一種金納米棒光學薄膜的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種金納米棒光學薄膜，屬于光學薄膜材料【技術領域】。一種金納米棒光學薄膜，光化學薄膜中金納米棒呈周期排列。其優點是：本發明對不同偏振的入射波具有不同的等效折射率，故可以制造其它器件如偏振器件、雙折射器件等，在光學薄膜領域，其容易實現折射率匹配，從而達到鍍膜層數較少的情況下具有較高透過率。
【專利說明】一種金納米棒光學薄膜
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學薄膜材料【技術領域】，尤其涉及一種金納米棒光學薄膜。
【背景技術】
[0002]光學薄膜是用物理或化學方法涂鍍在玻璃或金屬光滑表面上的透明介質膜。光學薄膜利用光波在薄膜中的反射、折射及疊加干涉可以達到減反或增反的效果，還可以起到分光、濾光、調整光束偏振或相位狀態等作用。光學薄膜在近代科學技術中有廣泛的應用，但是如何減少光波傳播過程中的反射也成為了現代光學中的重要課題。
[0003]光波在傳播過程中無反射的狀態稱為匹配，根據波動光學平行平板的多光束干涉理論，當光波從折射率為Iitl的介質入射到折射率為ne的介質時，對于單層膜，要使膜系的反射比為零，起到全增透作用需滿足H2=Htft且?=λ/4，其中，η為膜折射率，λ為入射波長，h為膜層厚度。對于nd ne=l.5的典型情況，其n=l.22，但目前還找不到這種低折射率的材料，通常使用的低折射率材料是氟化鎂，其折射率為1.38，反射率為1.3%，仍不能滿足全增透條件。
[0004]而對于多層四分之一波長涂層，要求膜系中的各層折射率滿足其中i為層數。多層四分之一波長膜系可采用契比雪夫設計或二項式設計，然而因為難于找到具有所要求的折射率的多種低損耗材料而難以實現。
[0005]一種在光學涂層中易于實現的方法是由兩種折射率的涂層交替涂覆所構成的周期性多層膜系，它既可做成增透膜又可做成高反膜。然而，此方法要達到較好效果需要的膜層較多，對鍍膜技術要求較高，例如氦氖激光器諧振腔的反射鏡涂層通常達15至19層，反射率為99.6%(郁道銀，談恒英.工程光學.第二版.北京:機械工業出版社，2006.p333)。
[0006]近年來，關于低折射率膜的報道很多，如“Nanostructured MultilayerTailored-Refractive-1ndex Antireflection Coating for Glass with Broadbandand Omnidirectional Characteristics, S.Chhajed et al., App1.Phys.Express, 4，2011，052503，，、“Light_Extraction Enhancement of GaInN Light-EmittingDiodes by Graded-Refractive-1ndex Indium Tin Oxide Ant1-Reflection Contact,Jong Kyu Kim et al, ,Adv.Mater.，2008，20，801 - 804，，、“Realization of a Near-perfectAntireflection Coating for Silicon Solar Energy Utilization, Me1-Ling Kuo etal.，Opt.Lett.,2008，21 (33) ,2527-2529”等。然而此類報道中低折射率材料均為傾斜納米棒，通過納米棒傾斜角控制折射率大小，但傾斜納米棒一方面朝向各異、難于制造；另一方面需要一層基底支撐，故其膜與膜之間存在著一層基底，膜層連續性差，影響著多層膜的透射效果。
【發明內容】
[0007]針對現有技術中存在膜層少時透過率不高的問題，本發明的目的是提供一種金納米棒光學薄膜。
[0008]本發明的目的通過下述技術方案實現:[0009]一種金納米棒光學薄膜，光化學薄膜中金納米棒呈周期排列。
[0010]所述光學薄膜的厚度為81.65?195nm。
[0011]所述金納米棒的半徑為5?20nm,金納米棒的間距為8.3?44.9nm。
[0012]所述周期排列為線狀周期排列或網狀周期排列，其周期尺寸小于入射波長的十分
之一 O
[0013]所述入射波長為400?953.7nm。
[0014]本發明的金納米棒為圓柱型，其周期尺寸d—般小于λ/10，λ為入射波長。
[0015]金納米棒的周期排列的示意圖如圖1-4所示，其中圖1與圖2中金納米棒的周期排列為線狀周期排列，圖3與圖4中金納米棒的周期排列為網狀周期排列。
[0016]周期排列的金納米棒的半徑及排列周期不同時，其等效折射率也不同。為使其在入射波長為λ時實現全增透，當光波從折射率為Iitl的介質入射到折射率為ne的介質時，膜厚h應滿足η1ι=λ/4,其中Ii2=Iwn為膜折射率。膜厚應為金納米棒排列周期尺寸d的整數倍,即h=md,m為正整數。m太小時周期尺寸d不滿足等效介質條件d < λ/10,m太大時d太小,制造困難，綜合考慮等效條件及膜層制造復雜性，一般取m=3或m=4，從而確定周期尺寸d的大小。
