專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)介質(zhì)膜反射鏡，特別是涉及一種用于激光器中的無(wú)序多層介質(zhì)膜高反射鏡及其制備方法。多層介質(zhì)膜高反射鏡是目前廣泛應(yīng)用于各類(lèi)激關(guān)器及光學(xué)儀器中的一種光學(xué)元件。它是把具有高，低折射率的兩種介質(zhì)材料，分別以光學(xué)厚度為四分之一中心波長(zhǎng)的厚度交替在基底材料上制成的。如文獻(xiàn)Pochi YehOptical Wgves in layered media(Wiley，New York，1988)由于反射光的相長(zhǎng)干涉，在中心波長(zhǎng)左右一定波段上，這種多層膜的反射率可達(dá)99％以上，它的主要優(yōu)點(diǎn)是反射率高，損耗小。主要缺點(diǎn)是對(duì)每一塊高反鏡只能在一個(gè)有限的波長(zhǎng)范圍里有高的反射率，這個(gè)工作范圍一般是一百多納米左右，因此在某些應(yīng)用中，如寬帶調(diào)頻激光器，寬帶法卜利-白洛干涉儀等，就必須準(zhǔn)備幾種不同工作波段的高反膜。這不但增加成本，而且更換高反鏡也給使用帶來(lái)諸多不便。
針對(duì)多層介質(zhì)膜高反鏡工作區(qū)域較窄的問(wèn)題，目前可以用把不 同中心波長(zhǎng)的四分之一波長(zhǎng)膜系鍍?cè)谕唤橘|(zhì)或金屬基底上來(lái)解決。但這種擴(kuò)展工作波長(zhǎng)的方法手續(xù)繁雜，在連接區(qū)還要加鍍特殊的耦合層以防止透射峰的出現(xiàn)，因而在實(shí)用上受一定限制。又如文獻(xiàn)光學(xué)薄膜原理， 林永昌，盧維強(qiáng) 編著國(guó)防工業(yè)出版社， 1990年5月 北京本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，為了拓寬多層介質(zhì)膜高反鏡工作區(qū)域，使一塊高反鏡在幾百納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都具有高反射率，而在制備該膜時(shí)又無(wú)需在不同波長(zhǎng)連接處加鍍特殊的耦合層，以防止透射峰的出現(xiàn)，從而提供一種由具有高和低折射率的兩種介質(zhì)材料交替鍍?cè)谕唤橘|(zhì)或金屬基底上N層介質(zhì)膜高反鏡，以及根據(jù)所要求的反射中心波長(zhǎng)位置確定鍍膜材料，再由所要求的高反射區(qū)的寬度確定無(wú)序度，并根據(jù)中心波長(zhǎng)，鍍膜材料的折射率及無(wú)序度選取一組膜厚分布，用光學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣方法計(jì)算出它的反射率，以驗(yàn)證在所需的高反區(qū)有好的反射率，并進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整這些層的層厚及先后次序使層厚分布最佳化的無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡的制備方法。
本發(fā)明的任務(wù)是這樣實(shí)現(xiàn)的無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡是由介質(zhì)材料或金屬材料做為基片，在其基片上采用真空鍍膜鍍上由兩種介質(zhì)材料，按預(yù)先決定的無(wú)序度和所鍍介質(zhì)材料的折射率確定的層厚交替鍍上N層，N層可以是20-100層。
具體制備步驟根據(jù)要求的反射區(qū)的中心波長(zhǎng)決定鍍膜材料，根據(jù)要求的反射區(qū)的寬度確定多層膜的無(wú)序度DD={1/mΣi=1m[(Li-L)2+(Hi-H)2]}1/2·1L+H]]>其中m是同一反射鏡上每種材料鍍層的總層數(shù)，Li，Hi分別為低和高折射率材料第i層的厚度，L，H分別為低和高折射率材料鍍層的平均厚度 nL，nH分別為兩種材料的折射率，λ0是反射的中心波長(zhǎng)。
從D和L，H可以選定兩種材料每層的實(shí)際厚度。在選定一組實(shí)際厚度值之后，用光學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣的方法，計(jì)算出它的反射率隨入射波長(zhǎng)的變化曲線(xiàn)，以驗(yàn)證在所需的高反射區(qū)有完善的反射率，并進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整這些厚度值及其先后次序來(lái)使其最佳化。最后把最佳化的數(shù)據(jù)輸入到真空鍍膜機(jī)的計(jì)算機(jī)內(nèi)，以便控制每一層低和高折射率介質(zhì)材料膜層交替地鍍?cè)诨撞牧仙稀?br> 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡的制備方法是根據(jù)周期性多層介質(zhì)膜中存在的無(wú)序時(shí)的光子定域效應(yīng)來(lái)制作的。


