基于光電傳感技術(shù)的窄帶濾光器件光譜參數(shù)影響因素研究

于志強(qiáng) ，費(fèi)書國 ，陰曉俊 ，李 新 ，趙帥鋒 ，任少鵬

（1沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 遼寧 沈陽 110043）

（2沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110870）

0 引言

隨著光電傳感技術(shù)的快速發(fā)展，對于有效信息的獲取精度也越來越高。窄帶濾光器件是光電檢測系統(tǒng)的核心零部件，一種實(shí)現(xiàn)分光與濾波的關(guān)鍵光學(xué)元器件，其作用是保留有效區(qū)的光譜信息，過濾系統(tǒng)的噪聲光，進(jìn)而提高系統(tǒng)的檢測精度，目前廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、生物識(shí)別、航空航天、氣體檢測、激光探測和光纖通信等信息技術(shù)領(lǐng)域[1]。窄帶濾光器件的光譜參數(shù)是衡量性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，其影響因子包括薄膜材料的折射率之差，反射膜層層數(shù)、干涉級(jí)次、間隔層材料的選擇和腔數(shù)等。此研究考慮到薄膜制備的難易程度，并對各膜層進(jìn)行敏感度分析。

1 F-P結(jié)構(gòu)窄帶濾光器件

法布里-珀珞（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具的原理是利用一束垂直入射光在上下平行反射板間進(jìn)行多次反射，產(chǎn)生多束相干的反射光，多數(shù)相干透射光是由入射光在兩個(gè)平行反射板間反復(fù)透射產(chǎn)生，出射光在焦平面上形成等傾圓環(huán)狀干涉條紋。如圖1所示F-P結(jié)構(gòu)濾光器件是利用光的干涉效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)一種帶通的光譜特性。a、b分別代表上平行反射板，d為間隔層，基本結(jié)構(gòu)可表示為：Y（x，m，n）=Air/[（HL）x（2 mH）（HL）x]n或 Y（x，m，n）=Air/[（HL）xH（2 mL）（HL）xH]n，當(dāng)n=1時(shí)，此結(jié)構(gòu)為單半波（腔）窄帶濾光器件，n＞3時(shí)，為多半波窄帶濾光器件[2-3]，H和L分別代表1/4波長光學(xué)厚度的高、低折射率材料，x為反射層（HL）的疊加次數(shù)，2m為干涉級(jí)次，n為腔數(shù)。

F-P結(jié)構(gòu)窄帶濾光器件的透射率表達(dá)式為[4-8]：

R1、R2為a、b平行反射板的反射率，T1、T2為a、b面的透射率。φ1、φ2為對應(yīng)于a、b兩面下側(cè)反射系數(shù)在波長λ的反射相位，δ=4πndcosi/λ為間隔層的位相厚度，n、d分別為多膜層的折射率和厚度，i為折射角。

由式（1）可知，當(dāng)φ為π的整數(shù)倍時(shí)，透射率最大。假設(shè)在φ=2kπ處為峰值透射率，此時(shí)在峰值一半處的相位差 Δφ=ε，可得：

角半寬度ε：

固定n、d、i為常數(shù)，對δ微分dδ=-4πndcosidλ/λ2，令dδ=ε，取dλ=Δλk（第k個(gè)透射帶的半寬度），并由2ndcosi=kλ（光程差為λ的整數(shù)倍），可得到F-P結(jié)構(gòu)窄帶濾光器件的通帶半寬度表達(dá)式為：

窄帶濾光器件的矩形度為透射率90%處的通帶寬度與透射率為50%處的通帶半寬度的比值，其值越趨近于1，則矩形度越好。截止陡度S表征著光譜曲線的透射區(qū)到截止區(qū)的變化趨勢，百分比值的計(jì)算為80%的透射率對應(yīng)的波長值與10%透射率對應(yīng)的波長值之差與參考波長間的比值，其值越小，截止陡度越好。

通帶半寬度、矩形度和截止陡度是膜系設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)，考慮薄膜的制備難度，下面利用Essential Macleod膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，探討光譜參數(shù)和膜層敏感度的影響因素，揭示在不同影響因子的情況下光譜參數(shù)的變化規(guī)律。

2 影響光譜性能因素研究

設(shè)計(jì)規(guī)整膜系1/4波長集的F-P結(jié)構(gòu)窄帶濾光器件，采用Macleod Turning Point靈敏度工具對鍍制每一層膜的臨界值拐點(diǎn)處進(jìn)行靈敏度分析[9-11]，模擬薄膜窄帶濾光器件在鍍制過程中監(jiān)測的精度，靈敏度值越大，薄膜制備難度越大。以檢測NO氣體常用中心波長5 250 nm窄帶濾光器件為例，基底材料選用單晶硅，改變x、m、n值分析光譜特性（通帶半寬度、矩形度、截止陡度）和膜層敏感度相應(yīng)的變化。