[0017]確定周期尺寸d的大小后，對金納米棒半徑r進行優化。金納米棒半徑不同時，其等效折射率也不同。故改變金納米棒半徑，膜層透射率隨之變化；選取適當的采樣間隔，可獲取一組膜層透過率隨金納米棒變化的數據，利用最小二乘法得到擬合曲線，透過率峰值位置處的金納米棒半徑即為優化值。
[0018]本發明具有以下優點和積極效果:
[0019]1、通過改變金納米棒半徑及排列周期，可以更改其透過率，例如對于周期尺寸d=38.3nm,金納米棒半徑在5nm至14nm時,可使膜層等效折射率在波長為563.6nm時達到
1.05?1.4，故其非常容易實現多種波段、以及大、中、小多種折射率光學材料的完美匹配，極大地豐富了增透膜的適用范圍。
[0020]2、隨著制造技術的成熟與進步，其有望直接作為光學透鏡材料使用，因此擴充了光學材料范圍，對成像相關研究具有重要意義。
[0021]3、金納米棒線性周期排列時，對不同偏振的入射波具有不同的等效折射率，故可以制造其它器件如偏振器件、雙折射器件等。
[0022]4、本發明在光學薄膜領域，其容易實現折射率匹配，從而達到鍍膜層數較少的情況下具有較高透過率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明中金納米棒呈線性周期排列的示意圖。
[0024]圖2是本發明中金納米棒呈線性周期排列的主視圖。
[0025]圖3是本發明中金納米棒呈網狀周期排列的示意圖。
[0026]圖4是本發明中金納米棒呈網狀周期排列的俯視圖。
[0027]圖5是實施例1中入射波長為563.6nm時，光學薄膜中金納米棒半徑與其透過率的關系曲線圖。
[0028]圖6是實施例1中三種玻璃的電場分布圖，其中(a)不鍍膜的玻璃的電場分布圖，(b)鍍氟化鎂膜的玻璃的電場分布圖，(C)鍍金納米棒光學薄膜的玻璃的電場分布圖，Cd)為圖(C)的放大圖。
[0029]圖7是本發明中實施例1中入射波與反射波干涉區域電場振幅分布圖，其中I為不鍍膜玻璃，2為鍍氟化鎂膜玻璃，3為鍍金納米棒光學薄膜玻璃。
[0030]圖8是本發明中實施例1入射波長與薄膜材料透過率的關系圖，其中(a)正入射時入射波長與其透過率的關系圖，(b)入射角為20度時入射波長與其透過率的關系圖，(c)入射角為30度時入射波長與其透過率的關系圖。
[0031]圖9是本發明中實施例2中主波長為688.8nm時，光學薄膜中金納米棒半徑與其透過率的關系曲線圖。
[0032]圖10本發明中實施例2入射波長與薄膜材料透過率的關系圖，其中a)正入射時入射波長與其透過率的關系圖，b )入射角為20度時入射波長與其透過率的關系圖，c )入射角為30度時入射波長與其透過率的關系圖。
[0033]圖11是本發明中實施例3中入射波長為400nm時，光學薄膜中金納米棒半徑與其透過率的關系曲線圖。
[0034]圖12是本發明中實施例4中入射波長為953.7nm時，光學薄膜中金納米棒半徑與其透過率的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0035]本發明的目的是提供一種金納米棒光學薄膜，在光學薄膜領域，其容易實現折射率匹配，從而達到鍍膜層數較少的情況下具有較高透過率。
[0036]實施例1
[0037](I)鍍金納米棒光學薄膜的玻璃，其中金納米棒呈線狀周期排列，其排列周期尺寸d=38.3nm,光學薄膜厚度為h=115nm,入射波長為563.6nm,金納米棒半徑r、間距s及透過率見表1，入射波長為563.6nm時，光學薄膜中金納米棒半徑與其透過率的關系曲線如圖5所示，由表1和圖5可知,金納米棒半徑r=10.4-10.7nm,金納米棒光學薄膜的透過率最大。
[0038](2)不鍍膜的玻璃。
[0039](3)鍍氟化鎂膜的玻璃。
[0040]其中，玻璃折射率ne=L 5，空氣介質折射率Iitl=U
[0041]表1入射波長為563.6nm時,金納米棒半徑r、間距s及透過率
[0042]
【權利要求】
1.一種金納米棒光學薄膜，其特征在于:光化學薄膜中金納米棒呈周期排列。
2.根據權利要求1所述一種金納米棒光學薄膜，其特征在于:所述光學薄膜的厚度為.81.65~195nm。
3.根據權利要求1或2所述一種金納米棒光學薄膜，其特征在于:所述金納米棒的半徑為5~20nm,金納米棒的間距為8.3~44.9nm。
4.根據權利要求1或2所述一種金納米棒光學薄膜，其特征在于:所述周期排列為線狀周期排列或網狀周期排列，其周期尺寸小于入射波長的十分之一。
5.根據權利要求4所述一種金納米棒光學薄膜，其特征在于:所述入射波長為.400~953.7nm。
【文檔編號】B32B1/00GK103901512SQ201410152721
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】李子樂, 鄭國興, 張逸倫, 何平安, 鄖建平, 楊晉陵, 趙江南, 高俊玲, 周輝, 田昕, 李松 申請人:武漢大學