基于等效折射率法的短波通濾光膜制備技術(shù)

張金豹，史成浡，耿 浩，楊資陽

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

在現(xiàn)代光學(xué)成像、光學(xué)測量、光學(xué)信息探測等光電系統(tǒng)應(yīng)用中，都需要用到多個(gè)光譜波段區(qū)域，所用光譜波段區(qū)域越多，儀器實(shí)現(xiàn)探測距離、攜帶信息、抵抗干擾、晝夜成像等功能越強(qiáng)。光學(xué)玻璃透明區(qū)0.35～2.2 μm，包含可見、微光、近紅外激光、短波紅外激光等幾個(gè)常用區(qū)域。利用光學(xué)玻璃設(shè)計(jì)功能新穎、性能優(yōu)良、多光譜區(qū)域共享的光學(xué)鏡頭已經(jīng)是一種發(fā)展趨勢。軍用光電裝備通常包含白光成像、微光夜視、激光測距、激光制導(dǎo)、紅外探測等多項(xiàng)功能，所以光學(xué)系統(tǒng)常會(huì)用到可見光、微光、近紅外、短波紅外、紅外等多個(gè)光譜區(qū)域，而短波通濾光膜以其特有的光學(xué)特性可以對(duì)這些光譜區(qū)域進(jìn)行區(qū)分選擇，便于實(shí)現(xiàn)光電系統(tǒng)的多光路設(shè)計(jì)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。短波通濾光膜實(shí)際制備中，在通帶區(qū)域處常會(huì)出現(xiàn)高級(jí)次截止帶，嚴(yán)重影響通帶的光譜利用率及通帶的多光路設(shè)計(jì)。文中通過重點(diǎn)論述短波通濾光膜設(shè)計(jì)方法、高級(jí)次截止帶產(chǎn)生原因、對(duì)稱膜堆等效折射率特性，利用等效折射率法抑制高級(jí)次截止帶展寬通帶設(shè)計(jì)并制備了通帶區(qū)域更寬的短波通濾光膜[4]。

1 技術(shù)原理

1.1 短波通濾光膜結(jié)構(gòu)

短波通濾光膜結(jié)構(gòu)G/(0.5κLH0.5κL)S/Air，結(jié)構(gòu)中H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，G為光學(xué)玻璃基板介質(zhì)，Air為空氣介質(zhì)，s為膜層周期數(shù)，κ為高、低折射率膜層厚度匹配系數(shù)。對(duì)于入射角度為α、中心波長為λ的短波通濾光膜光譜曲線如圖1所示。

從圖1中可以得到在λ/3、λ/5……等波長處會(huì)出現(xiàn)高級(jí)次截止帶，嚴(yán)重影響通帶區(qū)域的寬度[5]。

1.2 短波通濾光膜對(duì)稱膜堆等效折射率特性

單層膜的特征矩陣如下：

(1)

式中，η為單層膜導(dǎo)納；δ為單層膜位相厚度。對(duì)于無吸收介質(zhì)，m11和m22為實(shí)數(shù)，m12和m21為純虛數(shù)，而且m11=m22，矩陣的行列式值等于1，即

m11m22-m12m21=1

(2)

短波通濾光膜結(jié)構(gòu)G/(0.5κLH0.5κL)S/Air，(0.5κLH0.5κL)屬于以中間一層為中心，兩邊膜層對(duì)稱的多層膜，而多層膜的特征矩陣是各個(gè)單層膜特征矩陣的連乘積：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

M22=M11

(8)

M11M22-M12M21=1

(9)

對(duì)于無吸收的介質(zhì)膜系，M11和M22為實(shí)數(shù)，M12和M21為純虛數(shù)，而且M11=M22，行列式值等于1，具有單層膜矩陣的所有特點(diǎn)[6]，可以等效為單層膜。等效單層膜描述：

(10)

(11)

(12)

從式11和式12可知，在某些波長范圍內(nèi)等效位相厚度Γ是虛數(shù)，等效折射率E是虛數(shù)。

短波通濾光膜等效折射率如圖2所示。從圖2中可以得到在λ、λ/3、λ/5……等波長附近處等效折射率為虛數(shù)，這些波段對(duì)應(yīng)膜系的截止帶，而其他實(shí)數(shù)波段則對(duì)應(yīng)通帶。如果想要擴(kuò)展通帶寬度，則需要將高級(jí)次截止帶的等效折射率轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)[7-8]。本文提出G/(κ5Hκ4Lκ3Hκ2Lκ1Hκ2Lκ3Hκ4Lκ5H)S/Air的膜系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高級(jí)次λ/3波長截止帶抑制，大幅度擴(kuò)展了短波通濾光膜通帶寬度。

2 短波通濾光膜設(shè)計(jì)

技術(shù)指標(biāo)：在45°傾斜測試下，400～900 nm，Tave≥90%，1 064 nm，Tave≥90%，1 570 nm，Rave≥90%，膜層質(zhì)量滿足JB/T 8226.8—1999檢測標(biāo)準(zhǔn)。

