自聚焦透鏡分光膜的研制＊

高曉丹

（武漢東湖學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430212）

引 言

自聚焦透鏡作為一種重要的光學(xué)器件，具有很好的聚光、準(zhǔn)直和成像特性［1－3］，被廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感和光成像系統(tǒng)中［4］，尤其是在光纖通信中，可作為耦合器、連接器、光開(kāi)關(guān)、衰減器和波分復(fù)用器等［5］。因此，不斷地改進(jìn)和開(kāi)發(fā)自聚焦透鏡的性能具有非常重要的意義。而光學(xué)薄膜作為光學(xué)儀器的重要組成部分，特別是在光無(wú)源器件中，可通過(guò)在指定的基底上鍍制若干層薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的分光和濾光的目的，進(jìn)而改善其性能。基于自聚焦透鏡在激光泵浦聚光、醫(yī)用內(nèi)窺鏡、光纖一體化設(shè)備、準(zhǔn)直器、耦合器和透鏡矩陣中的應(yīng)用要求，本文研制了自聚焦透鏡上95∶5分光膜。

1 自聚焦透鏡95∶5分光膜的設(shè)計(jì)

自聚焦透鏡95∶5分光膜的參數(shù)要求如下：自聚焦透鏡的分光波段為1470～1610nm，該波段內(nèi)反射率R和透射率T分光比R∶T＝95∶5。

光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)方法通常有解析法和各種優(yōu)化設(shè)計(jì)法。解析法采用規(guī)整膜系，工藝上易實(shí)現(xiàn)，沉積誤差較小，但光譜性能略差［6］。變尺度優(yōu)化法通過(guò)改變膜層厚度和優(yōu)化參數(shù)等計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，從而尋找最佳膜系。因此，針對(duì)所使用鍍膜機(jī)的特點(diǎn)和控制精度，綜合運(yùn)用解析法和變尺度優(yōu)化法設(shè)計(jì)膜系。

根據(jù)薄膜的理化性能需求，選用高低兩種折射率膜料設(shè)計(jì)膜系［7］，其中，Ta2O5為高折射率膜料，SiO2為低折射率膜料，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)定并驗(yàn)證高低折射率膜料的折射率分別為nH＝2.07，nL＝1.465。為便于膜系實(shí)際鍍制時(shí)監(jiān)控，選擇一個(gè)合適的監(jiān)控片監(jiān)控膜系的沉積，自聚焦透鏡的中心折射率為1.6，可考慮選擇F7玻璃作為監(jiān)控片，1535nm作為參考波長(zhǎng)，在此參考波長(zhǎng)下用解析法設(shè)計(jì)一個(gè)初始膜系：

其中，H代表四分之一參考波長(zhǎng)高折射率材料，L代表四分之一參考波長(zhǎng)低折射率材料。初始膜系的設(shè)計(jì)在膜系設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用，一個(gè)合適的初始膜系可以為下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作奠定一個(gè)較好的基礎(chǔ)，從而簡(jiǎn)化后續(xù)計(jì)算分析過(guò)程，得到更為理想的膜系設(shè)計(jì)曲線。對(duì)初始設(shè)計(jì)膜系最后三層采用變尺度優(yōu)化法優(yōu)化，最終得到如下16層可鍍制膜系：

圖1 分光膜的反射率設(shè)計(jì)曲線以及基底折射率存在3%偏差時(shí)的擬合曲線Fig.1 The designed reflectance curve and the fitting curve as refractive index deviation 3%of light－splitting film

所設(shè)計(jì)出的自聚焦透鏡95∶5分光膜的反射光譜如圖1中實(shí)線所示，在1470～1610nm波段范圍內(nèi)，分光比基本上為R∶T＝95∶5，與膜系設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。

2 設(shè)計(jì)膜系的誤差分析

雖然分光膜的設(shè)計(jì)膜系具有較好的分光特性，分光偏差不到±0.1%，但實(shí)際鍍制時(shí)需要結(jié)合多方面可能導(dǎo)致誤差的因素，也就是需要考慮設(shè)計(jì)膜系的魯棒性。鑒于該設(shè)計(jì)膜系的鍍膜基底是自聚焦透鏡，雖然自聚焦透鏡端面半徑不到1mm，但其折射率沿徑向具有梯度分布，所以有必要分析基底材料折射率發(fā)生變化時(shí)，設(shè)計(jì)膜系的魯棒性。自聚焦透鏡的端面折射率沿徑向呈梯度減少，當(dāng)沿徑向的折射率相對(duì)于中心折射率存在3%偏差時(shí)，其設(shè)計(jì)膜系的擬合曲線如圖1中虛線所示。對(duì)比設(shè)計(jì)膜系的理論反射率曲線和基底折射率存在3%偏差時(shí)的擬合曲線，可以發(fā)現(xiàn)，兩組反射率曲線的誤差近似為0.1%，在實(shí)際應(yīng)用需求所允許的范圍以內(nèi)。所以，該設(shè)計(jì)膜系具有較好的魯棒性。

