專利名稱：一種利用表面等離子體實現(xiàn)反射率可控的反射鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反射率可調(diào)的反射鏡。尤其指一種利用激發(fā)表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的衰減全反射特性實現(xiàn)的反射率可控的反射鏡。

背景技術(shù)：
目前的反射鏡大都采用玻璃上鍍膜的結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于我們的日常生活和光學領(lǐng)域，其反射率是不可以控制的，當入射角度和入射波長固定了，其反射率也就固定了。
目前有報道的反射率可控的反射鏡主要為可飽和吸收鏡，如半導體可飽和吸收鏡(SESAM)和碳納米管，已成為當今鎖模激光器中最理想的鎖模元件。半導體可飽和吸收鏡被動鎖模激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、光束質(zhì)量好等特點，因此在工業(yè)、醫(yī)療、材料加工、科學研究、非線性頻率變換等方面有著廣泛的應(yīng)用，是近年的研究熱點。但是可飽和吸收鏡的反射率是由入射光強被動控制的，光強越大反射率越大，光強越小反射率越小，而且其制作工藝十分復雜，價格昂貴。
表面等離子體共振SPR(Surface plasmons resonance)結(jié)構(gòu)是指當滿足共振條件時，p偏振的入射光能夠在金屬-電介質(zhì)界面上激發(fā)產(chǎn)生表面等離子體波的結(jié)構(gòu)。由于入射光能量部分耦合到了表面等離子體波中，將產(chǎn)生衰減全反射ATR(Attenuated total reflection)，形成共振吸收峰。吸收峰的位置、深度和寬度取決于各層材料的折射率和厚度。
近年來，對表面等離子體共振及其應(yīng)用的研究飛速發(fā)展，主要用于傳感，測量材料光學性質(zhì)等，如專利號為ZL 200820168568.4的公布了一種等離子體共振微結(jié)構(gòu)光纖傳感器，ZL 200820212280.2公布了一種光纖表面等離子體共振傳感檢測裝置，申請?zhí)?1134380.X所述自適應(yīng)表面等離子體波氣體折射率傳感元件。
但當前利用等離子體共振衰減全反射特性來實現(xiàn)反射率可調(diào)的反射鏡的研發(fā)屬于空白，無公開文獻涉及這一方面技術(shù)方案。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是利用等離子體共振衰減全反射特性實現(xiàn)反射率可控的反射鏡。
技術(shù)方案是本發(fā)明由棱鏡、液體箱和溫控電路組成。棱鏡的反射面上鍍有一層厚度均勻的金屬膜，金屬膜下方為液體箱，液體箱中裝有液體材料，液體材料溫度由溫控電路來控制。
棱鏡可以為半球形、三角形、梯形等各種形狀，棱鏡的制備材料為對入射光透明的玻璃，棱鏡對入射光波長的折射率為n0(t)，1.44＜n0(t)＜1.76，n0(t)對溫度變化的系數(shù)dn/dT在9×10-6～12×10-6范圍內(nèi)，入射光波長為361.05nm～1013.98nm范圍內(nèi)的任意值，入射光的角度θ滿足激發(fā)表面等離子體共振條件。
金屬膜對入射光不透明，金屬膜對入射光的介電常數(shù)的實部為ε1，虛部為ε2，其取值范圍為-30≤ε1≤-10，0.5≤ε2≤4，可以為金、銀等材料。金屬膜的厚度為15～50nm，需根據(jù)不同的實施方式來計算確定。
液體箱的形狀可以任意，要求液體箱的上表面大于金屬膜，在與金屬膜接觸處開口，使液體箱內(nèi)液體材料與金屬膜直接接觸，液體材料與金屬膜接觸面的邊緣處要密封。
液體材料采用蒸餾水，其折射率低于棱鏡材料的折射率。蒸餾水對于不同波長的入射光在不同溫度(10-90℃)下的折射率不同，規(guī)律為對于相同波長的入射光，溫度越高，折射率越?。幌嗤瑴囟认?，入射光波長越大，折射率越小，具體數(shù)值可在文獻CRC Handbook of Chemistry and Physics，84th edition，David R.Lide，p.10-218中查到。
溫控電路采用商用電子式溫度控制器，可以采用熱電偶型或者熱電阻型，如廈門宇電自動化科技有限公司的AI-508型人工智能溫度控制器。
在溫控電路的控制下，蒸餾水溫度發(fā)生變化，液體箱上與蒸餾水接觸的金屬膜和棱鏡的溫度也隨之變化，但在10-90℃范圍內(nèi)，蒸餾水折射率隨溫度變化的系數(shù)在10-2-10-3量級，而棱鏡折射率隨溫度變化的系數(shù)在10-5-10-6量級，遠小于蒸餾水折射率隨溫度的變化，可以忽略其影響。金屬膜的介電常數(shù)隨溫度變化對反射率的影響，相比于蒸餾水折射率變化帶來的影響小很多，也可以忽略。金屬的熱膨脹系數(shù)一般在10-5-10-6K-1量級，在10-90℃范圍內(nèi)膜厚度隨溫度的變化很小，可以忽略。
p偏振光的入射光垂直入射到棱鏡上，到達棱鏡與金屬膜界面上時入射角為θ。金屬膜厚度很薄，只有幾十個納米，倏逝波可以穿透到金屬膜下方。金屬膜下方蒸餾水的折射率低于棱鏡材料的折射率，當入射角θ滿足激發(fā)表面等離子體共振條件時，金屬膜-液體界面會激發(fā)表面等離子體波，同時由于入射光的部分能量耦合到表面等離子體波中，反射光強度將減弱，產(chǎn)生衰減全反射。當液體材料折射率隨溫度發(fā)生變化時，衰減全反射凹陷處最小值的大小和角度位置將發(fā)生變化，規(guī)律是溫度變化引起衰減全反射曲線的移動，對于同一入射角，反射率隨溫度的升高而降低，實現(xiàn)了溫度對反射率的控制。
采用本發(fā)明可以達到以下技術(shù)效果 1.入射光以特定的入射角入射至棱鏡，由溫控電路控制液體箱內(nèi)蒸餾水溫度，實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)反射光強度的控制，即裝置反射率的控制。
2.本發(fā)明溫度控制容易實現(xiàn)，可根據(jù)實際控制要求和實際情況進行設(shè)計，適用范圍廣。
3.本發(fā)明所用材料都很常見，結(jié)構(gòu)簡單，便于器件化。



