一种具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜及其制备方法

本发明属于光学薄膜，具体的说，涉及一种具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜及其制备方法。

背景技术：

1、在光学器件中，增透膜是一种常用的功能薄膜，可以在特定波长范围内实现光的透射。在一些特定的应用中，如太阳能电池板、液晶显示器等光学器件中，需要使用具有宽光谱增透性能的增透膜，以提高光电转换效率或者显示效果。

2、目前，常用的增透膜主要包括单层膜、多层膜和多层干涉膜等。其中，多层干涉膜由多个薄膜层叠加而成，通过各层薄膜的厚度和折射率的调节，可以实现特定波长下的反射和透射，具有宽光谱增透的优点。然而，目前的多层干涉膜在应用中存在一些问题，其中一个主要问题是偏振灵敏度。在光的传播过程中，会产生不同偏振方向的光波，而多层干涉膜对不同偏振方向的光波反应不同，会导致光学性能的变化。因此，需要开发一种具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜，以满足实际应用的需求。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，提高光学系统中透过率和降低其偏振灵敏度，本发明的目的是提供一种具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜，其通过运用折射率不同的多层膜干涉原理消除基底与空气折射率不匹配的缺陷，从而实现宽光谱的增透效果；通过在设计实验时分别对p光和s光的透过率为目标进行优化降低薄膜的偏振灵敏度。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、本发明提供一种具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜，其包括透明基底、致密干涉多层膜层、以及超低折射率膜层；致密干涉多层膜用于调控宽光谱的干涉效应以增强光谱透过率，超低折射率膜与致密干涉多层膜协同作用以最小化反射率；其以薄膜材料色散曲线为基础进行光学薄膜设计，通过在透明基底上依次沉积致密干涉多层膜和超低折射率膜获得；其中：

4、所述致密干涉多层膜层为多层膜结构，由高折射率膜h和低折射率膜l以hl方式交替沉积形成；高折射率膜选自硒化锌、硅、锗、氧化钛、氧化铪、氧化钽、氧化铌或氮化硅中的一种或几种，低折射率膜选自氟化镁、氟化钇、二氧化硅、氧化铝或一氧化硅中的一种或几种；

5、所述超低折射率膜层为折射率超低的草状氧化铝薄膜。

6、本发明中，透明基底为使200~2500 nm波长范围内的光能最大限度地透过的透明材料，透过率大于85%。透明基底为玻璃、石英、蓝宝石等透光材料。

7、本发明中，致密干涉多层膜的厚度为100~500 nm。

8、本发明中，超低折射率膜层的厚度为50~300 nm，折射率为1.10~1.18。

9、本发明中，超低折射率膜层中的草状氧化铝薄膜可替换为倾斜沉积和仿生结构方法制备的薄膜。

10、本发明还提供一种具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜的制备方法，包括以下步骤：

11、1）采用原子层沉积方法制备出单层氧化铝薄膜，利用加热去离子水对氧化铝薄膜进行浸泡，使其形成草状氧化铝结构；再利用光谱、椭偏方法对草状氧化铝的等效折射率及厚度进行建模，形成材料参数，即等效多层膜的每层厚度及折射率分布；

12、2) 根据公式可获取薄膜的偏振灵敏度：其中 tp和 ts分别表示当一束完全线偏振光入射到一个光学系统中时，出射光中p光和s光的光强透过率；

13、3）以草状氧化铝和薄膜基底的材料参数为基础，以光谱范围内薄膜的高透过率（大于99%）和低偏振灵敏度（小于1%）为优化目标，选择合适的高折射率膜h、低折射率膜l进行致密干涉多层膜层的优化设计，其中光谱范围一般指在200~2500 nm波长范围内根据增透器件的需求的目标波长进行选取，如硅基探测器的增透膜通常选取400~1100 nm的波长范围进行增透设计；

14、4）在film wizard，optilayer , essential macleod等薄膜设计软件中设定优化目标，同时

15、输入初始膜系结构，通过薄膜设计软件进行优化，确定致密干涉多层膜层的特定的多层膜结构；其中：初始膜系结构为(hl)n e, 其中h为四分之一参考波长光学厚度的高折射率膜层， l为四分之一参考波长光学厚度的低折射率膜层，n为交替的周期数，e为超低折射率材料；

