔層薄膜(即諧振腔)內(nèi)不斷來回振動(dòng)而存貯了大量的能量，這些能量出射后被后方的高反膜反射回去，而返回的場(chǎng)強(qiáng)由于薄膜干涉的作用，在金屬層與相鄰反射膜堆的界面上必定會(huì)達(dá)到一個(gè)極值，只要控制這時(shí)的極值為極小值，即進(jìn)入金屬層中的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到極小，因?yàn)榻饘賹拥某叽鐑H在納米量級(jí)，它便無法對(duì)光波進(jìn)行強(qiáng)烈的吸收，由能量守恒定律可知，大部分光波均被反射回入射界面，達(dá)到很高的峰值反射率。而對(duì)于非中心波長(zhǎng)的光來說，由于在金屬層與反射膜堆的界面上無法達(dá)到場(chǎng)強(qiáng)的干涉極小值，勢(shì)必有大量的能量被金屬層吸收，于是形成了很深的寬帶截止。
借助薄膜光學(xué)特征矩陣原理及微擾理論，可以近似求出薄膜窄帶反射濾光片的峰值反射率R0及半高寬FWHM，表示為R0≈(-2πn0nHd/λ0)2+[(n0x/nH)-nH-(4πnckcdx/nHλ0)]2(-2πn0nHd/λ0)2+[(n0x/nH)+nH+(4πnckcdx/nHλ0)]2]]>FWHM≈4|A|λ0π[(24πn0nckcd/λ0)-n02-(4πnckcd/λ0)2]0.5]]>其中A=nL1+2nLnH-nL[1-(nHnL)2(m1+1)].]]>公式中n0是入射媒介折射率，d是金屬膜厚度，λ0是中心波長(zhǎng)，高折射率與低折射率膜層的光學(xué)厚度均為這個(gè)波長(zhǎng)的1/4。發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜堆周期數(shù)m2遠(yuǎn)大于m1時(shí)，峰值反射率R0基本可以認(rèn)為達(dá)到100％；而在高低折射率比nH/nL或周期數(shù)m1足夠大時(shí)，便可以達(dá)到盡可能窄的半高寬。因此，適當(dāng)選取本發(fā)明中的各種參數(shù)，即可以滿足不同使用環(huán)境的需要。
圖2給出了理論設(shè)計(jì)薄膜窄帶反射濾光片的反射率光譜曲線示意圖。中心波長(zhǎng)為700nm，基板選用BK7(折射率為1.49)，M選用Cr，中心波長(zhǎng)處復(fù)折射率為(3.84-i4.37)，厚度為3nm，H選用TiO2(折射率為2.19)，L選用SiO2(折射率為1.45)，m1取3，m2取7，整個(gè)濾光片的物理厚度為2.35μm。圖3給出了按照理論設(shè)計(jì)而實(shí)際鍍制出的薄膜窄帶反射濾光片的反射率光譜曲線示意圖，鍍制結(jié)果為R0＝91.3％，F(xiàn)WHM＝11nm，與理論結(jié)果比較吻合，誤差分別為3.1％與10％，與能夠?qū)崿F(xiàn)同樣效果的窄帶透射濾光片及以往成熟的介質(zhì)反射濾光片相比，本發(fā)明物理厚度更薄，對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性要求也不是很高；而與傳統(tǒng)的金屬誘導(dǎo)濾光片相比，由于本發(fā)明的反射峰并不靠誘導(dǎo)金屬產(chǎn)生，所以無需在金屬旁增加誘導(dǎo)層這些需要精確控制厚度的膜層，比較容易監(jiān)控、制作。
薄膜窄帶反射濾光片是反射式光學(xué)元件，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光波的濾光效果，尤其要注意的是，按本發(fā)明進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)時(shí)，中心波長(zhǎng)處(LH)m12L(HL)m2H-基板的導(dǎo)納需要盡可能大，此時(shí)才能保證金屬層與反射膜界面處的干涉場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到極小值，實(shí)現(xiàn)高的峰值反射率。
本發(fā)明在光通信、顯示、攝影、光學(xué)信息處理等多個(gè)領(lǐng)域都有著很大的應(yīng)用前景。
