矩形波宽带通滤光膜研究
时间：2023-04-17 21:35:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
董 莹，张艳茹，胡 荣，刘永强，杨崇民
（1. 西安应用光学研究所 ，陕西 西安 710065；
2. 北京科益虹源光电技术有限公司，北京 102605）
带通滤光膜是指在一定波段内，除中间一小段高透射外，其余均是高反射带。可以粗略地分成窄带通滤光片和宽带通滤光片。窄带通滤光片[1]通常采用Fabry-Perot 干涉仪形式进行设计和制备；
宽带通滤光片多采用长波截止与短波截止滤光膜组合的方式获得。近年来，由于带通滤光片变角度使用情况增多，矩形波带通滤光片愈发重要。在军事、武器装备领域，高矩形度、宽截止波段的宽带通滤光片可以消除武器装备在实际使用中的偏轴、变温效应，优势十分明显。
国外对矩形波滤光片[2]的研究较早。国内费书国[3]、申林[4]、杨洁[5]、庞薇[6]等对F-P 型矩形波窄带通滤光片进行了研究，F-P 型滤光膜系为达到更高的矩形度，需要制备的膜层腔数较多，通带范围较窄，对设备的稳定性、一致性以及监控精度要求较高；
国产设备光控精度有限，进口光控价格昂贵，所以用F-P 型滤光膜系设计、制备矩形波宽带通滤光片的局限性较大；
齐健[7]、朱新华[8]、岳鹏飞[9]、赵会聪[10]等使用长、短波截止滤光膜层组合的方式，利用晶控法制备了矩形波宽带通滤光片。由于长、短波截止滤光膜组合的方法使得膜层很厚，特别是对于截止带较宽的带通滤光片，其厚度会成倍增加，应力迅速增大，环境适应性较差，晶控法工艺一致性[11]也使得镀制的样片通带透过率较差，截止宽度较短。
本文研究了一种K9 基底上的矩形波50 nm 带宽的宽带通滤光膜层，要求λ0=515 nm，透射带λ=λ0±25 nm，透 射带 平均 透 过 率 τ¯≥92%，截止带λ=400 nm～475 nm、λ=555 nm～1100 nm 的OD3-A 矩形波宽带通滤光片。采用新方法设计的膜层通带透过率高，膜层整体厚度较薄，监控方法简便，每层膜的厚度适中，敏感度较低，透射率满足要求。制备了实验样片，测试结果显示制备的样片满足要求。在保证膜层光学指标的前提下，克服了F-P 型滤光膜控制精度要求高、成本大、晶控法监控膜层透过率不高、膜层厚度过大的缺点。
1.1 指标分析
光密度值定义为：入射光强度和透射光强度之比的对数，即：
光密度和吸光度是同一个概念，国标中规范使用“光密度（optical density，OD）”命名。OD 值确定了带通滤光膜反射带的透过率。带通滤光膜的反射编号和截止带一一对应，A表示反射带为400 nm～1100 nm。
根据上述分析可知，本文研究的膜层透过率要求可以写成：K9基底上λc1=400 nm～475 nm，λc2=555 nm ～1100 nm，透过率τ≤0.1%，透射带λ=490～540 nm，透过率 τ¯≥92%。
1.2 滤光膜基本理论
式中：H、L分别表示高、低折射率材料的折射率。随着周期数S的增加，过渡带不断减小。将不同中心波长的长、短波滤光膜层结合可以展宽反射带的宽度。
1.3 膜系设计
在400 nm～1 100 nm 波段范围内，一般选择SiO2作为低折射率材料，高折射率材料的折射率越高，则截止深度越大、反射带宽度越宽、过渡带越窄，所以选择Ti2O3作为高折射率材料，本实验所用的高折射率材料Ti2O3的折射率色散曲线如图1 所示。
图1 高折射率材料Ti2O3 的折射率曲线Fig. 1 Refractive index curve of high refractive index material of Ti2O3
该滤光片使用光谱范围400 nm～1100 nm，截止带很宽，中心波长λ0=515 nm，透射带λ=λ0±25 nm，不能按照F-P 型窄带滤光片的方法进行设计；
使用长、短波组合的方式会使膜层厚度过大，同时长波截止膜存在“半波孔”[13-14]效应，会导致薄膜应力增大、环境适应性较差、通带透射率降低。采用长、短波截止膜组合的方式设计、制备所需的矩形波宽带通滤光片也不适用。在保证膜层光谱的前提下，要减小膜层总厚度，降低应力及膜层敏感度，提高通带透过率，可以将膜层指标拆解成一个带通滤光膜层和一个长波截止膜层的组合。
带通滤光膜层以F-P 型窄带滤光膜层作为膜系优化起点，主要解决膜层通带透射率以及过渡带宽度的问题。优化设计的带通膜透过率如图2所示。
图2 带通膜面模拟透过率曲线Fig. 2 Simulated transmittance curve of band-pass films surface
带通膜面设计光谱为：λc1=420 nm～475 nm，λc2=555 nm～680 nm，τ＜0.1%；
λ=485 nm～545 nm，τ＞94%，膜层总厚度3.277 μm，其中第9 层最薄，厚度20 nm。该膜系光谱指标优异，膜层总厚度适中，每一层膜层的敏感度较低，控制精度要求较低。
按照膜层指标要求，结合带通滤光膜的光谱可知：第二面需要配镀485 nm～545 nm 高透射，680 nm～1100 nm 截止带，透过率小于0.1%的长波截止膜。
