一种超宽带能量分光镜的制作方法

1.本发明属于光电元器件技术领域，涉及一种超宽带能量分光镜。


背景技术：

2.超宽带能量分光镜是一个可以将一束波段范围很宽的入射光分成两束光的器件，常见的是在光学基底上镀制薄膜，通过薄膜的干涉、反射等原理对入射光能量进行调节。这种分光镜由于需要在很宽的波段范围达到分光比，通常需要在光学基底上镀制的薄膜层数非常多、薄膜总厚度非常大，导致在很宽的波段范围内难以实现比较理想的分光比，而且在较大角度入射时会造成明显的偏振现象，影响光电系统的信号。
3.1.专利cn205290067u，“一种能量分光系统”采用多个反光镜、分光镜、全反装置、半反装置，以及激光发生器和光前耦合口组成。但这种系统的组成非常复杂，包含的器件太多，容易引起偏差。
4.2.专利cn102380712a，“多级等能量分光系统”，采用多个括束系统、反射系统和分光系统，实现对激光能量的多级等能量分光。但这种系统的构成非常复杂，且对系统中的每一个器件加工精度要求较高，系统安装、调试带来的误差会直接影响到分光效果。


技术实现要素：

5.(一)发明目的
6.本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种能够实现超宽带的能量分光镜，解决能量分光镜的消偏振、分光比等技术问题。
7.(二)技术方案
8.为了解决上述技术问题，本发明提供一种超宽带能量分光镜，包括基底、能量分光膜，所述基底为对所分光波段具有良好透明性，通过光学加工技术制作而成的透明基底；能量分光膜为形成在两面平行的平面光学基底上的网格状分布的高反射膜，反射膜是由ag、al、au等金属薄膜中的一种或多种组成，网格状反射膜占空比(即金属反射膜的总面积/空白区域的总面积)用于调节反射光/透射光的分光比。当光信号以任意角度入射到达分光镜的表面时，一部分光入射到网格状的金属膜表面而被反射，形成反射光，另一部分通过未镀金属膜的区域而透过光学透明基底之后，透射到分光镜的另一面，形成透射光。
9.透明基底为两面抛光的平板光学材料。
10.如图2所示，所述能量分光镜的能量分光原理为：附图1中灰色部分表示金属反射膜，白色部分表示无金属反射膜。以某角度入射的光到达分光镜表面，一部分入射光被分光镜表面的金属薄膜反射，另一部分通过无金属薄膜部分透过。分光镜的金属薄膜区域总面积s1，金属薄膜反射率为n，未镀金属薄膜区域的总面积s2，若基底的反射光与透射光比值为a:b，则分光镜的反射光与透射光的能量比值为r:t＝(n
×
(s1/(s2+s1))+a
×
s2/(s2+s1))：b
×
(s2/(s2+s1))。在无吸收的透明波段范围内，基底的反射光与透射光能量比值是一定的，且该比值仅与基底材料的折射率n有关，a＝(1-n)2/(1+n)2；b＝1-a。则a:b＝(1-n)2/
(1+n)＝(1-n)2/(4
×
n)。则，r:t＝(n
×
(s1/(s2+s1))+(1-n)2×
s2/(s2+s1)/(1+n)2):(4
×
n)
×
(s2/(s2+s1)/(1+n)2)。因此，能量分光镜的反射光与透射光的能量比值取决于基底折射率n、金属薄膜的反射率n、金属薄膜总面积s1和未镀金属薄膜区域总面积s2。在实际使用过程中，针对所要达到的能量分光比，选择透明基底材料和金属薄膜材料之后，就能够根据上述方法计算出所需要镀制的金属薄膜所镀制的面积即可。
11.其中，根据上述方法计算出需要镀制的金属薄膜总面积，在光学基底上制备出网格状的金属反射膜，网格状金属反射膜的制作方法可以采用光刻、激光直写、掩膜遮挡镀膜等各种方式，金属反射膜的厚度为30nm～100um。
12.其中，金属薄膜以及未镀金属薄膜的区域的分布情况可以是周期性或非周期性的，形状可以是矩形、正方形、五边形、六边形、三角形、圆形、菱形等各类形状，也可以是不同形状进行组合。若形状为周期性的分布，为了避免明显的衍射现象，区域的尺寸应该显著大于入射光的波长。
13.其中，光学基底的两面可以镀制高效减反射膜，然后再制作网格状金属反射膜。进一步地，为了提高分光镜表面金属膜的耐用性，可以在金属薄膜表面镀制高强介质保护膜。
14.(三)有益效果
15.上述技术方案所提供的超宽带能量分光镜，通过在光学基底表面制作网格状金属反射膜，用金属反射膜的占空比调节光信号的能量分光比，实现对超宽带入射光信号能量的良好分光；本发明采用在光学基底上制作的反射、透射间隔式网状分光膜实现对入射光的能量分光，相比于常见的多层介质薄膜分光方式更加容易实现，而且可以通过反射膜的占空比来精确调控光信号的能量分光比；本发明中涉及到的分光镜组成结构简单，制作成本较低，制作方法较为成熟，便于批量生产，适宜制作成小型化、轻型化的分光镜，适合各类能量分光系统的应用。
附图说明
16.图1为一种超宽带能量分光镜的表面示意图。
17.图2为一种超宽带能量分光镜的工作原理图。
18.图3为周期结构的2um-14um超宽带5：5能量分光镜示意图。
19.图4为周期结构的0.45um-2um超宽带3：7能量分光镜示意图。
20.图5为非周期性的超宽带能量分光镜示意图。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
22.实施例1
23.如图3所示，对于最常用的45
°
能量分光，波长为2um-12um，透、反分光比为5：5。金属薄膜材料选择ag，厚度200nm，在45
°
入射情况下，au膜的反射率约99％。以3mm厚两面抛光的znse平板为基底，反射率约30％，透射率约70％。以矩形周期性结构为例，为了避免出现明显的衍射现象，每一个镀au膜的小矩形的边长a、b分别为：30um、20um，面积为600um2。未镀au膜的小矩形边长分别为：30um、c，面积为(30
