一种宽带反射器及电磁波反射方法转让专利
申请号 : CN201911271460.7
文献号 : CN110927869B
文献日 : 2021-06-04
发明人 : 李光元 , 师星哲 , 鲁远甫 , 张锐
申请人 : 深圳先进技术研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种宽带反射器,包括基底、至少两层高折射率差光栅;
其中,所述至少两层高折射率差光栅平行于所述基底设置,并且最下层高折射率差光栅距离所述基底有一定间隔;各层高折射率差光栅之间也具有一定间隔;
各层高折射率差光栅的高反射率波段主体部分互不相同;同时对于高反射率波段主体部分相邻的两层高折射率差光栅来说,它们的高反射率波段主体部分相互交叠,重合的波段也具有高反射率。
2.根据权利要求1所述的宽带反射器,其特征在于:所述各层高折射率差光栅的制作材料为折射率高并且无损耗的材料。
3.根据权利要求1所述的宽带反射器,其特征在于:针对可见光波段,所述各层高折射率差光栅的制作材料为GaN或者TiO2;针对红外波段,所述各层高折射率差光栅的制作材料为Si。
4.根据权利要求1所述的宽带反射器,其特征在于:各层高折射率差光栅的高度范围为
100‑500nm,占空比为0.5‑0.8,周期小于工作波长。
5.根据权利要求1所述的宽带反射器,其特征在于:针对可见光波段,所述各层高折射率差光栅的周期范围为200‑500nm;针对红外波段,所述各层高折射率差光栅的周期范围为
400‑800nm。
6.根据权利要求1所述的宽带反射器,其特征在于:工作波段覆盖可见光至红外波段。
7.根据权利要求1所述的宽带反射器,其特征在于:所述高反射率波段的反射率为大于
95%。
8.一种使电磁波反射的方法,包括:构建至少两层高折射率差光栅,并且各层高折射率差光栅之间具有一定间隔;其中,各层高折射率差光栅的高反射率波段主体部分互不相同;同时对于高反射率波段主体部分相邻的两层高折射率差光栅来说,它们的高反射率波段主体部分相互交叠,重合的波段也具有高反射率;
电磁波从最外层高折射率差光栅的一侧入射,并经所述至少两层高折射率差光栅反射。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:还包括根据严格耦合波模型理论,计算各层高折射率差光栅之间的间隔在不同数值下的反射效果,根据反射效果选择最优的间隔。
10.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于:所述各层高折射率差光栅的制作材料为折射率高并且无损耗的材料。
11.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于:针对可见光波段,所述各层高折射率差光栅的制作材料为GaN或者TiO2;针对红外波段,所述各层高折射率差光栅的制作材料为Si。
12.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于:各层高折射率差光栅的高度范围为
100‑500nm,占空比为0.5‑0.8,周期小于工作波长。
13.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于:针对可见光波段,所述各层高折射率差光栅的周期范围为200‑500nm;针对红外波段,所述各层高折射率差光栅的周期范围为
400‑800nm。
14.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于:所述电磁波为可见光至红外波段的电磁波。
15.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于:所述高反射率波段的反射率为大于
95%。
说明书 :
一种宽带反射器及电磁波反射方法
技术领域
背景技术
银或铝,虽然此类反射器具有较宽的反射带宽,但是金属的本征损耗对反射率却有较大影
响。另一种常用的反射器是分布式布拉格光栅(DBR),采用多层高低折射率不同的材料堆叠
而成,具有较高的反射率,但是此类反射器的厚度都比较高,通常在微米级,并且在加工过