圖1為本發(fā)明采用半球形棱鏡時結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為不同溫度下衰減全反射曲線變化示意圖。

具體實施例方式 圖1為本發(fā)明采用半球形棱鏡時結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明由棱鏡2、金屬膜4、液體箱5，溫控電路6組成。棱鏡2也可以選用三角棱鏡或其他種類棱鏡。
p偏振光的入射光1垂直入射到棱鏡2上，到達棱鏡2與金屬膜4界面上時入射角為θ。金屬膜4厚度很薄，只有幾十個納米，倏逝波可以穿透到金屬膜4下方，金屬膜4下方蒸餾水的折射率低于棱鏡材料的折射率，當入射角θ滿足激發(fā)表面等離子體共振條件時，金屬膜-液體界面會激發(fā)表面等離子體波，同時由于入射光的部分能量耦合到表面等離子體波中，反射光3強度將減弱，產(chǎn)生衰減全反射。如附圖2所示，當液體材料折射率隨溫度發(fā)生變化時，衰減全反射凹陷處最小值的大小和角度位置將發(fā)生變化。可以看到，如果入射角為71度，由于溫度變化引起衰減全反射曲線的移動，使得71度入射角處，反射率隨溫度的升高而降低，實現(xiàn)了溫度對反射率的控制。
入射光波長、棱鏡折射率、金屬膜介電常數(shù)實部和虛部、金屬膜厚度、入射角度不同時，反射率控制范圍都會發(fā)生變化，需具體計算。表1列出了不同波長、棱鏡折射率、金屬介電常數(shù)實部和虛部，蒸餾水溫度在10-90℃范圍內(nèi)變化時，金屬膜厚度、入射角度以及可實現(xiàn)的反射率控制范圍。表2列出了計算時用到的不同波長不同溫度下蒸餾水的折射率。
表1不同參數(shù)下的實施方案



表2不同波長不同溫度下蒸餾水的折射率


權(quán)利要求
1.一種利用表面等離子體實現(xiàn)反射率可控的反射鏡，其特征在于它由由棱鏡(2)、液體箱(5)和溫控電路(6)組成，棱鏡(2)的反射面上鍍有一層厚度均勻的金屬膜(4)，金屬膜(4)下方為液體箱(5)，液體箱(5)中裝有液體材料，液體材料溫度由溫控電路(6)來控制；棱鏡(2)的制備材料為對入射光透明的玻璃，棱鏡(2)對入射光(1)波長的折射率為n0(t)，1.44＜n0(t)＜1.76，n0(t)對溫度變化的系數(shù)dn/dT在9×10-6～12×10-6范圍內(nèi)，入射光(1)波長為361.05nm～1013.98nm范圍內(nèi)的任意值，入射光(1)的角度θ滿足激發(fā)表面等離子體共振條件；金屬膜(4)對入射光(1)不透明；液體箱(5)的上表面大于金屬膜(4)，在與金屬膜(4)接觸處開口，使液體箱(5)內(nèi)液體材料與金屬膜(4)直接接觸，液體材料與金屬膜(4)接觸面的邊緣處要密封；液體材料采用折射率低于棱鏡(2)材料的折射率的蒸餾水；溫控電路(6)采用商用電子式溫度控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用表面等離子體實現(xiàn)反射率可控的反射鏡，其特征在于所述金屬膜(4)金屬膜對入射光(1)的介電常數(shù)的實部為ε1，虛部為ε2，其取值范圍為-30≤ε1≤-10，0.5≤ε2≤4。
3.如權(quán)利要求1所述的一種利用表面等離子體實現(xiàn)反射率可控的反射鏡，其特征在于所述金屬膜(4)的厚度為15～50nm，需根據(jù)不同的實施方式來計算確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用表面等離子體實現(xiàn)反射率可控的反射鏡，要解決的技術(shù)問題是利用等離子體共振衰減全反射特性實現(xiàn)反射率可控的反射鏡。它由棱鏡、液體箱和溫控電路組成，棱鏡的反射面上鍍有一層厚度均勻的金屬膜，金屬膜下方為裝有蒸餾水的液體箱，蒸餾水溫度由溫控電路來控制。本發(fā)明利用不同溫度下蒸餾水折射率變化，引起的衰減全反射曲線出現(xiàn)反射率凹陷的大小和角度位置不同，實現(xiàn)了對鏡面反射率的控制。
文檔編號G02B5/126GK101762840SQ20091022676
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者侯靜, 彭楊, 黃值河, 陸啟生, 陳金寶, 劉澤金 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學