膜系結(jié)構(gòu)：G/(0.018H0.469L0.153H0.151 L1.005H0.151L0.153H0.469L0.018H)10/Air。

結(jié)構(gòu)中，α：45°，λ：1 570 nm，H：Ta2O5，L：SiO2，G：光學(xué)玻璃，Air：空氣。

所設(shè)計(jì)膜系的等效折射率如圖3所示。從圖3可以得到所設(shè)計(jì)膜系在高級(jí)次λ/3波長處截止帶抑制，等效折射率為實(shí)數(shù)，通帶區(qū)域得到了擴(kuò)展。所設(shè)計(jì)膜系的光譜圖如圖4所示。優(yōu)化后的膜層厚度見表1。

序號(hào)材料物理厚度/nm序號(hào)材料物理厚度/nm1SiO2244.32Ta2O5153SiO245.184Ta2O529.685SiO2156Ta2O5138.497SiO230.518Ta2O523.259SiO2240.0110Ta2O521.9311SiO230.9412Ta2O5150.1213SiO231.2214Ta2O522.0915SiO2246.5416Ta2O523.0917SiO234.418Ta2O5164.6319SiO234.0620Ta2O522.3721SiO2241.922Ta2O521.4123SiO232.6724Ta2O5155.6925SiO232.7926Ta2O521.4427SiO2235.5728Ta2O520.8729SiO232.2830Ta2O5157.2131SiO235.332Ta2O522.433SiO2262.2334Ta2O522.6435SiO236.8536Ta2O5158.3837SiO232.8538Ta2O518.1539SiO2216.0140Ta2O521.12

(續(xù)表)

3 短波通濾光膜制備

制備設(shè)備：萊寶SYRUSpro1100(見圖5)。

制備工藝參數(shù)試制：對(duì)Ta2O5、SiO2進(jìn)行工藝參數(shù)試制，尋找2種膜料應(yīng)力匹配參數(shù)(見表2)[9-10]。

優(yōu)化后膜系厚度：G/SiO2/Ta2O5/……/SiO2/Air，共57層且2種膜料物理總厚度差異不能過大(見表1)。

制備過程：當(dāng)真空度高于6×10-2Pa時(shí)，烘烤基板150 ℃；當(dāng)真空度高于3×10-3Pa時(shí)，對(duì)Ta2O5進(jìn)行充分預(yù)熔、除氣；達(dá)到工藝真空度2×10-3Pa后，APS源開啟，進(jìn)行離子束轟擊清洗零件；清洗結(jié)束后，開啟程序，按工藝參數(shù)及膜層厚度交替鍍制Ta2O5、SiO2，直至程序結(jié)束。

表2 膜層應(yīng)力匹配主要工藝參數(shù)

4 短波通濾光膜測試

測定光譜曲線、膜層強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性。

4.1 光譜曲線

測試依據(jù)：光譜技術(shù)指標(biāo)要求。

測試設(shè)備：PerkinElmer's Lambda900紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)[11-12]。

測試內(nèi)容：測定膠合棱鏡在45°的入射下0.4～1.8 μm透射光譜圖(見圖6)。測試結(jié)果為0.4～0.9 μm，Tave≥92%，1.064 μm，Tave≥92%，1.57 μm，Rave≥92%，滿足了光學(xué)技術(shù)指標(biāo)要求。

4.2 膜層抗磨強(qiáng)度

測試依據(jù)：JB/T 8226.8—1999。

測試設(shè)備：膜層強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。

測試內(nèi)容：用膜層強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，同膜層接觸的磨頭為球半徑3 mm、表面粗糙度Ra0.4 μm的鋼球，外裹2層干的脫脂紗布，使用時(shí)磨頭對(duì)被檢膜面的作用力為1.96 N(0.2 kg)，當(dāng)零件表面有效孔徑為D(mm)時(shí)，零件轉(zhuǎn)速按n=10 000/D(單位為r/min)選擇，磨頭觸點(diǎn)到零件轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離應(yīng)為D/3，零件經(jīng)受2 000轉(zhuǎn)摩擦后的膜層不磨破，滿足了膜層的抗磨強(qiáng)度(見表3)。

表3 膜層抗磨強(qiáng)度試驗(yàn)

4.3 膜層環(huán)境適應(yīng)性

測試項(xiàng)目：恒定濕熱、鹽霧、低溫。

測試依據(jù)：GB/T 2423.3、GB/T 2423.17、GB/T 2423.1。

測試內(nèi)容：滿足膜層的環(huán)境適應(yīng)性。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)薄膜干涉理論的靈活運(yùn)用，設(shè)計(jì)了新型的多單元周期的短波通濾光膜，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，匹配了2種膜料膜層厚度，消除了應(yīng)力累積效應(yīng)造成的膜層破裂現(xiàn)象，并利用APS離子源輔助沉積技術(shù)，提升了薄膜的成膜質(zhì)量，規(guī)避了薄膜吸潮曲線漂移現(xiàn)象。同時(shí)，通過對(duì)周期數(shù)的調(diào)整，使截止深度不斷調(diào)節(jié)優(yōu)化，為該類型的短波通濾光膜制備制訂了較好的解決方案。