×
c)um2。理论上满足：(0.99
×
(600/((30
×
c)+600))+0.3
×
((30
×
c)/((30
×
c)+600))):(0.7
×
((30
×
c)/((30
×
c)+600)))＝5:5，由此可以得出透射区域矩形的边长c约为49.5um。
24.实施例2
25.如图4所示，对于45
°
能量分光，波长为0.45um-2um，透、反分光比为3：7。金属薄膜材料选择ag，厚度250nm，在45
°
入射情况下，ag膜的反射率约98％。以8mm厚两面抛光的石英平板为基底，反射率约7％，透射率约93％。以矩形周期性结构为例，长a、b分别为：20um、10um，面积为200um2。未镀ag膜的小矩形边长分别为：20um、c，面积为(20
×
c)um2。应满足：(0.98
×
(200/((20
×
c)+200))+0.07
×
((20
×
c)/((20
×
c)+200))):(0.93
×
((20
×
c)/((20
×
c)+200)))＝3:7，由此可以得出透射区域矩形的边长c约为28.347um。
26.实施例3
27.如图5所示，在5mm后的两面抛光k9玻璃平板基底上，制作随机结构的网格状金属反射膜，实现45
°
入射光0.45um-1.7um的超宽带透/反比为4：6的分光。金属反射膜材料选择ag，厚度约200nm，反射率为98％。随机结构的网状金属反射膜具体分布形式采用软件计算的方式获得。
28.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种超宽带能量分光镜，其特征在于，包括基底、能量分光膜；基底为平面透明光学基底，对所分光波段具有透明性；能量分光膜为形成在基底入光面上的网格状分布的高反射膜，网格状反射膜占空比用于调节反射光/透射光的分光比；当光信号以任意角度入射到达分光镜的表面时，一部分光入射到网格状的高反射膜表面而被反射，形成反射光，另一部分通过未镀高反射膜的区域而透过透明光学基底之后，透射到分光镜的另一面，形成透射光。2.如权利要求1所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述高反射膜由ag、al、au金属薄膜中的一种或多种组成。3.如权利要求1所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述透明光学基底两面抛光。4.如权利要求1所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述分光镜表面，高反射膜区域总面积s1，高反射膜反射率为n，未镀高反射膜区域的总面积s2，记基底的反射光与透射光比值为a:b，则分光镜的反射光与透射光的能量比值为：r:t＝(n
×
(s1/(s2+s1))+a
×
s2/(s2+s1))：b
×
(s2/(s2+s1))。5.如权利要求4所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述分光镜的反射光与透射光的能量比值与基底材料的折射率n有关，a＝(1-n)2/(1+n)2；b＝1-a；则a:b＝(1-n)2/(1+n)＝(1-n)2/(4
×
n)。则，r:t＝(n
×
(s1/(s2+s1))+(1-n)2×
s2/(s2+s1)/(1+n)2):(4
×
n)
×
(s2/(s2+s1)/(1+n)2)。6.如权利要求2所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述金属薄膜采用光刻、激光直写或掩膜遮挡镀膜方式制成。7.如权利要求6所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为30nm～100um。8.如权利要求7所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述金属薄膜以及未镀金属薄膜的区域分布是周期性或非周期性的，形状为矩形、正方形、五边形、六边形、三角形、圆形、菱形中的一种或多种不同形状进行组合。9.如权利要求8所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述金属薄膜以及未镀金属薄膜的区域分布是周期性分布时，区域的尺寸大于入射光的波长。10.如权利要求1-9中任一项所述的超宽带能量分光镜，其特征在于，所述基底的两面先镀制高效减反射膜，然后再制作网格状高反射膜；网格状高反射膜表面镀制高强介质保护膜。

技术总结
本发明属于光电元器件领域，公开了一种超宽带能量分光镜，所述能量分光镜是光学透明基底上，通过制作具有一定占空比的网格状金属反射膜，实现对入射光的透射能量和反射能量达到特定的比值；能量分光镜的透射/反射分光比可以通过网格状金属反射膜的占空比以及基底透射率来调控，可以实现超宽波段范围、各类分光比的技术指标。本发明采用这种方式实现能量分光，与现有技术相比，能够有效避免采用介质薄膜干涉效应带来的偏振效应问题，而且制作简单，不易影响光学基底的面型，实现超宽带的能量分光。量分光。量分光。


技术研发人员：王松林 张建付 米高园 刘方 王宏浩 杨崇民
受保护的技术使用者：西安应用光学研究所
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/10/7