矩形波宽带通滤光膜研究_董莹.pdf

文章编号：1002-2082(2023)01-0188-07矩形波宽带通滤光膜研究董莹1，张艳茹2，胡荣1，刘永强1，杨崇民1（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）摘摘 要：要：对矩形波宽带通滤光片进行了深入研究，提出了一种设计、制备矩形波宽带通滤光片的方法。使用该方法设计并制备了 400nm1100nm 波段，中心波长 0=515nm，透射带=025nm，透 射 带 平 均 透 射 率92%，截 止 带=400nm475nm、=555nm1100nm，截 止 带 透 射 率 小 于0.1%的矩形波宽带通 OD3-A 滤光片。对样片光谱进行了测试，结果满足需求。该方法设计、制备矩形波宽带通滤光片克服了 F-P 型窄带滤光膜监控精度要求高、通带宽带窄、成本高以及传统长、短波截止膜组合方式膜层总厚度过大、通带透过率低、波形矩形度差的缺点。关键词：关键词：光学薄膜；带通滤光膜；矩形波；吸光性中图分类号：TN305.8;O484.4文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0105002Research on rectangular-wave broadband pass filter filmDONGYing1，ZHANGYanru2，HURong1，LIUYongqiang1，YANGChongmin1（1.XianInstituteofAppliedOptics,Xian710065,China；2.BeijingRSLaserOpto-ElectronicsTechnologyCo.,Ltd.,Beijing102605,China）Abstract：Amethodfordesigningandpreparingtherectangular-wavebroadbandpassfilterwasputforwardafteradeepstudy.Arectangular-waveOD3-Abroadbandpassfilterwasdesignedandpreparedwiththismethod,withitscenterwavelength0=515nmintheworkingrangeof400nm1100nm.Andthemeantransmittanceofthesampleinitspass-bandof025nmwasgreatthanorequalto92.7%,meanwhilethetransmittanceinthecut-offbandrangingfrom400nm475nmandrangingfrom555nm1100nmwaslessthan0.1%.Thetransmittanceofthethinfilmsamplewastested,andthespectrummettherequirements.Therectangular-wavebroadbandpassfilterdesignedandpreparedbythismethodovercamethedisadvantagesofhighprecisionrequirementsofFabry-Perotinterferometernarrow-bandfilterfilmmonitoring,narrowpass-band broadband,high cost,overlarge total thickness,low pass-band transmittance and poor waveformrectangularityinthetraditionalcombinationwayoflongandshortwavecut-offfilms.Key words：opticalthinfilm；band-passfilterfilm；rectangularwave；opticaldensity引言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收稿日期：2022-02-08；修回日期：2022-03-08作者简介：董莹（1987），男，博士，主要从事光学工艺及光学设计研究。E-mail：通信作者：张艳茹（1988），女，硕士，主要从事光学系统设计与机器光学工艺研究。E-mail：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023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 50nm 带宽的宽带通滤光膜层，要求 0=515nm，透射带=025nm，透射带平均透过率92%，截止带=400nm475nm、=555nm1100nm 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 理论分析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：VOD=lg(1/Tsample)=lg(Tsample)（1）光密度和吸光度是同一个概念，国标中规范使用“光密度（opticaldensity，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400nm1100nm。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c1=400nm475nm，c2=555nm1100nm，透过率 0.1%，透射带=490540nm，透过率92%。1.2 滤光膜基本理论(L2HL2)S(H2LH2)S不论是长波截止滤光膜或短波截止膜，它们的截止带宽度12是完全相同的：g=2arcsin(nLnHnL+nH)（2）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 400nm1100nm 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。2.502.452.402.352.302.252.202.152.10400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 9501 000n/nm图 1 高折射率材料 Ti2O3的折射率曲线Fig.1 Refractive index curve of high refractive index ma-terial of Ti2O3该滤光片使用光谱范围 400nm1100nm，截止带很宽，中心波长 0=515nm，透射带=025nm，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。带通膜面设计光谱为：c1=420nm475nm，应用光学2023，44（1）董莹，等：矩形波宽带通滤光膜研究189c2=555nm680nm，0.1%；=485nm545nm，94%，膜层总厚度 3.277m，其中第 9 层最薄，厚度 20nm。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 485nm545nm 高透射，680nm1100nm 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。100958575556540209080705045603010155352503504004505005506006507008009001 0001 100 1 150透过率T/%1 050950850750/nmX 475Y 95.593 7X 545Y 95.727 4X 660Y 0.090 1X 1 100Y 0.076 8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 7.3m，=470nm560nm，95%，截止带 660nm1100nm，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。通过理论模拟可知：设计的矩形波宽带通滤光片中心波长 0=515nm，在通带 490nm540nm 范围内，平均透射率 可达 95.5%，截止带 400nm575nm、555nm1100nm 的透过率 cmax0.1%，光密度（OD）3，过渡带满足要求，半高宽=545484=61nm，各项指标均达到预期目标。100958575556540209080705045603010155352503504004505005506006507008009001 0001 100 1 150透过率T/%1 050950850750/nmX 490Y 95.491 3X 540Y 95.491 8X 475Y 0.097X 555Y 0.102 9图 2 带通膜面模拟透过率曲线Fig.2 Simulated transmittance curve of band-pass films surface190应用光学第44卷第1期2 工艺实验及透过率测试分析使用配备有英福康 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