CN1996063A - 一种新型的薄膜窄带反射滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的薄膜窄带反射滤光片。它由高低折射率薄膜与一层极薄的金属薄膜构成。其基本结构为：从基板侧开始是高周期数的高、低折射率交替膜堆－间隔层薄膜－若干周期的高低折射率交替膜堆－极薄的金属膜到入射媒介，入射光从入射媒介入射到薄的金属膜。利用极薄的金属薄膜，实现了窄的半高宽、高的峰值反射率与深的反射截止度。本发明结构直观，设计方便，可以根据实际需要来自由调整峰值反射率与半高宽的大小，且入射光损耗小，制作工艺方便，制作成本低，易于集成，适合应用于光波分复用、显示等光学***中。

Description

一种新型的薄膜窄带反射滤光片

技术领域

本发明涉及一种新型的薄膜窄带反射滤光片。

背景技术

20世纪90年代初，对光网络通信***的研究已经成为各国和跨国研究计划的重点，亚洲与欧美国家都纷纷制定了各种研究计划，同时，各种学术团体和标准化组织也积极开展了光通信尤其是光波分复用***方面的研究。而在光波分复用***中，处处都离不开对单一波长光的操作处理，因此光波解复用器就成为这个***中最关键的器件之一。于是以法布里-珀罗滤光片为代表的介质膜滤光型波分复用器，便因其高的峰值透过率及特宽的截止区在光学、天文物理学等各个领域得到了广泛的应用。但是由于这些滤光片大都属于透射式，在***中的排列较占空间，不易于集成；此外，为了获得高的峰值透过率和窄的半高宽，这些滤光片不得不成倍增加反射膜堆的周期数，且大幅提高对膜系对称性的要求，造成了镀制的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的薄膜窄带反射滤光片，它可以实现对反射光波的解复用效果。

该薄膜滤光片，采用极薄的金属薄膜-高低折射率交叠膜层构成的较低反射率的反射膜堆-间隔层薄膜-高反射率的(周期更多)高低折射率交叠构成的反射膜堆，组成薄膜器件。由反射率较低的反射膜堆、间隔层(可看作谐振腔)薄膜与高反膜堆组成所谓的Gires-Tournois(GT)谐振腔，因此该器件可以认为是在基板上镀制了GT腔，然后在入射媒介与GT腔之间增加了一层厚度极薄的金属层。

本发明采用传统的薄膜沉积工艺进行制备，方法简单、制作成本低、易集成。而整个GT腔完全由高、低折射率介质材料蒸镀而成，有***损耗小、完全无源、无须温度控制等特点。本发明是反射式器件，在不同波长光束入射时，可以实现对反射光波滤波、分色、解复用的效果，在光学***中易于排列。此外，本发明结构直观、设计方便，可以根据实际需要自由调整峰值反射率与半高宽的大小，获得尽可能高的峰值反射率、极窄的半高宽以及很深的宽带截止度。在密集波分复用、光电显示以及光学信息处理等***中的应用前景将会非常广泛。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是薄膜窄带反射滤光片结构示意图；

图2是理论设计薄膜窄带反射滤光片的反射率光谱曲线示意图；

图3是实际镀制薄膜窄带反射滤光片的反射率光谱曲线示意图；

图4是薄膜窄带反射滤光片的波长解复用应用示意图；

图5是薄膜窄带反射滤光片在彩色显示领域中的应用示意图；

图中：1、入射媒介，2、金属膜，3、若干周期的高、低折射率交替膜堆，4、间隔层薄膜，5、高周期的高、低折射率交替膜堆，6、基板，7、四个中心波长不同的薄膜窄带反射滤光片，8、中心波长分别对应红、绿、蓝三原色的薄膜窄带反射滤光片。

具体实施方式

薄膜窄带反射滤光片在基板6侧首先镀制了高周期数的高、低折射率交替膜堆5，接着镀制了间隔层薄膜4-若干周期的高低折射率交替膜堆3-极薄的金属膜2到入射媒介1，入射光从入射媒介入射到薄的金属膜。

本发明可以实现对反射光波的解复用效果。该器件由高、低折射率交替的多层介质光学干涉薄膜与金属构成，其膜系结构可以表述为：基板-(HL)^m2H 2L(HL)^m1 M-入射媒介。M代表金属，一般选用铬(Cr)，因为这种金属复折射率的实部(n_c)与虚部(k_c)较为接近，既不会将入射光在初入射时就过多的反射回去，而且可以对非中心波长的入射光实现较强的吸收，从而获得很深的宽带截止度。但是需要注意这层金属需要控制在纳米量级，否则大部分入射光会直接被金属吸收，而无法获得高的峰值反射率。H、L分别代表高、低折射率介质，光学厚度均为中心波长的1/4，折射率分别表示为n_H与n_L，可以根据实际需要自由选取。m1、m2代表反射膜堆的周期数，对本发明而言，m1一般较小，而m2需要很大，以实现足够高的反射率。在这种结构中，中心波长的光波在间隔层薄膜(即谐振腔)内不断来回振动而存贮了大量的能量，这些能量出射后被后方的高反膜反射回去，而返回的场强由于薄膜干涉的作用，在金属层与相邻反射膜堆的界面上必定会达到一个极值，只要控制这时的极值为极小值，即进入金属层中的场强达到极小，因为金属层的尺寸仅在纳米量级，它便无法对光波进行强烈的吸收，由能量守恒定律可知，大部分光波均被反射回入射界面，达到很高的峰值反射率。而对于非中心波长的光来说，由于在金属层与反射膜堆的界面上无法达到场强的干涉极小值，势必有大量的能量被金属层吸收，于是形成了很深的宽带截止。

