一种宽带反射器及电磁波反射方法技术

本发明专利技术涉及一种宽带反射器及电磁波反射方法，反射器包括基底、平行于所述基底设置的两层或者多层高折射率差光栅，各层高折射率差光栅之间以及最下层高折射率差光栅距离所述基底之间都有一定间隔。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。本发明专利技术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，可调滤波器等光学领域器件的加工及设计有很大的帮助。

A broadband reflector and method of electromagnetic wave reflection

【技术实现步骤摘要】
一种宽带反射器及电磁波反射方法
本专利技术属于集成光学
，具体涉及一种基于两层及两层以上的级联反射式光栅的，能够在激光器、高光谱成像、可调滤波器等众多领域进行应用的宽带反射器。
技术介绍
宽带反射器用于实现特定波长电磁波的反射，是重要的光学元件，在激光器、高光谱成像、可调滤波器等众多领域都有广泛的应用。比较常见的一种是使用金属反射镜，例如银或铝，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。2004年加利福尼亚大学ConnieJ.Chang-Hasnain首次提出来使用硅材料做光栅，SiO2做衬底，形成高折射率差光栅(HCG)，从而实现红外波段1.33-1.8μm处的高反射率，该波段的反射率大于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EhsanHashemi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。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术选用在可见光至近红外波段具有高折射率且无损耗的材料来实现高折射率差光栅反射器，巧妙的将对应于相邻波段的多个高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。具体地，本专利技术的宽带反射器包括基底、两层或者多层高折射率差光栅；其中，所述两层或者多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。进一步，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，针对可见光波段优选为GaN或者TiO2，针对红外波段优选为Si。优选地，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。特别地，针对可见光波段，周期范围为200-500nm；针对红外波段，周期范围为400-800nm。对于整个宽带反射器来说，工作波段能够覆盖可见光波段或者覆盖可见光至红外波段。所述高反射率波段的反射率可以达到大于95％。相应地，本专利技术还提出一种使电磁波反射的方法，包括：构建两层或者多层高折射率差光栅，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，并经所述两层或者多层高折射率差光栅反射。其中，所述方法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的步骤。进一步，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，针对可见光波段优选为GaN或者TiO2，针对红外波段优选为Si。优选地，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。特别地，针对可见光波段，周期范围为200-500nm；针对红外波段，周期范围为400-800nm。对于上述使电磁波反射的方法来说，能够适用可见光波段或者可见光至红外波段。同时，所述高反射率波段的反射率能够达到大于95％。本专利技术通过将两个及以上对应相邻波段带宽的宽带反射高折射率差光栅进行巧妙的级连，可以实现覆盖整个可见光或可见光到红外波段的宽带反射器。与现有技术相比，本专利技术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。上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明；图1是本专利技术宽带反射器结构示意图；图2是本专利技术宽带反射器结构模型图；图3是本专利技术实施例1的仿真结果图；图4是本专利技术实施例1两层高折射率差光栅间距变化的仿真结果图；图5是本专利技术实施例2的仿真结果图；图6是本专利技术实施例3的宽带反射器结构示意图；图7是本专利技术实施例3的仿真结果图。附图标记：1-上层高折射率差光栅、2-下层高折射率差光栅、3-基底、4-中层高折射率差光栅。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都应当属于本专利技术保护的范围。本专利技术宽带反射器的核心结构为平行于基底3的两层或者多层高折射率差光栅，例如说明书附图1中的上层高折射率差光栅1和下层高折射率差光栅2。所述两层或多层高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。参见说明书附图1所示，宽带反射器包括材质为TiO2的上层高折射率差光栅1，材质为TiO2的下层高折射率差光栅2，材质为硅的基底3。两层高折射率差光栅均平行于基底设置，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，从而两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带反射器，包括基底、两层或者多层高折射率差光栅；/n其中，所述两层或者多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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种宽带反射器，包括基底、两层或者多层高折射率差光栅；
其中，所述两层或者多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，针对可见光波段优选为GaN或者TiO2，针对红外波段优选为Si。


3.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。优选地，针对可见光波段，周期范围为200-500nm；针对红外波段，周期范围为400-800nm。


4.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波段或者覆盖可见光至红外波段。


5.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％。


6.一种使电磁波反射的方法，包括：
构建两层或者多层高折射率差光栅，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光元，师星哲，鲁远甫，张锐，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44