按照1.2 所述方法展宽截止带。对于“半波孔”效应，董莹[15]等采用非规整周期性膜系＜mHnL＞^S避开半波孔，大幅提高了通带透过率。利用2 个非规整周期性膜系叠加，需要的反射堆数目减小，膜层整体厚度进一步降低，可以有效完成该长波截止膜的设计。长波截止膜的模拟透过率如图3所示。
图3 长波截止膜面模拟透过率曲线Fig. 3 Simulated transmittance curve of long-wave cutoff films surface
该膜系的厚度7.3 μm，λ=470 nm～560 nm，τ＞95%，截止带660 nm～1100 nm，τ＜0.1%，满足带通滤光片对第二面长波截止膜的光谱指标要求。
将第一面带通滤光膜和第二面长波截止膜分别镀制在样片的2 个表面进行组合，得到宽带通滤光膜模拟透过率曲线，如图4 所示。
图4 宽带通滤光片模拟透射率曲线Fig. 4 Simulated transmittance curve of broad-band pass filter
通过理论模拟可知：设计的矩形波宽带通滤光片中心波长λ0=515 nm，在通带490 nm～540 nm 范围内，平均透射率 τ¯可达95.5%，截止带400 nm～575 nm、555 nm～1100 nm 的透过率τcmax＜0.1%，光密度（OD）＞3，过渡带满足要求，半高宽=545-484=61 nm，各项指标均达到预期目标。
使用配备有英福康IC5 石英晶控膜厚监控仪的ZZSX-800M 型真空镀膜机，用电子束热蒸发的方式，用晶控法在K9 基底上沉积上述设计膜层。
为了测试方便，分别制备了单面带通滤光膜，单面长波截止膜以及两面分别沉积了带通膜和长波截止膜的样片。使用LAMBDA900 型分光光度计测试单面带通膜、长波截止膜及最终矩形波宽带通滤光片的透射率。
对于带通滤光膜面，主要控制膜层的敏感度，提高通带透射率。在设计过程中对每一层膜层的敏感度进行控制，最薄层也可达到20 nm，所以膜层控制精度要求较低。镀制的单面带通滤光膜，测试的透过率曲线如图5 所示。
图5 带通膜面的实测透过率曲线Fig. 5 Measured transmittance curve of band-pass films surface
测试结果显示：镀制的带通滤光膜层透过率中心波长λ0=515 nm 处，透过率94.45%，在通带波段490 nm～540 nm 透射率满足要求，其余波段的光谱测试情况和膜系设计结果基本吻合。但短波截止带存在一定问题，在400 nm～410 nm 截止深度明显不够。出现这种问题的原因可能是由于膜层厚度较大，沉积过程较长，所以膜层实际沉积温度及孔隙率等参数可能有变化，导致截止带和设计曲线出现了较大差异。
对于长波截止膜面，由于膜层总厚度很厚，要避免镀膜过程较长引起温度、材料高度以及真空状态等工艺参数的改变，这些工艺参数改变会带来膜层折射率及晶控参数的变化，从而引起膜层失配，降低通带透过率。测试镀制的单面长波截止膜的透过率曲线如图6 所示。
图6 长波截止膜面的实测透过率曲线Fig. 6 Measured transmittance curve of long-wave cutoff films surface
从制备的长波截止膜样片透过率测试结果可以看出：该样片在490 nm～540 nm 的透射区域透过率均大于90%，截止区为675 nm～1100 nm，总体上达到设计结果，但同样存在禁带稍窄的情况。
由上述带通滤光膜以及截止膜样片的透过率测试结果，可以推测最终制备的矩形波宽带通滤光膜整体上可以达到指标要求，最终测试制备样片的透过率曲线如图7 所示。
图7 最终样片的实测透过率曲线Fig. 7 Measured transmittance curve of final sample piece
由制备的矩形波宽带通滤光膜的透过率测试曲线可以看出：该样片光谱基本满足指标要求，在400 nm～1100 nm 波段，截止区域为410 nm～475 nm、555 nm～1100 nm，透射带490 nm～540 nm，透射中心波长λ0=515 nm，透射带平均透射率τ¯=92.7%。
和前面对带通滤光膜以及截止膜样片光谱分析的情况类似，最终样片的光谱存在一定的缺陷，如400 nm～410 nm 截止深度不够，这可能是由于膜层制备时间较长，多层滤光膜的实际沉积温度、孔隙率等工艺参数和单层Ti2O3膜不同，造成光谱和设计曲线有偏差；
655 nm、850 nm 附近存在截止带拼接有偏差，这是2 次制备膜层温漂不完全相同的原因[16-17]。这2 个问题都可以通过多次温度漂移实验解决。和国内外同类宽带通滤光膜的相关研究报道[18]相比较，文中所述的方法更有优势。
对矩形波宽带通滤光片光谱进行合理拆解，采用新的膜层设计方法减小膜层总厚度以及每层膜的敏感度。在K9 基底上，以Ti2O3、SiO2分别作为高、低折射率材料，设计了满足项目需求的矩形波宽带通滤光膜层，设计得到的膜层厚度较小，应力可接受，对设备的精度要求较低。按照设计的膜系结构以电子束热蒸发的方式，使用晶控法监控膜层厚度，制备了带通滤光片，测试结果表明，存在的缺陷可以消除，各项光谱指标均满足实际需求。
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