矩形波寬帶通濾光膜研究

董 瑩，張艷茹，胡 榮，劉永強(qiáng)，楊崇民

（1. 西安應(yīng)用光學(xué)研究所 ，陜西 西安 710065；2. 北京科益虹源光電技術(shù)有限公司，北京 102605）

引言

帶通濾光膜是指在一定波段內(nèi)，除中間一小段高透射外，其余均是高反射帶。可以粗略地分成窄帶通濾光片和寬帶通濾光片。窄帶通濾光片[1]通常采用Fabry-Perot 干涉儀形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和制備；寬帶通濾光片多采用長(zhǎng)波截止與短波截止濾光膜組合的方式獲得。近年來(lái)，由于帶通濾光片變角度使用情況增多，矩形波帶通濾光片愈發(fā)重要。在軍事、武器裝備領(lǐng)域，高矩形度、寬截止波段的寬帶通濾光片可以消除武器裝備在實(shí)際使用中的偏軸、變溫效應(yīng)，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

國(guó)外對(duì)矩形波濾光片[2]的研究較早。國(guó)內(nèi)費(fèi)書(shū)國(guó)[3]、申林[4]、楊潔[5]、龐薇[6]等對(duì)F-P 型矩形波窄帶通濾光片進(jìn)行了研究，F(xiàn)-P 型濾光膜系為達(dá)到更高的矩形度，需要制備的膜層腔數(shù)較多，通帶范圍較窄，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性、一致性以及監(jiān)控精度要求較高；國(guó)產(chǎn)設(shè)備光控精度有限，進(jìn)口光控價(jià)格昂貴，所以用F-P 型濾光膜系設(shè)計(jì)、制備矩形波寬帶通濾光片的局限性較大；齊健[7]、朱新華[8]、岳鵬飛[9]、趙會(huì)聰[10]等使用長(zhǎng)、短波截止濾光膜層組合的方式，利用晶控法制備了矩形波寬帶通濾光片。由于長(zhǎng)、短波截止濾光膜組合的方法使得膜層很厚，特別是對(duì)于截止帶較寬的帶通濾光片，其厚度會(huì)成倍增加，應(yīng)力迅速增大，環(huán)境適應(yīng)性較差，晶控法工藝一致性[11]也使得鍍制的樣片通帶透過(guò)率較差，截止寬度較短。

本文研究了一種K9 基底上的矩形波50 nm 帶寬的寬帶通濾光膜層，要求λ0=515 nm，透射帶λ=λ0±25 nm，透 射帶 平均 透 過(guò) 率 τˉ≥92%，截止帶λ=400 nm～475 nm、λ=555 nm～1100 nm 的OD3-A 矩形波寬帶通濾光片。采用新方法設(shè)計(jì)的膜層通帶透過(guò)率高，膜層整體厚度較薄，監(jiān)控方法簡(jiǎn)便，每層膜的厚度適中，敏感度較低，透射率滿足要求。制備了實(shí)驗(yàn)樣片，測(cè)試結(jié)果顯示制備的樣片滿足要求。在保證膜層光學(xué)指標(biāo)的前提下，克服了F-P 型濾光膜控制精度要求高、成本大、晶控法監(jiān)控膜層透過(guò)率不高、膜層厚度過(guò)大的缺點(diǎn)。

1 理論分析

1.1 指標(biāo)分析

光密度值定義為：入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度之比的對(duì)數(shù)，即：

光密度和吸光度是同一個(gè)概念，國(guó)標(biāo)中規(guī)范使用“光密度（optical density，OD）”命名。OD 值確定了帶通濾光膜反射帶的透過(guò)率。帶通濾光膜的反射編號(hào)和截止帶一一對(duì)應(yīng)，A表示反射帶為400 nm～1100 nm。

根據(jù)上述分析可知，本文研究的膜層透過(guò)率要求可以寫(xiě)成：K9基底上λc1=400 nm～475 nm，λc2=555 nm ～1100 nm，透過(guò)率τ≤0.1%，透射帶λ=490～540 nm，透過(guò)率 τˉ≥92%。

1.2 濾光膜基本理論

式中：H、L分別表示高、低折射率材料的折射率。隨著周期數(shù)S的增加，過(guò)渡帶不斷減小。將不同中心波長(zhǎng)的長(zhǎng)、短波濾光膜層結(jié)合可以展寬反射帶的寬度。

1.3 膜系設(shè)計(jì)

在400 nm～1 100 nm 波段范圍內(nèi)，一般選擇SiO2作為低折射率材料，高折射率材料的折射率越高，則截止深度越大、反射帶寬度越寬、過(guò)渡帶越窄，所以選擇Ti2O3作為高折射率材料，本實(shí)驗(yàn)所用的高折射率材料Ti2O3的折射率色散曲線如圖1 所示。