2.1 薄膜材料折射率之差的影響

選用Y（1，2，1）=HLH4LHLH單腔窄帶膜系為例，高折射率材料為Ge，在5 250 nm處的折射率約為4.3[12]，低折射率材料分別選用SiO2、MgF2和Al2O3進(jìn)行對比分析，其折射率分別約為1.65、1.38和1.32[13-14]，3種低折射率薄膜材料與Ge組合后的折射率之差見表1。

表1 高低折射率材料組合之差

通過Essential Macleod進(jìn)行膜層敏感度和光譜曲線仿真后，結(jié)果見圖2，第4層低折射率薄膜材料的敏感程度最大，反映出薄膜材料折射率之差越大，膜層的敏感度（s）越大，工藝鍍制過程中厚度走值誤差變大，制備難度提升。反觀光譜特性，通帶半寬度變小，矩形度變差，截止陡度變好。

2.2 反射膜層數(shù)的影響

以低折射率材料SiO2為間隔層的單腔窄帶濾光片為例，即n=1，設(shè)干涉級(jí)次m=2，x為變量，取值x分別為1、2、3。即 Y（x，2，1）=（HL）xH4L（HL）xH，高低折射率材料H為Ge，低折射率材料L為SiO2，模擬仿真結(jié)果見圖3。

依據(jù)圖3a，當(dāng)x=1時(shí)，HLH4LHLH的相對敏感系數(shù)值為250左右，HLHLH4LHLHLH相對敏感系數(shù)為310左右，HLHLHLH4LHL HLHLH的相對敏感系數(shù)值為325左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以低折射率材料為間隔層時(shí)，反射膜層數(shù)的增加，膜層的敏感度相應(yīng)變大。依據(jù)圖3b顯示，反射膜層數(shù)增加，透射區(qū)的通帶半寬度變窄，矩形度和截止陡度變好。

2.3 干涉級(jí)次m的影響

以低折射率材料為間隔層的單腔F-P窄帶濾光片為例，即n=1，設(shè)反射膜層x=2，干涉級(jí)次m為變量，取值分別為1、2、3，此時(shí)膜系分別為HLHLH2LHLHLH、HLHLH4LHLHLH和HLHLH6LHLHLH，高低折射率材料H為Ge，低折射率材料L為SiO2。模擬仿真結(jié)果見圖4。

隨著干涉級(jí)次的增加，膜層的相對敏感度均約為630左右，不受m值變化的影響，相應(yīng)透射區(qū)光譜的通帶半寬度逐漸變窄，矩形度和截止陡度變好，但其變化程度不如增加反射膜層明顯。

2.4 間隔層材料的影響

設(shè)x=2，m=2，n=1，則高折射率材料Ge為間隔層時(shí)的膜系為HLHL 4HLHLH，低折射率材料SiO2為間隔層膜系為HLHLH4LHLHLH。模擬仿真結(jié)果見圖5。

圖5a顯示，在第6膜層（4L或4H）最敏感，低折射率材料為間隔層時(shí)，膜層相對敏感度值約為620左右，高折射率材料為間隔層時(shí)，膜層相對敏感度值約為55左右，表明以低折射率材料L作為間隔層時(shí)，膜層的敏感度較大。圖5b顯示，以低折射率L為間隔層時(shí)，透射區(qū)的通帶半寬度會(huì)變窄，截止陡度和矩形度變好。

2.5 不同腔數(shù)n的影響

設(shè)反射膜層數(shù)x=2，干涉級(jí)次m=2，取值腔數(shù)n為1、2、3，低折射率L間隔層，此時(shí)膜系為HLHLH4LHLHLH、（HLHLH4LHLHLH）2、（HLHLH4LHLHLH）3，H為 Ge，L為SiO2。仿真結(jié)果見圖6。

取n=1，n=2，n=3，以H、L薄膜材料分別作為間隔層時(shí)，膜層的敏感度未發(fā)生改變。由圖6a所示，3種不同腔數(shù)n的條件下，在第6層膜敏感度最大，其值均為630左右。由此可知，隨著腔數(shù)n的增加膜層的相對敏感度未受到影響，但光譜透射區(qū)的通帶半寬度變窄，矩形度變好，截止陡度變好。

3 結(jié)語

本文研究了光電傳感技術(shù)用窄帶濾光器件光譜特性的影響因素，并在各種光譜參數(shù)下進(jìn)行膜層敏感度分析，揭示膜層敏感度和光譜特性的影響關(guān)系。并對薄膜材料的選取（高低折射率之差）、反射膜層數(shù)、干涉級(jí)次、間隔層材料和腔數(shù)等采用控制變量法，經(jīng)Essential Macleod膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得出F-P結(jié)構(gòu)窄帶濾光器件的通帶半寬度、矩形度、截止陡度和各膜層敏感度變化的規(guī)律，提供一種合理的規(guī)整膜系設(shè)計(jì)方法，并可仿真出任意一種1/4波長規(guī)整膜系的每一膜層在工藝制備過程中的復(fù)雜度。