程中对实验环境要求比较高,成本也比较高。
波段的反射率大于99%,相对带宽30%。自此,基于HCG的宽带反射器引起人们广泛的关注。
由于对于红外波段可以使用硅等材料来制作器件,因此很容易实现高折射率差光栅,进而
实现宽带反射器,目前基于HCG的宽带反射器也主要集中在红外波段。而在可见光波段,天
然的高折射率并且无损耗的材料比较难找,因此难以简单实现基于高折射率差光栅的宽带
反射器。2015年,查尔姆斯理工大学Ehsan Hashemi课题组首次利用TiO2进行可见光波段
HCG反射器的研究,得到在395‑475nm处反射率大于95%,相对带宽仅18%,因而仍然无法覆
盖整个可见光波段。因此,如何获得宽带高、反射低损耗且成本低的反射器仍是亟待解决的
问题。
发明内容
折射率差光栅反射器进行级联,从而获得覆盖整个可见光波段或可见光至红外波段的宽带
反射器。
述基底有一定间隔;各层高折射率差光栅之间也具有一定间隔;各层高折射率差光栅的高
反射率波段主体部分互不相同;同时对于高反射率波段主体部分相邻的两层高折射率差光
栅来说,它们的高反射率波段主体部分相互交叠,重合的波段也具有高反射率。
400‑800nm。
主体部分相邻的两层高折射率差光栅来说,它们的高反射率波段主体部分相互交叠,重合
的波段也具有高反射率;
400‑800nm。
本发明的宽带反射器具有无损耗、反射率高、带宽较宽、成本低、制作工艺简单的优点,对高
光谱成像,滤波器等光学领域器件的加工及设计有很大的帮助。
附图说明
具体实施方式
本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范
围。
折射率差光栅的制作材料需要选用折射率高并且无损耗的材料,优选折射率在2‑5之间,例
如GaN、TiO2或者Si等。而每层光栅的周期均小于工作波长。在以下的说明中,以TiO2作为所
述高折射率差光栅的材料为例,但本领域技术人员容易知晓该材料也可替换成其他高折射
率并且无损耗的材料,例如GaN、Si等。
设置,相当于将两层高折射率差光栅进行级联。两层高折射率差光栅之间以及下层高折射
率差光栅2与基底3之间的空间部分都由空气填充。使用所述宽带反射器时,入射光从上层
高折射率差光栅1的上方垂直入射。建立如图1所示的坐标系,其中x、y和z三个方向相互垂
直,x‑y平面平行于纸面。为了固定所述两层或多层高折射率差光栅以及基底,可以设置有
如图1所示的沿y方向延伸的侧板。尽管图中仅仅显示了两个沿x方向分立左右的侧板,但z
方向的前后也同样可以设置侧板,从而两层或者多层的光栅结构以及基底可以固定在侧板
上。可替换地,侧板可以与所述基底3一体制作而成。每一层高折射率差光栅的高度范围为
100‑500nm,对于可见光波段,该高度范围优选为100‑300nm,对于红外波段,该高度范围优
选为300‑500nm。各层高折射率差光栅的占空比为0.5‑0.8,周期小于工作波长。特别地,针
对可见光波段,周期范围优选为200‑500nm;针对红外波段,周期范围优选为400‑800nm。通
过后文所描述的模拟仿真计算可知,不在这个范围内的参数设定会导致光栅的反射率降低
或对应高反射的带宽变窄。级联后整体光栅结构的周期为多个单层光栅周期的最小公倍
数,因而整体光栅结构的周期范围为200‑500000nm。如图1所示的整个宽带反射器的尺寸可
以做到长宽为毫米或厘米量级,高为1.2μm左右,其中下层高折射率差光栅2到基底3距离的
典型尺寸约为480‑500nm。参见后文的实施例,对于工作波段来说整个器件在光栅层的反射
效率很高,因而下层高折射率差光栅到基底的距离并非关键参数,大部分工作波段的电磁
波不会进入该区域。
部分要求不相同,反射光谱重合点处的总体反射率应大于95%,这样才能够使反射器获得
更高的带宽。在以下实施例中,采用严格耦合波模型理论仿真计算光栅的反射率,并对器件
的结构进行计算优化,得到上下两层高折射率差光栅的间距为一定值时,或者多层高折射
率差光栅之间的间距为一定值时,可实现总结构的反射率带宽为两层或多层单层高折射率
差光栅反射率的带宽之和,实现覆盖整个可见光波段或可见光至近红外波段的宽带反射