圖1 高折射率材料Ti2O3 的折射率曲線Fig. 1 Refractive index curve of high refractive index material of Ti2O3

該濾光片使用光譜范圍400 nm～1100 nm，截止帶很寬，中心波長(zhǎng)λ0=515 nm，透射帶λ=λ0±25 nm，不能按照F-P 型窄帶濾光片的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；使用長(zhǎng)、短波組合的方式會(huì)使膜層厚度過(guò)大，同時(shí)長(zhǎng)波截止膜存在“半波孔”[13-14]效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致薄膜應(yīng)力增大、環(huán)境適應(yīng)性較差、通帶透射率降低。采用長(zhǎng)、短波截止膜組合的方式設(shè)計(jì)、制備所需的矩形波寬帶通濾光片也不適用。在保證膜層光譜的前提下，要減小膜層總厚度，降低應(yīng)力及膜層敏感度，提高通帶透過(guò)率，可以將膜層指標(biāo)拆解成一個(gè)帶通濾光膜層和一個(gè)長(zhǎng)波截止膜層的組合。

帶通濾光膜層以F-P 型窄帶濾光膜層作為膜系優(yōu)化起點(diǎn)，主要解決膜層通帶透射率以及過(guò)渡帶寬度的問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)的帶通膜透過(guò)率如圖2所示。

圖2 帶通膜面模擬透過(guò)率曲線Fig. 2 Simulated transmittance curve of band-pass films surface

帶通膜面設(shè)計(jì)光譜為：λc1=420 nm～475 nm，λc2=555 nm～680 nm，τ＜0.1%；λ=485 nm～545 nm，τ＞94%，膜層總厚度3.277 μm，其中第9 層最薄，厚度20 nm。該膜系光譜指標(biāo)優(yōu)異，膜層總厚度適中，每一層膜層的敏感度較低，控制精度要求較低。

按照膜層指標(biāo)要求，結(jié)合帶通濾光膜的光譜可知：第二面需要配鍍485 nm～545 nm 高透射，680 nm～1100 nm 截止帶，透過(guò)率小于0.1%的長(zhǎng)波截止膜。

按照1.2 所述方法展寬截止帶。對(duì)于“半波孔”效應(yīng)，董瑩[15]等采用非規(guī)整周期性膜系＜mHnL＞^S避開(kāi)半波孔，大幅提高了通帶透過(guò)率。利用2 個(gè)非規(guī)整周期性膜系疊加，需要的反射堆數(shù)目減小，膜層整體厚度進(jìn)一步降低，可以有效完成該長(zhǎng)波截止膜的設(shè)計(jì)。長(zhǎng)波截止膜的模擬透過(guò)率如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)波截止膜面模擬透過(guò)率曲線Fig. 3 Simulated transmittance curve of long-wave cutoff films surface

該膜系的厚度7.3 μm，λ=470 nm～560 nm，τ＞95%，截止帶660 nm～1100 nm，τ＜0.1%，滿足帶通濾光片對(duì)第二面長(zhǎng)波截止膜的光譜指標(biāo)要求。

將第一面帶通濾光膜和第二面長(zhǎng)波截止膜分別鍍制在樣片的2 個(gè)表面進(jìn)行組合，得到寬帶通濾光膜模擬透過(guò)率曲線，如圖4 所示。

圖4 寬帶通濾光片模擬透射率曲線Fig. 4 Simulated transmittance curve of broad-band pass filter

通過(guò)理論模擬可知：設(shè)計(jì)的矩形波寬帶通濾光片中心波長(zhǎng)λ0=515 nm，在通帶490 nm～540 nm 范圍內(nèi)，平均透射率 τˉ可達(dá)95.5%，截止帶400 nm～575 nm、555 nm～1100 nm 的透過(guò)率τcmax＜0.1%，光密度（OD）＞3，過(guò)渡帶滿足要求，半高寬=545-484=61 nm，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2 工藝實(shí)驗(yàn)及透過(guò)率測(cè)試分析

使用配備有英?？礗C5 石英晶控膜厚監(jiān)控儀的ZZSX-800M 型真空鍍膜機(jī)，用電子束熱蒸發(fā)的方式，用晶控法在K9 基底上沉積上述設(shè)計(jì)膜層。

為了測(cè)試方便，分別制備了單面帶通濾光膜，單面長(zhǎng)波截止膜以及兩面分別沉積了帶通膜和長(zhǎng)波截止膜的樣片。使用LAMBDA900 型分光光度計(jì)測(cè)試單面帶通膜、長(zhǎng)波截止膜及最終矩形波寬帶通濾光片的透射率。