3 自聚焦透鏡95∶5分光膜的鍍制

光學(xué)薄膜能否鍍制成功，不僅取決于膜系設(shè)計(jì)，在很大程度上，更取決于鍍制工藝，一個(gè)好的膜系沒(méi)有合適的工藝，依然得不到符合參數(shù)要求的薄膜［6］。在德國(guó)萊寶APS1104型鍍膜機(jī)上經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，確定了一套合適的鍍制工藝。

首先是自聚焦透鏡的固定工藝。將自聚焦透鏡和用來(lái)固定自聚焦透鏡的夾持片用丙酮清洗干凈，以毛玻璃作為定位片，將自聚焦透鏡與夾持片放置其上，并將自聚焦透鏡在夾持片Φ1.8孔中放正，即垂直毛玻璃定位表面。將三者放入烘箱中，逐步升高爐溫至180℃，將高溫膠熔化，點(diǎn)在自聚焦透鏡與夾持片的結(jié)合處，使之固化。

鍍膜材料是純度為99.99%的Ta2O5和SiO2膜料，蒸鍍前先對(duì)Ta2O5進(jìn)行預(yù)熔。采用德國(guó)萊寶APS1104型真空鍍膜機(jī)對(duì)所設(shè)計(jì)的膜系進(jìn)行實(shí)際鍍制，高折射率材料和低折射率材料分別用電子槍ESQ－14和ESV－212蒸發(fā)，由于所設(shè)計(jì)的膜系包含非規(guī)整膜層，為了提高監(jiān)控精度，實(shí)際鍍制時(shí)采用透射式OMS3000光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)和QSM石英晶體振蕩膜厚控制系統(tǒng)共同監(jiān)控薄膜的厚度，其中規(guī)整膜層主要采用光學(xué)監(jiān)控，晶控為輔，而非規(guī)整膜層采用晶振控制為主，光控為輔。為了能夠得到均勻致密的分光膜，采用等離子體輔助淀積系統(tǒng)［8］，在高真空的條件下，離子源輝光放電，不僅可以清潔基片，還可以激活鍍件表面的原子，使蒸鍍的膜料分子在基片表面形成部分化學(xué)吸附鍵，增強(qiáng)薄膜與基片的吸附力，從而減少應(yīng)力的影響［9］。

蒸鍍前先對(duì)鍍膜機(jī)抽真空至1×10－6Pa，然后采用離子源對(duì)基片加熱，基片溫度的不同會(huì)導(dǎo)致薄膜折射率、幾何密度、散射、附著力、硬度和應(yīng)力等產(chǎn)生不同的變化［10－12］，離子源加熱溫度設(shè)置為150℃。高、低折射率材料的蒸發(fā)速率分別為0.65nm／s和1.3nm／s，為了減小薄膜的吸收，在蒸鍍過(guò)程中充高純氧，嚴(yán)格控制離子源的參數(shù)，以保證材料折射率的穩(wěn)定和材料的均勻蒸發(fā)，鍍膜過(guò)程中的真空度維持在1×10－2Pa。

圖2是所鍍制分光膜的光譜測(cè)試曲線。由測(cè)試曲線可見(jiàn)，該分光膜在1470～1610nm波段范圍內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了R∶T＝95∶5的分光比。由于實(shí)驗(yàn)儀器條件的限制，所使用測(cè)試儀器的光譜范圍局限于1310±25 nm，1550±25nm波段范圍，導(dǎo)致測(cè)試曲線在其它波段存在較大的波紋，但基本上能反映分光的設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn)，采用該設(shè)計(jì)膜系及其工藝鍍制的分光膜完全符合自聚焦透鏡分光膜的實(shí)際應(yīng)用需求。

圖2 鍍制的分光膜的測(cè)試曲線Fig.2 Tested curve of the deposited light－splitting film

4 結(jié) 論

以Ta2O5和SiO2為介質(zhì)材料，運(yùn)用TFCalc膜系設(shè)計(jì)軟件的綜合解析法和變尺度優(yōu)化法進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出1470～1610nm波段分光比為95∶5的自聚焦透鏡分光膜。分析了該設(shè)計(jì)膜系在基底折射率呈梯度減少時(shí)的擬合曲線，并針對(duì)德國(guó)萊寶APS1104型鍍膜機(jī)制訂了合適的鍍制工藝，實(shí)際鍍制出的分光膜能較好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

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