圖1是無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖1中①-基片，它為金屬或非金屬介質(zhì)材料；②-低折射率介質(zhì)膜層；③-高折射率介質(zhì)膜層；④-低；⑤-高；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于與普通的四分之一波長(zhǎng)多層膜相比，本發(fā)明的方法有2個(gè)主要特點(diǎn)1)各層膜的厚度是隨意選取的，只要求它們的平均光學(xué)厚度為四分之一反射中心波長(zhǎng)。2)用無(wú)序度來(lái)表征無(wú)序多層膜與普通四分之一波長(zhǎng)膜的差別。D越大差別越大，相應(yīng)的高反射區(qū)的范圍也大，但不適當(dāng)?shù)腄會(huì)帶來(lái)反射率的絕對(duì)值下降，因此，在要求既有高的反射率，又有寬的高反射區(qū)時(shí)，D的選取必須適當(dāng)。用這種設(shè)計(jì)制成的無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡能比以往的普通四分之一波長(zhǎng)多層膜高反射鏡要寬近一倍(見(jiàn)實(shí)施例)這樣，在需要寬帶調(diào)頻的各類(lèi)激光器及光學(xué)儀器上，用一塊這樣的高反鏡能替代多塊目前所用的不同中心波長(zhǎng)的高反鏡，既降低了鍍膜的成本 和復(fù)雜程度，又使使用者用起來(lái)更方便，不必經(jīng)常更換反射鏡，重調(diào)光路。
實(shí)施例1制備一塊中心反射波長(zhǎng)680納米的無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡，其組成由TiO2和SiO2膜交替鍍24個(gè)周期，鍍?cè)诠鈱W(xué)玻璃基底上。
制備步驟如下所有24層SiO2膜層的厚度都相同，并等于117納米，即L＝λ0/4nL＝117納米，其中λ0＝680納米。
所有24層TiO2膜層的厚度各不相同。根據(jù)無(wú)序度D＝0.15，平均厚度H＝λ0/4nH＝74納米以及厚度按高斯分布取值的原則，確定24層膜層的實(shí)際厚度，其厚度值見(jiàn)附表1。
把選定的TiO2的不同厚度的膜層與相同厚度的SiO2膜層交替真空鍍?cè)诓ＡЩ咨希⑹筎iO2膜層按從薄到厚的次序先后鍍制。
主要結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)薄膜理論計(jì)算得到的反射率隨波長(zhǎng)改變見(jiàn)圖2，曲線(xiàn)a為無(wú)序膜的，b為普通四分之一波長(zhǎng)反射鏡的。無(wú)序膜的高反區(qū)加寬了約150nm。
圖2，24周期，D＝0.15的TiO2-SiO2無(wú)序多層膜反射鏡的反射曲線(xiàn)及其與相同周期數(shù)的四分之一波長(zhǎng)反射鏡的比較。附表1TiO2材料24層膜的膜厚值層次 厚度(納米) 層次 厚度(納米)1 13.6 13 75.22 27.2 14 76.73 33.7 15 81.34 40.2 16 87.35 51.3 17 93.26 53.1 18 947 53.8 19 94.88 54.6 20 100.79 56.4 21 110.510 66.5 22 114.111 71.1 23 117.712 72.6 24 134.2
實(shí)施例2制備一塊中心反射波長(zhǎng)1微米的無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡，其組成為ZnS和MgF2，它們交替鍍?cè)诠鈱W(xué)玻璃基底上，共24個(gè)周期。
制備步驟如下所有24層MgF2膜層的厚度都相同，并等于181納米，即L＝λ0/4nL＝181納米，其中λ0＝1微米。
所有24層ZnS膜層的厚度各不相同。根據(jù)無(wú)序度D＝0.15，平均厚度H＝λ0/4nH＝106納米以及厚度按高斯分布取值的原則，確定24層膜層的實(shí)際厚度。
把選定的ZnS的不同厚度的膜層與相同厚度的MgF2膜層交替真空鍍?cè)诓ＡЩ咨希⑹筞nS膜層按從薄到厚的次序先后鍍制。
主要結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)薄膜理論計(jì)算的反射率隨波長(zhǎng)的變化見(jiàn)圖3，曲線(xiàn)a為無(wú)序膜的，b為相同周期數(shù)目的四分之一膜反射鏡的。高反區(qū)的寬度增加了約240納米。
圖3，24周期，D＝0.15的ZnS-MgF2無(wú)序多層膜反射鏡的反射曲線(xiàn)及其與相同周期數(shù)的四分之一波長(zhǎng)反射鏡的比較。
實(shí)施例3按實(shí)施例1的方法制備一塊中心波長(zhǎng)在680納米的無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡，其組成為T(mén)iO2和SiO2，它們交替鍍?cè)诠鈱W(xué)玻璃基底上，共30個(gè)周期。(實(shí)施例1為24個(gè)周期)。所有SiO2膜層的厚度均相同為117納米，而TiO2膜層的厚度各不相同。按無(wú)序度D＝0.15，平均膜厚74納米以及厚度按高斯分布取值的原則，確定30層TiO2膜層的實(shí)際厚度，在真空鍍膜時(shí)按從薄到厚的次序先后鍍制。