對(duì)于帶通濾光膜面，主要控制膜層的敏感度，提高通帶透射率。在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)每一層膜層的敏感度進(jìn)行控制，最薄層也可達(dá)到20 nm，所以膜層控制精度要求較低。鍍制的單面帶通濾光膜，測(cè)試的透過(guò)率曲線如圖5 所示。

圖5 帶通膜面的實(shí)測(cè)透過(guò)率曲線Fig. 5 Measured transmittance curve of band-pass films surface

測(cè)試結(jié)果顯示：鍍制的帶通濾光膜層透過(guò)率中心波長(zhǎng)λ0=515 nm 處，透過(guò)率94.45%，在通帶波段490 nm～540 nm 透射率滿足要求，其余波段的光譜測(cè)試情況和膜系設(shè)計(jì)結(jié)果基本吻合。但短波截止帶存在一定問(wèn)題，在400 nm～410 nm 截止深度明顯不夠。出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因可能是由于膜層厚度較大，沉積過(guò)程較長(zhǎng)，所以膜層實(shí)際沉積溫度及孔隙率等參數(shù)可能有變化，導(dǎo)致截止帶和設(shè)計(jì)曲線出現(xiàn)了較大差異。

對(duì)于長(zhǎng)波截止膜面，由于膜層總厚度很厚，要避免鍍膜過(guò)程較長(zhǎng)引起溫度、材料高度以及真空狀態(tài)等工藝參數(shù)的改變，這些工藝參數(shù)改變會(huì)帶來(lái)膜層折射率及晶控參數(shù)的變化，從而引起膜層失配，降低通帶透過(guò)率。測(cè)試鍍制的單面長(zhǎng)波截止膜的透過(guò)率曲線如圖6 所示。

圖6 長(zhǎng)波截止膜面的實(shí)測(cè)透過(guò)率曲線Fig. 6 Measured transmittance curve of long-wave cutoff films surface

從制備的長(zhǎng)波截止膜樣片透過(guò)率測(cè)試結(jié)果可以看出：該樣片在490 nm～540 nm 的透射區(qū)域透過(guò)率均大于90%，截止區(qū)為675 nm～1100 nm，總體上達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)果，但同樣存在禁帶稍窄的情況。

由上述帶通濾光膜以及截止膜樣片的透過(guò)率測(cè)試結(jié)果，可以推測(cè)最終制備的矩形波寬帶通濾光膜整體上可以達(dá)到指標(biāo)要求，最終測(cè)試制備樣片的透過(guò)率曲線如圖7 所示。

圖7 最終樣片的實(shí)測(cè)透過(guò)率曲線Fig. 7 Measured transmittance curve of final sample piece

由制備的矩形波寬帶通濾光膜的透過(guò)率測(cè)試曲線可以看出：該樣片光譜基本滿足指標(biāo)要求，在400 nm～1100 nm 波段，截止區(qū)域?yàn)?10 nm～475 nm、555 nm～1100 nm，透射帶490 nm～540 nm，透射中心波長(zhǎng)λ0=515 nm，透射帶平均透射率τˉ=92.7%。

和前面對(duì)帶通濾光膜以及截止膜樣片光譜分析的情況類(lèi)似，最終樣片的光譜存在一定的缺陷，如400 nm～410 nm 截止深度不夠，這可能是由于膜層制備時(shí)間較長(zhǎng)，多層濾光膜的實(shí)際沉積溫度、孔隙率等工藝參數(shù)和單層Ti2O3膜不同，造成光譜和設(shè)計(jì)曲線有偏差；655 nm、850 nm 附近存在截止帶拼接有偏差，這是2 次制備膜層溫漂不完全相同的原因[16-17]。這2 個(gè)問(wèn)題都可以通過(guò)多次溫度漂移實(shí)驗(yàn)解決。和國(guó)內(nèi)外同類(lèi)寬帶通濾光膜的相關(guān)研究報(bào)道[18]相比較，文中所述的方法更有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

對(duì)矩形波寬帶通濾光片光譜進(jìn)行合理拆解，采用新的膜層設(shè)計(jì)方法減小膜層總厚度以及每層膜的敏感度。在K9 基底上，以Ti2O3、SiO2分別作為高、低折射率材料，設(shè)計(jì)了滿足項(xiàng)目需求的矩形波寬帶通濾光膜層，設(shè)計(jì)得到的膜層厚度較小，應(yīng)力可接受，對(duì)設(shè)備的精度要求較低。按照設(shè)計(jì)的膜系結(jié)構(gòu)以電子束熱蒸發(fā)的方式，使用晶控法監(jiān)控膜層厚度，制備了帶通濾光片，測(cè)試結(jié)果表明，存在的缺陷可以消除，各項(xiàng)光譜指標(biāo)均滿足實(shí)際需求。