利用无序获得更低折射率比范围内的全向反射

　目前所使用的反射镜主要有2种类型,金属镜和多层介质反射镜.金属镜在很宽的频率范围内对任意角度的入射光线都具有高反射特性,但是它在红外和可见光波频率范围内具有较大的吸收损耗.与金属反射镜相比,多层介质反射镜一般吸收损耗很小,在特定波段具有很高的反射率,但这种反射镜对于入射角很敏感,特别是在Brewster角度附近对横磁波(P偏振)分量的反射率接近于零,具有一定的局限性.

    自Yablonovitch和John提出光子晶体概念后,光子晶体越来越受到人们的重视.光子晶体是由折射率周期性变化的材料构成,高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙,类似于半导体中的禁带,光子晶体带隙的存在使得频率处在带隙内的电磁波无法在晶体中传播[1,2].Fink等指出一维光子晶体也具有全方向的三维能隙结构,即一维光子晶体能对从垂直入射到掠入射全角度范围内的某波段内的TE波和TM波都具有很高的反射率[3~5].因此一维光子晶体可以用来实现全向反射,用一维光子晶体的全向反射特性可以制成多种光子器件,提高光学器件的性能[6,7].

    最典型的周期性介质反射镜是用光学厚度为1/4波长的高低2种折射率的材料交替排列形成的λ/4膜系,它是一维光子晶体的特例,当选择材料适当时,这种周期λ/4膜系可用来实现一定频率范围内的全向反射.但是随着入射角的增大,它的反射带会向短波方向移动并且TE波和TM波的反射带将发生分离[8],因此要实现对于任意入射角和任意偏振的光波都具有很高的反射,需要材料的折射率比尽可能高.Kim和Lekner分别指出只有当高折射率大于2.26和2.247时,才可能实现全向反射[8,9],但实际上,在可见光波段由于受材料折射率的限制,要获得宽带全向反射镜是比较困难的.周期性结构决定了禁带位置和宽度对入射角度相当敏感[10],因此这种膜系存在一些实用限制.理论和实验表明无序λ/4膜系反射镜(这种无序是指在多层薄膜里2种电介质的平均光学厚度为λ/4,而具体某一层的厚度则无序)将具有比标准λ/4膜系反射镜更宽的高反射范围[2,11,12].因此,笔者在λ/4膜系的基础上引入了非周期结构,设计了高斯分布的膜系,它能够在折射率比较低的条件下,获得全角度范围内的高反射.采用非周期膜系的设计思想,一方面可以拓展制备全向高反膜的材料选用范围,另一方面可以展宽高反射带的带宽.

    1　全向反射镜的设计

    由于光子晶体的光子禁带主要依赖于介电常数的配比和光子晶体的结构.一般来说,光子晶体中2种电介质折射率相差越大,入射电磁波将被散射得越强烈,就越有可能出现光子禁带.但是晶体的几何构形对禁带的宽度也是一个非常重要的因素,光子晶体的几何构形的对称性越差,其能带简并度就越低,就越容易出现光子禁带.因此在介电常数给定的情况下,可以通过适当改变晶体的内部周期性结构,得到需要的禁带结构.本文中,笔者希望设计出低折射率比下可见光波段内的全向高反膜,因此所选用的高折射率材料是TiO2,对应的折射率为nH=2.16;低折射率材料是SiO2,对应的折射率为nL=1.44.采用解析和自动设计相结合的方法,在传统λ/4膜系的设计基础上,通过改变膜系的周期结构来设计中心波长为583 nm的全向高反膜.理论和实际计算均表明,初始膜系的光学性能对最终的优化结果有很大的影响,因此要得到理想的设计目标,首先要选择好的初始膜系.构想了3种不同的初始膜系,利用filmstar膜系设计软件对初始膜系进行优化,并对优化结果进行比较,发现高斯分布的膜系优化后得到的反射率最高,而且更为平坦.同时考虑到层数的增加会引起吸收的增加,经过综合平衡,最后以高斯膜系为初始膜系,通过优化设计了31层的薄膜.膜系的各层厚度如图1所示.