16、5) 在薄膜基底上交替沉积由高折射率膜h和低折射率膜l组成的优化设计的致密干涉多层膜层，并采用原子层沉积方法在致密干涉多层膜层上镀制氧化铝薄膜；

17、6) 将步骤5）中镀制氧化铝薄膜后的样品放入加热去离子水中进行浸泡，使最表面的氧化铝变成折射率超低的草状氧化铝，获得超低折射率膜层。

18、本发明中，步骤1）和步骤5）中，浸泡温度为70-90℃，浸泡时间为10-60min。

19、本发明中，步骤3）中，薄膜设计软件选自film wizard、optilayer或 essentialmacleod中的一种。

20、本发明中的透明基底用于透过目标波长的光能，致密干涉多层膜用于调控宽光谱的干涉效应，以增强光谱透过率；超低折射率膜与致密干涉多层膜协同作用，最大化透过率；本发明使用film wizard，optilayer , essential macleod等薄膜设计软件设定优化目标，同时输入初始膜系结构，即多层膜干涉膜层加最外层的超低折射率膜层，进而通过薄膜软件进行优化，软件即给出具体的膜层厚度，即可得到特定的多层膜结构；与现有技术相比，本发明具有如下优点：

21、1）制备方法简单，成本低廉，可操作性强；

22、2）使用原子层沉积技术可以精确控制膜的性能，并可根据实际需要进行设计和调整；

23、3）本发明中的宽光谱增透膜在偏振角度为30~60°入射时，透过率变化在2.5%以内，具有很好的宽光谱增透效果和低偏振依赖特性，可用于各种光学器件中。

技术特征：

1.一种具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜，其特征在于：其包括透明基底、致密干涉多层膜层、以及超低折射率膜层；致密干涉多层膜用于调控宽光谱的干涉效应以增强光谱透过率，超低折射率膜与致密干涉多层膜协同作用以最小化反射率；其以薄膜材料色散曲线为基础进行光学薄膜设计，通过在透明基底上依次沉积致密干涉多层膜和超低折射率膜获得；其中：

2.根据权利要求1所述的具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜，其特征在于，透明基底选自玻璃、石英或蓝宝石中任一种。

3.根据权利要求1所述的具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜，其特征在于，超低折射率膜层的厚度为50~300nm，折射率为1.10~1.18。

4.根据权利要求1所述的具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜，其特征在于，超低折射率膜层中的草状氧化铝薄膜可替换为倾斜沉积和仿生结构方法制备的薄膜。

5.根据权利要求1所述的具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜，其特征在于，其在偏振角度为30~60°入射时，透过率变化在2.5%以内。

6.一种根据权利要求1所述的低偏振依赖特性的宽光谱增透膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1）和步骤4）中，浸泡温度独立为70-90℃，浸泡时间为10-60min。

8. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，薄膜设计软件选自filmwizard、optilayer或 essential macleod中的一种。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，根据增透器件的需要在200~2500 nm波长范围内选取光谱范围。

技术总结
本发明公开了一种具有低偏振依赖特性的宽光谱增透膜及其制备方法；所述宽光谱增透膜包括石英基底、致密干涉多层膜层和超低折射率膜层；其中，致密干涉多层膜用于调控宽光谱的干涉效应以增强光谱透过率；超低折射率膜与致密干涉多层膜协同作用，最小化反射率；制备方法为：以透过率比较高的材料作为基底，以薄膜材料色散曲线为基础进行光学薄膜设计；采用薄膜沉积设备在基底上依次制作出致密干涉多层膜和超低折射率膜。本发明的薄膜结构的优点在于可实现薄膜宽光谱高增透和低偏振依赖的特性。且薄膜制备工艺简单，工业兼容性强，制作成本低，易于实现批量生产，在光学系统和光学器件制备等方面有较高应用潜力。

技术研发人员：蔡清元,杨雨婷,郑玉祥,刘定权,陈良尧,高凌山,胡二涛,张荣君,刘保剑
受保护的技术使用者：复旦大学义乌研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16