器,并且具有无损耗、反射率高的特性。
图2所示,以两层高折射率差光栅为例,利用图2的耦合波理论模型对器件进行描述,其中入
射光的幅度为1(单位幅度),遇到上层高折射率差光栅后,反射系数为r1,透射系数为t1,进
一步,透射的能量在遇到下层高折射率差光栅后,在下层光栅反射系数为r2,透射系数为t2,
其中的反射光再次经过上层高折射率差光栅后,透射系数为t3,反射系数为r3。级联结构的
反射系数为B1,透射系数为A2,由于全介质材料吸收为零,这两个系数满足以下关系:
率为:
计算量与数值仿真相比可以忽略不计。由于每层光栅的反射系数和透射系数以及k0均随着
波长改变。利用公式(3)可以快速准确求取不同间距下的级联光栅反射谱,从而为获得宽带
的高反射率提供了光栅间距的快速优化方法。
0.69;下层高折射率差光栅2为TiO2光栅,厚度为159nm,周期为250nm,占空比为0.73。其余
空间为空气填充。整体结构的周期为9000nm。
向)偏振光的反射率‑波长曲线。其中虚线为单独上层高折射率差光栅1对应的反射率曲线
图,在526‑756nm处,反射率大于95%,相对带宽35.9%。点线为单独下层高折射率差光栅2
对应的反射率曲线图,在400‑553nm处,反射率大于95%,相对带宽32%。实线为整体结构的
反射率光谱图。通过严格耦合波模型理论计算优化得到,当两层高折射率差光栅之间的间
距为315nm时,可实现最佳效果:400‑756nm处,反射率都大于95%,相对带宽61.6%。可实现
覆盖整个可见光范围的宽带反射的效果。
距d变为350nm,而其他参数不变的情况下,整体结构的反射率曲线图;点线为两层光栅间距
d变为250nm,而其他参数不变的情况下,整体结构的反射率曲线图。从图中可见,两层光栅
间距d是可以通过优化得到最佳值的,相比于上述间距d为315nm的结果,无论是间距d为
350nm还是250nm,都存在部分波段的反射率小于95%的情况,也就是说虽然能够满足上下
两层高折射率差光栅对应反射率大于95%的波段主体部分不相同,但是并不满足反射光谱
重合点处的总体反射率也大于95%,如此将影响反射器的使用性能。
0.7,下层高折射率差光栅2为TiO2光栅,厚度为241nm,周期为360nm,占空比为0.69。其余空
间为空气填充。整体结构的周期为3600nm。
的反射率‑波长曲线。其中虚线为上层高折射率差光栅1对应的反射率曲线图,在589‑831nm
处,反射率大于95%,相对带宽34%。点线为下层高折射率差光栅2对应的反射率曲线图,在
526‑757nm处,反射率大于95%,相对带宽36%。实线为整体结构的反射率光谱图。通过严格
耦合波模型理论计算优化得到,当两层高折射率差光栅之间的间距为475nm时,可实现最佳
效果:536‑840nm处,反射率大于95%,相对带宽44%。可实现覆盖可见光至近红外范围的宽
带反射的效果。
占空比为0.78;中层高折射率差光栅4为TiO2光栅,厚度为184nm,周期为280nm,占空比为
0.73;下层高折射率差光栅2为TiO2光栅,厚度为275nm,周期为400nm,占空比为0.7。上层和
中层光栅之间间距为375nm,中层光栅和下层光栅之间间距为260nm。其余空间为空气填充。
整体结构的周期为2800nm。
振光的反射率‑波长曲线。其中虚线为上层高折射率差光栅1对应的反射率曲线图,在380‑
460nm处,反射率大于95%,相对带宽19%。点线为中层高折射率差光栅4对应的反射率曲线
图,在430‑600nm处,反射率大于95%,相对带宽33%。虚点线为下层高折射率差光栅2对应
的反射率曲线图,在590‑860nm处,反射率大于95%,相对带宽37%。实线为整体结构的反射
率光谱图。通过严格耦合波模型理论计算优化得到,上层和中层光栅之间间距为375nm,中
层光栅和下层光栅之间间距为260nm时,可实现最佳效果:400‑860nm处,反射率大于95%,
相对带宽73%。可实现覆盖整个可见光至近红外范围的宽带反射的效果。
大于多个单层高折射率差光栅对应高反射率带宽相加的效果,实现覆盖整个可见光或可见
光到红外波段的反射率大于95%的宽带反射器,并且具有无损耗,反射率高,带宽较宽,成
本较低的特点。