實(shí)施例1薄膜窄帶反射濾光片在光通信波分復(fù)用系統(tǒng)中的解復(fù)用應(yīng)用如圖4所示，7-1、7-2、7-3、7-4代表四個(gè)中心波長(zhǎng)不同的薄膜窄帶反射濾光片，當(dāng)λ1-λ4的波長(zhǎng)入射時(shí)，四個(gè)濾光片將把對(duì)應(yīng)其中心波長(zhǎng)的光波分別反射回去，從而實(shí)現(xiàn)了四通道的解復(fù)用效果。
實(shí)施例2薄膜窄帶反射濾光片在彩色顯示領(lǐng)域中的應(yīng)用如圖5所示，8-1、8-2、8-3分別代表中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三原色的窄帶反射濾光片，在寬光譜入射時(shí)，這些濾光片對(duì)三原色進(jìn)行反射，既可以對(duì)三原色進(jìn)行分離調(diào)制，也可以再次組合，實(shí)現(xiàn)需要的彩色顯示。
權(quán)利要求
1.一種新型的薄膜窄帶反射濾光片，其特征是由高低折射率交替的介質(zhì)薄膜與極薄的金屬薄膜構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的薄膜窄帶反射濾光片，其特征是基本結(jié)構(gòu)為，從基板側(cè)開始是高周期數(shù)的高、低折射率交替膜堆—間隔層薄膜—若干周期的高低折射率交替膜堆—極薄的金屬膜到入射媒介，入射光從入射媒介入射到薄的金屬膜，可以表示為基板-(HL)m2H2L(HL)m1M-入射媒介的形式，其中H、L分別代表高、低折射率材料膜層，m1，m2分別為交替高低折射率膜堆的周期數(shù)，m1小，m2大，(HL)m2H代表高周期數(shù)的高、低折射率交替膜堆，2L代表間隔層薄膜，(HL)m1代表若干周期的高低折射率交替膜堆，M代表極薄的金屬膜。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的薄膜窄帶反射濾光片，其特征是金屬?gòu)?fù)折射率的實(shí)部與虛部(吸收系數(shù))接近，金屬層極薄，需要控制在納米尺寸量級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的薄膜窄帶反射濾光片，可以獲得很高的峰值反射率、很窄的半高寬與很深的截止度，適用于光密集波分復(fù)用、顯示等各種場(chǎng)合。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的薄膜窄帶反射濾光片，調(diào)整峰值反射率主要依靠m1，m2來調(diào)整，半高寬的大小可以通過間隔腔的厚度2L、周期數(shù)ml或者高低折射率之比來調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的薄膜窄帶反射濾光片，其特征在于器件基本由介質(zhì)材料構(gòu)成，材料選擇范圍廣，插入損耗小，且方便排列，易于集成。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種新型的薄膜窄帶反射濾光片。它由高低折射率薄膜與一層極薄的金屬薄膜構(gòu)成。其基本結(jié)構(gòu)為從基板側(cè)開始是高周期數(shù)的高、低折射率交替膜堆－間隔層薄膜－若干周期的高低折射率交替膜堆－極薄的金屬膜到入射媒介，入射光從入射媒介入射到薄的金屬膜。利用極薄的金屬薄膜，實(shí)現(xiàn)了窄的半高寬、高的峰值反射率與深的反射截止度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)直觀，設(shè)計(jì)方便，可以根據(jù)實(shí)際需要來自由調(diào)整峰值反射率與半高寬的大小，且入射光損耗小，制作工藝方便，制作成本低，易于集成，適合應(yīng)用于光波分復(fù)用、顯示等光學(xué)系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G02B5/26GK1996063SQ200610053944
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年10月25日
發(fā)明者孫雪錚, 劉旭, 顧培夫 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan