窄帶濾光片設(shè)計中敏感度的影響因素

侯海港, 劉桂武, 邵海成, 王明松, 喬冠軍,2

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 西安交通大學(xué) 金屬材料強度國家重點實驗室, 陜西 西安 710049)

通常相對帶寬(半寬度與通帶中心波長之比)小于0.05的稱窄帶濾光片,其對特定波段的光譜進行選擇,使特定波段的光通過,其余波段的光截止.對于薄膜元件,窄帶濾光片的應(yīng)用非常廣泛,主要應(yīng)用在航空航天、有害氣體傳感器、紅外醫(yī)療、間接溫度測量、等離子體檢測、激光探測、空間探測和光纖通信系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-3].

目前,由于窄帶濾光片在軍品和民品光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛,從而也提高了對其性能的要求,如通帶透過率、定位精度、截止深度、陡度、矩形度等光學(xué)性能[4-6].雖然可以通過改變一些設(shè)計參數(shù)設(shè)計出性能較好,滿足技術(shù)要求的窄帶濾光片,但是很大部分設(shè)計由于膜層敏感度較大,在目前設(shè)備條件下卻很難制備出來,從而增加了研發(fā)和生產(chǎn)成本.因此,文中研究了各參數(shù)對窄帶濾光片制備中敏感度的影響,為設(shè)計和制備出性能較好且符合要求的窄帶濾光片提供參考.

法布里-珀珞結(jié)構(gòu)濾光片是最為常用的窄帶干涉濾光片,其基本結(jié)構(gòu)為

A(x,m,1)=Air/(HL)x(m2H)(LH)x/Glass,
A(x,m,0)=Air/H(LH)x-1(m2L)(HL)x-1H/Glass,
Y(A)=A(x,m,1),
Y(A1,A2)=A(x1,m1,t1)LA(x2,m2,t2),
Y(A1,A2,A3)=
A(x1,m1,t1)LA(x2,m2,t2)LA(x3,m3,t3),

式中:(HL)x和(LH)x是法布里-珀珞型窄帶濾光片的反射層,其由光學(xué)厚度為1/4 中心波長的單層膜疊加而成;x代表反射層的層數(shù);2H或2L是法布里-珀珞型窄帶濾光片的間隔層,其光學(xué)厚度為1/2 中心波長;m代表窄帶濾光片的干涉級次;t=1,代表其間隔層為高折射率膜層;t=0 代表間隔層為低折射率膜層;Y(A),Y(A1,A2),Y(A1,A2,A3)分別代表單腔、雙腔、三腔濾光片結(jié)構(gòu)[7-9].

2 影響窄帶濾光片敏感度參數(shù)

文獻[10]對窄帶濾光片設(shè)計中通帶半寬度、矩形度和陡度的影響因素研究表明,增加反射層層數(shù),會使陡度變好,半寬度變窄,矩形度變差;增加腔數(shù),會使陡度變好,半寬度變寬,矩形度變好;增加干涉級次,會使陡度變好,矩形度變好,半寬度變窄.但是,制備過程中的系統(tǒng)誤差和隨機誤差對濾光片性能會產(chǎn)生嚴重的影響,使制備出的多層膜與設(shè)計嚴重不符,無法滿足使用要求.因此反射層增加、腔數(shù)增加、干涉級次增加以及間隔層的選擇可能會對窄帶濾光片敏感度帶來很大的影響,由此增大誤差對濾光片光學(xué)性能的影響,使設(shè)計與制備不符.所以需要針對窄帶濾光片膜系設(shè)計中的高低折射率間隔層選擇、干涉級次、反射層層數(shù)和腔數(shù)對窄帶濾光片設(shè)計和制備中敏感度的影響進行分析,從而得到它們的影響規(guī)律.

3 窄帶濾光片敏感度模擬試驗

利用光學(xué)薄膜設(shè)計軟件Essential Macleod,以中心波長為4.26 μm的窄帶濾光片為初始設(shè)計膜系,其中基底為單晶硅,Ge為高折射率膜層,SiO為低折射率膜層,進行模擬試驗[11].

1) 不同間隔層反射層數(shù)的影響.選用高折射率間隔層的(HL)22H(LH)2,(HL)32H(LH)32組膜系為例,在Essential Macleod 軟件中模擬,結(jié)果如圖1所示, 隨著反射層數(shù)的增加,敏感度增加,敏感層為低折射率膜層(SiO),從而增大了制備的難度.同時,用低折射率間隔層試驗,其膜系具有相似結(jié)果.

2) 不同間隔層干涉級次的影響.選用高折射率間隔層的(HL)22H(LH)2,(HL)26H(LH)22組膜系為例,在Essential Macleod 軟件中模擬,結(jié)果如圖2所示, 隨著干涉級次的增加,敏感度并未發(fā)生變化,敏感層為低折射率膜層(SiO).同時,若以低折射率間隔層模擬,其膜系具有相同結(jié)果,但是由于敏感層為低折射率膜層(SiO),若采用低折射率間隔層,且通過增加間隔層厚度,使陡度、矩形度變好,則在制備過程中由于厚度較大,蒸鍍誤差較大,且為敏感層,會增加膜系不穩(wěn)定性.

圖1 不同反射層數(shù)相對敏感度影響

圖2 不同干涉級次相對敏感度影響

3) 不同間隔層腔數(shù)的影響.選用高折射率間隔層的(HL)2H(LH),(HL)2H(LH)L(HL)2H(LH)2組膜系為例,在Essential Macleod 軟件中模擬,結(jié)果如圖3所示, 隨著腔數(shù)的增加,相對敏感度并未發(fā)生明顯的變化,敏感層為低折射率膜層(SiO).

選用低折射率間隔層的H(LH)2L(HL)H,H(LH)2L(HL)HLH(LH)2L(HL)H 2組膜系為例,在Essential Macleod 軟件中模擬,結(jié)果均如圖4所示, 隨著腔數(shù)的增加,相對敏感度增加,且敏感層為低折射率膜層(SiO).

圖3 高折射率間隔層不同腔數(shù)對敏感度影響

圖4 低折射率間隔層不同腔數(shù)對敏感度影響

4 模擬試驗結(jié)果驗證

針對檢測CO2用4.26 μm窄帶濾光片,進行2組膜系設(shè)計及制備過程中誤差分析,來驗證上述窄帶濾光片敏感度模擬試驗分析結(jié)果.選擇單晶硅為基底,Ge為高折射率膜層,SiO為低折射率膜層,利用膜系設(shè)計軟件Essential Macleod進行設(shè)計和優(yōu)化,如圖5所示,2組膜系設(shè)計均滿足使用技術(shù)要求.圖5a膜系為Air/HL6HLHLHL4HLHLHL6HLH/Sub,其以高折射率材料為間隔層,反射層數(shù)x=1,3腔結(jié)構(gòu);圖5b膜系為Air/(HL)H2LH(LH)L(HL)2-H2LH(LH)2/Sub,其以低折射率材料為間隔層,反射層數(shù)x=2,3,2腔結(jié)構(gòu).

圖5 2組膜系理論設(shè)計曲線

圖6為2組膜系的敏感度分析,發(fā)現(xiàn)圖6a膜系敏感度明顯低于圖6b膜系.

圖6 2組膜系的相對敏感度分析

圖7和圖8為2組膜系在0.1%隨機誤差條件下的窄帶濾光片光譜圖.由圖發(fā)現(xiàn)在相同的誤差條件下,Air/(HL)H2LH(LH)L(HL)2H2LH(LH)2/Sub膜系偏離理論設(shè)計較大,光譜曲線更加雜亂,無法滿足使用要求,從而制備該膜系要求膜厚監(jiān)控精度要大于Air/HL6HLHLHL4HLHLHL6HLH/Sub膜系,由此增大了制備的難度和不穩(wěn)定性,驗證了上述窄帶濾光片敏感度模擬試驗分析結(jié)果的正確性.

圖7 Air/HL6HLHLHL4HLHLHL6HLH/Sub膜系光譜曲線

圖8 Air/(HL)H2LH(LH)L(HL)2H2LH(LH)2/

5 結(jié) 論

在窄帶濾光片設(shè)計的過程中,增加反射層層數(shù),會使陡度變好,半寬度變窄,矩形度變差,同時無論采用高折射率還是低折射率材料為間隔層都會增加膜系的敏感度,增大制備難度;增加干涉級次,會使陡度變好,矩形度變好,半寬度變窄,雖然不同間隔層干涉級次的改變都對敏感度沒有影響,但是從制備的角度考慮,若以低折射率間隔層,敏感層為低折射率膜層,制備過程中膜層較厚,蒸鍍誤差較大,且為敏感層,會增加膜系不穩(wěn)定性;增加腔數(shù),會使陡度變好,半寬度變寬,矩形度變好,若以高折射率材料為間隔層則對膜系的敏感度沒有影響,但是若以低折射率材料為間隔層則會增加膜系的敏感度.因此在窄帶濾光片設(shè)計的過程中,在滿足設(shè)計要求的同時,盡量減少反射層層數(shù),不以低折射率膜層為間隔層,減少低折射率膜層,以降低敏感度和制備難度,同時減少制備成本.

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