主要結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)薄膜理論計(jì)算得到，當(dāng)中心波長(zhǎng)為680納米時(shí)，這塊無(wú)序多層介質(zhì)膜反射鏡大于90％反射率的范圍從450-950納米，其寬度為500納米；大于99％反射率的范圍從550-900納米，其寬度為350納米。
圖4，30個(gè)周期，D＝0.15的TiO2-SIO2無(wú)序多層膜反射鏡的反射曲線(xiàn)。
實(shí)施例4制備一塊中心反射波長(zhǎng)680納米的雙無(wú)序多層介質(zhì)膜寬帶光學(xué)反射鏡，其組成由TiO2和SiO2，它們交替鍍?cè)诠鈱W(xué)玻璃基底上，共30個(gè)周期。
制備步驟如下所有30層SiO2膜層的厚度各不相同。根據(jù)無(wú)序度D＝0.29，平均厚度L＝λ0/4nL＝117納米λ0＝680納米以及厚度按高斯分布取值的原則，確定30層膜SiO2層的實(shí)際厚度。
所有30層TiO2膜層的厚度也各不相同。但它們的平均厚度H＝λ0/4nH＝74納米。TiO2每層的厚度是根據(jù)下列原則來(lái)決定的在每個(gè)周期中SiO2和TiO2層的光學(xué)厚度相同，即nL·Li＝nH·Hi，nL，nH分別為SiO2和TiO2的折射率。Li，Hi是第i層的SiO2和TiO2的實(shí)際厚度。
把選定的SiO2和TiO2的不同厚度的膜層交替鍍?cè)诓ＡЩ咨?，兩種膜層都按從薄到厚的次序先后鍍制。
主要結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)薄膜理論計(jì)算得出，在中心波長(zhǎng)680納米時(shí)，在450-1100納米范圍內(nèi)反射率均高于80％。
圖5，30個(gè)周期，D＝0.29的TiO2-SiO2雙無(wú)序多層膜反射鏡的反射曲線(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種在介質(zhì)或金屬基片上蒸鍍介質(zhì)薄膜的無(wú)序多層寬帶光學(xué)反射鏡，其特征在于利用具有高或低折射的兩種介質(zhì)材料交替鍍?cè)谕环N介質(zhì)或金屬基底上N層介質(zhì)膜組成。
2.按權(quán)利要求1.所述的無(wú)序多層寬帶光學(xué)反射鏡，其特征在于所說(shuō)的高、低折射率介質(zhì)材料是TiO2、SiO2、MgF2、Zns、ZrO2、冰晶石。
3.一種制備按權(quán)利要求1.無(wú)序多層寬帶光學(xué)反射鏡的方法，其特征在于根據(jù)要求的反射區(qū)的中心波長(zhǎng)決定鍍膜材料，根據(jù)要求的反射區(qū)的寬度確定多層膜的無(wú)序度DD={1/mΣi=1m[(Li-L)2+(Hi-H)2]}1/2·1L+H]]>其中m是同一反射鏡上每種材料鍍層的總層數(shù)，Li，Hi分別為低和高折射率材料第i層的厚度，L，H分別為低和高折射率材料鍍層的平均厚度 nL，nH分別為兩種材料的折射率，λ0是反射的中心波長(zhǎng)。從D和L，H可以選定兩種材料每層的實(shí)際厚度。在選定一組實(shí)際厚度值之后，用光學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣的方法，計(jì)算出它的反射率隨入射波長(zhǎng)的變化曲線(xiàn)，以驗(yàn)證在所需的高反射區(qū)有完善的反射率，并進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整這些厚度值及其先后次序來(lái)使其最佳化。最后把最佳化的數(shù)據(jù)輸入到真空鍍膜機(jī)的計(jì)算機(jī)內(nèi)，以便控制每一層低和高折射率介質(zhì)材料膜層交替地鍍?cè)诨撞牧仙稀?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)介質(zhì)膜反射鏡，特別是涉及一種用于激光器中的無(wú)序多層介質(zhì)膜高反射鏡及其制備方法。本發(fā)明的目的為了拓寬多層介質(zhì)膜反射鏡的工作區(qū)域，而在制膜時(shí)又無(wú)需在不同波長(zhǎng)連接處加鍍特殊的耦合層，從而提供一種由具有高、低折射率的介質(zhì)材料交替鍍?cè)诨螻層的高反射鏡，以及制備該高反鏡的方法。本發(fā)明的方法所制高反鏡比普通四分之一波長(zhǎng)高反鏡要寬約一倍；可以在各類(lèi)激光器和光學(xué)儀器上用一塊該鏡代替多塊不同波長(zhǎng)的高反鏡，既降低成本，又簡(jiǎn)化鍍膜程序；以及給使用者帶來(lái)方便。
文檔編號(hào)G02B5/08GK1136172SQ9510530
公開(kāi)日1996年11月20日 申請(qǐng)日期1995年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月19日
發(fā)明者張道中, 李兆林, 胡煒, 陳丙英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所