借助薄膜光学特征矩阵原理及微扰理论，可以近似求出薄膜窄带反射滤光片的峰值反射率R₀及半高宽FWHM，表示为：

$R_0\≈\frac{{(-2\mathrm{\π}{n}_0{n}_{H}d/{\mathrm{\λ}}_0)}^2+{[(n_{0}x/n_H)-n_H-(4\mathrm{\π}{n}_c{k}_c\mathrm{dx}/n_H{\mathrm{\λ}}_0)]}^2}{{(-2\mathrm{\π}{n}_0{n}_{H}d/{\mathrm{\λ}}_0)}^2+{[(n_{0}x/n_H)+n_H+(4\mathrm{\π}{n}_c{k}_c\mathrm{dx}/n_H{\mathrm{\λ}}_0)]}^2}$

$\mathrm{FWHM}\≈\frac{4\left|A\right|{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\π}{\left[\right(24\mathrm{\π}{n}_0{n}_c{k}_{c}d/{\mathrm{\λ}}_0)-n_0^2-{(4\mathrm{\π}{n}_c{k}_{c}d/{\mathrm{\λ}}_0)}^2]}^{0.5}}$

其中 $A=\frac{n_L}{1+\frac{{2n}_L}{n_H-n_L}[1-{\left(\frac{n_H}{n_L}\right)}^{2(m_1+1)}]}.$

公式中n₀是入射媒介折射率，d是金属膜厚度，λ₀是中心波长，高折射率与低折射率膜层的光学厚度均为这个波长的1/4。发现当膜堆周期数m2远大于m1时，峰值反射率R₀基本可以认为达到100％；而在高低折射率比n_H/n_L或周期数m1足够大时，便可以达到尽可能窄的半高宽。因此，适当选取本发明中的各种参数，即可以满足不同使用环境的需要。

图2给出了理论设计薄膜窄带反射滤光片的反射率光谱曲线示意图。中心波长为700nm，基板选用BK7(折射率为1.49)，M选用Cr，中心波长处复折射率为(3.84-i4.37)，厚度为3nm，H选用TiO₂(折射率为2.19)，L选用SiO₂(折射率为1.45)，m1取3，m2取7，整个滤光片的物理厚度为2.35μm。图3给出了按照理论设计而实际镀制出的薄膜窄带反射滤光片的反射率光谱曲线示意图，镀制结果为R₀＝91.3％，FWHM＝11nm，与理论结果比较吻合，误差分别为3.1％与10％，与能够实现同样效果的窄带透射滤光片及以往成熟的介质反射滤光片相比，本发明物理厚度更薄，对结构对称性要求也不是很高；而与传统的金属诱导滤光片相比，由于本发明的反射峰并不靠诱导金属产生，所以无需在金属旁增加诱导层这些需要精确控制厚度的膜层，比较容易监控、制作。

薄膜窄带反射滤光片是反射式光学元件，只能实现对反射光波的滤光效果，尤其要注意的是，按本发明进行膜系设计时，中心波长处(LH)^m1 2L(HL)^m2 H-基板的导纳需要尽可能大，此时才能保证金属层与反射膜界面处的干涉场强达到极小值，实现高的峰值反射率。

本发明在光通信、显示、摄影、光学信息处理等多个领域都有着很大的应用前景。

实施例1：薄膜窄带反射滤光片在光通信波分复用***中的解复用应用

如图4所示，7-1、7-2、7-3、7-4代表四个中心波长不同的薄膜窄带反射滤光片，当λ₁-λ₄的波长入射时，四个滤光片将把对应其中心波长的光波分别反射回去，从而实现了四通道的解复用效果。

实施例2：薄膜窄带反射滤光片在彩色显示领域中的应用

如图5所示，8-1、8-2、8-3分别代表中心波长对应红、绿、蓝三原色的窄带反射滤光片，在宽光谱入射时，这些滤光片对三原色进行反射，既可以对三原色进行分离调制，也可以再次组合，实现需要的彩色显示。

Claims (6)

1.一种新型的薄膜窄带反射滤光片，其特征是由高低折射率交替的介质薄膜与极薄的金属薄膜构成。

2.根据权利1所述的薄膜窄带反射滤光片，其特征是基本结构为，从基板侧开始是高周期数的高、低折射率交替膜堆—间隔层薄膜—若干周期的高低折射率交替膜堆—极薄的金属膜到入射媒介，入射光从入射媒介入射到薄的金属膜，可以表示为：基板-(HL)^m2H2L(HL)^m1M-入射媒介的形式，其中H、L分别代表高、低折射率材料膜层，m1，m2分别为交替高低折射率膜堆的周期数，m1小，m2大，(HL)^m2H代表高周期数的高、低折射率交替膜堆，2L代表间隔层薄膜，(HL)^m1代表若干周期的高低折射率交替膜堆，M代表极薄的金属膜。

3.根据权利1所述的薄膜窄带反射滤光片，其特征是金属复折射率的实部与虚部(吸收系数)接近，金属层极薄，需要控制在纳米尺寸量级。

4.根据权利1所述的薄膜窄带反射滤光片，可以获得很高的峰值反射率、很窄的半高宽与很深的截止度，适用于光密集波分复用、显示等各种场合。

5.根据权利1所述的薄膜窄带反射滤光片，调整峰值反射率主要依靠m1，m2来调整，半高宽的大小可以通过间隔腔的厚度2L、周期数ml或者高低折射率之比来调整。

6.根据权利1所述的薄膜窄带反射滤光片，其特征在于器件基本由介质材料构成，材料选择范围广，***损耗小，且方便排列，易于集成。

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