寬光譜監(jiān)控法制作紅外超寬帶減反膜的研究

周言敏，李建芳，王 君，袁 勇，梅高國

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 電子信息系，重慶401331）

寬光譜監(jiān)控法制作紅外超寬帶減反膜的研究

周言敏，李建芳，王 君，袁 勇，梅高國

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 電子信息系，重慶401331）

高科技光電儀器的不斷發(fā)展要求儀器的光譜使用范圍越來越寬，從而對光學(xué)元件的薄膜特性和精度提出了更高的要求，紅外超寬帶減反膜就是為適應(yīng)這些需求而開發(fā)的一種膜系。寬光譜監(jiān)控法是鍍制高精度紅外超寬帶減反膜的最合適、最有效的方法之一，本文根據(jù)薄膜光學(xué)的基本方法，通過膜系設(shè)計(jì)、實(shí)際的制作過程和制作結(jié)果，充分證實(shí)了這一點(diǎn)。

薄膜光學(xué)；超寬帶減反膜；寬光譜監(jiān)控

1 引言

近年來,隨著高科技光電儀器的不斷更新，無論是民用、軍用的光電儀器，還是普通數(shù)碼產(chǎn)品都在不斷提高其性能，光電儀器的光譜使用范圍也越來越寬，使得光學(xué)產(chǎn)品對光學(xué)元件的光學(xué)特性的要求越來越高，特別是對光學(xué)薄膜的特性和精度要求。超寬帶減反膜是光學(xué)薄膜中應(yīng)用最多的膜系之一，高精度超寬帶減反膜設(shè)計(jì)的核心是寬帶的光譜特性,鍍制的關(guān)鍵是膜層的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。本文以實(shí)例介紹紅外超寬增透膜設(shè)計(jì)與制備。

2 膜層監(jiān)控方式比較

對于超寬帶減反膜只能采用非規(guī)整膜系進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前常用的監(jiān)控方法有石英晶控、單波長監(jiān)控以及寬光譜監(jiān)控方法。由于石英晶控只能反映薄膜的幾何厚度，所以對超寬帶增透膜的鍍制,最適合的監(jiān)控方法是光學(xué)膜厚監(jiān)控法,可以直接了解薄膜的光學(xué)特性。寬光譜監(jiān)控和單波長監(jiān)控屬于光學(xué)膜厚監(jiān)控方法，寬光譜監(jiān)控是在很寬的波長范圍內(nèi)監(jiān)視薄膜的光譜特性,實(shí)時測量的是寬帶的光譜反射比數(shù)據(jù),得到的是光譜曲線。單波長監(jiān)控只監(jiān)控一個波長點(diǎn)的反射比,實(shí)時得到的是監(jiān)控波長點(diǎn)的反射比數(shù)據(jù)。以可見光為例,測量數(shù)據(jù)對比如圖1所示,寬光譜監(jiān)控實(shí)時得到的是400nm～800nm(1nm一個測量點(diǎn),共401個數(shù)據(jù))的光譜曲線,單波長監(jiān)控實(shí)時得到的是500nm(監(jiān)控波長)的一個反射比數(shù)據(jù)(即游標(biāo)所在的位置)。兩種監(jiān)控方法測量數(shù)據(jù)量比為401∶1,方程(1)和(2)分別是寬光譜和單波長的測量數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差公式:

可以看出,方程(1)的分母比方程(2)的分母大得多,所以寬光譜監(jiān)控比單波長監(jiān)控隨機(jī)誤差小的多。因此,用寬光譜監(jiān)控鍍制高精度寬帶增透膜會使控制過程既直觀又精確,而且重復(fù)性好。

3 紅外超寬帶減反膜設(shè)計(jì)、制作實(shí)例

目前，在紅外光譜范圍內(nèi)的超寬帶減反膜的應(yīng)用也非常廣泛，特別是軍事及其他一些特殊領(lǐng)域。下面就是作者利用Filmaster設(shè)計(jì)的紅外超寬帶減反膜，采用寬光譜監(jiān)控，在國產(chǎn)真空鍍膜機(jī)上鍍制的紅外超寬帶減反膜實(shí)例。膜層要求：900-1700nm，平均反射率＜0.5%，基底是K9玻璃。

3.1 膜系設(shè)計(jì)

以K9玻璃為基板,使用Filmaster膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化得到G—0.04M0.1533L0.59H0.49L2.5105H0.2L0.95H1.82L|A的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的光譜理論曲線如圖1所示，H-Ti3O5,MAl2O3,L-MgF2,其中三種膜料的光學(xué)參數(shù)是用鍍制該膜系的鍍膜機(jī)進(jìn)行測試得到的實(shí)際光學(xué)參數(shù)。在同一臺鍍膜機(jī)上,鍍膜工藝參數(shù)如真空度、基板溫度、蒸發(fā)速率等相同的情況下進(jìn)行鍍制。

圖1 紅外超寬帶減反膜理論光譜曲線

3.2 鍍制

寬光譜法是利用實(shí)測的光譜曲線與目標(biāo)光譜曲線進(jìn)行比較,計(jì)算出評價(jià)函數(shù)并將其反饋給控制系統(tǒng),當(dāng)評價(jià)函數(shù)的極小值為零時,被認(rèn)為膜層厚度達(dá)到了目標(biāo)值,停止蒸鍍。在理論上,這樣鍍出來的產(chǎn)品的光學(xué)特性與設(shè)計(jì)應(yīng)該完全吻合。但實(shí)際上,評價(jià)函數(shù)的極小值總是大于零。這是由于在實(shí)際鍍制中,鍍膜材料沒有達(dá)到理論計(jì)算所要求的折射率以及折射率的不均勻性對增透膜的影響等諸多原因,使得實(shí)際鍍膜的光譜特性和理論值存在比較大的偏差。同時,這也給判停帶來了極大的困難。為了解決這種偏差,在保證工藝參數(shù)基本穩(wěn)定的情況下,我們需要完善評價(jià)函數(shù)算法,確立合理的目標(biāo)光譜曲線,減小實(shí)際鍍膜的光譜特性和目標(biāo)特性的偏差,使評價(jià)函數(shù)的極小值趨近于零,達(dá)到最佳膜厚。

調(diào)試好真空鍍膜機(jī)，打開寬光譜監(jiān)控儀，當(dāng)真空度達(dá)到3×10-3Pa時，取暗底，標(biāo)定結(jié)束后，就可打開擋板進(jìn)行蒸鍍了，蒸鍍時要控制好蒸發(fā)速度，每層判停是采用目測法，即觀察目標(biāo)光譜曲線與理論設(shè)計(jì)曲線重合時,立即關(guān)掉擋板。圖2是第一層蒸鍍時的判停曲線圖。

圖3 鍍制完成的結(jié)果測試曲線

我們可以看出,鍍制的曲線與理論曲線基本相符，在此基礎(chǔ)上,我們用同樣的鍍制方法,又做了幾爐，但以后的幾爐都是以第一爐的工藝曲線作為判停標(biāo)志，結(jié)果一致性較好。

4 結(jié)論

圖2 第一層蒸鍍時的判停曲線圖

(1)寬光譜光學(xué)鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)在鍍制寬帶減反膜等寬帶產(chǎn)品方面具有特有的優(yōu)勢,監(jiān)控過程變簡單、高效,特別是產(chǎn)品鍍制出來基本能達(dá)到設(shè)計(jì)效果，而且曲線的重復(fù)性較好。

(2)結(jié)合折射率在線測量功能,針對每臺鍍膜機(jī)膜層參數(shù)的不同進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)修正,采用合適的高精度多手段的判停方式以及重復(fù)性、一致性的保證,該監(jiān)控技術(shù)適合產(chǎn)品研制與工業(yè)化批量生產(chǎn)。

（3）目前國內(nèi)的寬光譜光學(xué)鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)一般只能監(jiān)控400nm～1000nm的光譜范圍，而且只對光譜曲線進(jìn)行時時監(jiān)視作用，對于超出這一光譜范圍的膜系和判停，都需要操作者具有一定的經(jīng)驗(yàn)。

（4）目前國內(nèi)的寬光譜光學(xué)鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)還不能控制鍍膜機(jī)的蒸發(fā)速率，所以在實(shí)際使用中，建議配合石英晶控一起使用，避免由于蒸發(fā)速率過高，會給基片帶來濺射點(diǎn)子。這樣鍍制的產(chǎn)品，既有很好的光潔度，又能保證光譜特性的需要。

按照同樣的方法蒸鍍后面的七層，為了提高判停精度，在鍍第七層時，換了第二塊寬光譜監(jiān)控比較片，其他操作同前面的步驟。圖3是鍍制完成的結(jié)果測試曲線。

[1]唐晉發(fā)，鄭權(quán).應(yīng)用薄膜光學(xué)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984.

[2]顧培夫.薄膜技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990.

[3]周九林，尹樹百，譯.光學(xué)薄膜技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1974.

[4]賈秋平，張喆民，盧維強(qiáng)，李小龍.寬光譜監(jiān)控法鍍制高精度增透膜的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，（3）.

On the Breadth Spectrum Supervision Legal System Makes Red the Outside Super Breadth Reducing the Anti-film

ZHOU Yanmin，LI Jianfang,WANG Jun,YUAN Yong，MEI Gaoguo
(The Department of Electronic Information,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

Continuously develop along with the high-tech optoelectronics instrument,request instrumental spectrum to use scope more and more breadth,make a high request to thin film characteristic and accuracy of optical component thus,red the outside super breadth takes to reduce a kind of film that the anti-film is developed to adapt to these needs to fasten.The breadth spectrum supervision method is to plate to make high the accuracy red the outside super breadth taking one of the quite the cheese and the most effective methods of reducing the anti-film,this text according to the basic method of thin film optics,through a film fasten design,actual creation process and creation result,well proved this.

thin film optics;the super breadth taking to reduce an anti-film;the breadth spectrum supervises and controls

TB43

A

1674－5787（2011）03－0147－02

2011-03-05

周言敏（1972—），男，重慶璧山人，工程師，主要從事光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)、制作及教學(xué)。

責(zé)任編輯 王榮輝