雙波段截止分色濾光片研究

曹晶輝， 蘇宙平， 胡 瑩， 胡立發(fā)， 朱華新

(江南大學(xué)理學(xué)院 江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122)

雙波段截止分色濾光片研究

曹晶輝， 蘇宙平， 胡 瑩， 胡立發(fā)， 朱華新*

(江南大學(xué)理學(xué)院 江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122)

為實(shí)現(xiàn)45°入射情況下K9基底上雙波段截止分色的特性(截止帶波長(zhǎng)0.5～0.68 μm、0.73～0.79 μm，通帶波長(zhǎng)0.83～0.87 μm)，采用F-P型的帶通濾光片膜系結(jié)構(gòu)為初始結(jié)構(gòu)，與常規(guī)設(shè)計(jì)理念相比有效減少了膜層的數(shù)量，薄膜的高折材料采用TiO2，低折材料采用SiO2，以實(shí)現(xiàn)雙波段截止的目的。膜層的設(shè)計(jì)層數(shù)為23層，總厚度為2.278 μm，借助電子束蒸發(fā)物理氣相沉積法實(shí)現(xiàn)了鍍制，利用分光光度計(jì)對(duì)鍍制樣品的透過(guò)率進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試結(jié)果顯示，截止區(qū)(0.5～0.68 μm和0.73～0.79 μm)平均截止深度分別達(dá)到了12.57%和20.39%，通帶0.83～0.87 μm波段內(nèi)的平均透過(guò)率達(dá)到了91.35%，樣品測(cè)試曲線與設(shè)計(jì)相比，“藍(lán)移”將近10 nm。薄膜樣品基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有雙波段截止、高通帶透過(guò)率的特性。在環(huán)境測(cè)試中：薄膜表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性，膜層間匹配度適宜。該雙波段截止分色濾光片能夠應(yīng)用在一些極端的情況下。

光學(xué)薄膜； 電子束蒸發(fā)物理氣相沉積； 濾光片

1 引 言

截止濾光片選擇性地透過(guò)特定波段的光波而抑制其他波段的光波，使得光波更合理地被利用,如今已遍布在各行各業(yè)中，例如在數(shù)碼相機(jī)中圖像數(shù)據(jù)的捕捉[1]、光通信系統(tǒng)中光信號(hào)的調(diào)制處理[2]、光譜探測(cè)中雜散光的抑制[3]等方面，截止濾光片都起到重要的作用。

截止分色濾光片應(yīng)具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性，避免膜層分離[4]；材料之間有合適的應(yīng)力匹配[5]，以維持在復(fù)雜環(huán)境條件下一或多個(gè)截止帶或通帶、“高通深截止”、較小的波紋系數(shù)[6]等特性。由于其應(yīng)用的重要性和特殊性，近年來(lái)截止分色濾光片一直是研究的熱點(diǎn)[7]。對(duì)于雙波段截止及多波段截止分色濾光片，國(guó)內(nèi)外研究都比較少，因而這對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求，既要適應(yīng)鍍膜工藝又要滿足實(shí)際的需求。

本論文主要研究45°入射情況下K9基底上雙波段截止分色的設(shè)計(jì)與制備(截止帶波長(zhǎng)0.5～0.68μm、0.73～0.79μm，通帶波長(zhǎng)0.83～0.87μm)，打破常規(guī)的設(shè)計(jì)理念，以F-P型帶通濾光片的膜系作為初始結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的分色效果。

2 截止分色濾光片設(shè)計(jì)理論

截止分色濾光片的設(shè)計(jì)有兩種理論可行的方法：一種是傳統(tǒng)的規(guī)整膜系解析法，膜層厚度較厚，光學(xué)性能不易控制[8]；另一種是計(jì)算機(jī)優(yōu)化法，是時(shí)代的產(chǎn)物，快捷有效，但仍依賴于較好的初始結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)膜系忽略了工藝的可行性[9]。根據(jù)等效折射率的原理，多個(gè)周期性對(duì)稱膜系的疊加，可當(dāng)作一個(gè)具有等效折射率為E的單層膜處理[10]，E的值由下文中的公式給出。為了實(shí)現(xiàn)雙波段截止分色以及工藝上易于實(shí)現(xiàn)，作者戰(zhàn)略性地結(jié)合了這兩種常規(guī)方法，解析膜系初始結(jié)構(gòu)，運(yùn)用麥克勞德設(shè)計(jì)軟件選擇性地對(duì)膜層進(jìn)行部分優(yōu)化[11]。最終基于初始結(jié)構(gòu)，調(diào)整了選擇膜層的光學(xué)厚度，解決了波紋失調(diào)的問(wèn)題，使得截止分色濾光片的光譜特性大為改善。

前截止(長(zhǎng)波通)邊帶濾光片基本膜系結(jié)構(gòu)一般采用對(duì)稱周期膜系：

(1)

其等效折射率E為：

(2)

截止深度Tr為：

(3)

截止帶寬為：

(4)

式中，Δg為相對(duì)波數(shù)，H和L分別為λ0/4(λ0為截止帶中心波長(zhǎng))光學(xué)厚度的高、低折射率膜層，M為對(duì)稱膜系的周期數(shù)。高低折射率材料的折射率反差越大，截止帶寬越寬，因此要盡量選擇折射率反差大的膜料。

3 膜料的選擇

簡(jiǎn)化制備工藝的同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的膜系性能，是膜系設(shè)計(jì)工作的首要目標(biāo)，這關(guān)乎到膜系材料的選擇與膜系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。材料的透明與否，由探測(cè)光波的波段決定，因而在選擇薄膜材料時(shí)，首先要考慮設(shè)計(jì)波段內(nèi)的材料的吸收系數(shù)，其次是膜料本身的穩(wěn)定性和折射率，最后也要考慮膜層間的應(yīng)力匹配[12]。

低折材料SiO2的透明區(qū)光譜較寬，具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，包括抗分解、抗腐蝕、易附著等。其特殊的分子形式起到保護(hù)膜層表面微觀形態(tài)的作用，同時(shí)它的光吸收很小，牢固性好[13]，因此綜合來(lái)看，SiO2材料是最為理想的低折射率材料。而與SiO2搭配的高折射率材料有Ta2O5、ZrO2、TiO2、HfO2等，其中TiO2的機(jī)械性能好，抗強(qiáng)堿腐蝕。為得到較寬的截止帶寬，根據(jù)截止帶寬公式，折射率越高，截止帶寬越寬；另外根據(jù)截止深度公式，對(duì)于相同的周期M，折射率越高則截止深度越大[14]，因此我們采用折射率最高的TiO2膜料與SiO2膜料匹配。

4 膜系設(shè)計(jì)

以K9為基底，光線入射角度為45°，實(shí)現(xiàn)0.5～0.68μm和0.73～0.79μm兩個(gè)波段截止，通帶0.83～0.87μm為高透區(qū)。

由于截止帶寬為0.5～0.79μm，跨度達(dá)0.29μm，一個(gè)中心波長(zhǎng)的λ/4周期膜層無(wú)法滿足如此寬的截止帶寬。圖1為3組不同中心波長(zhǎng)的λ/4周期膜層，周期數(shù)均為6。

圖1 3組不同中心波長(zhǎng)的膜層透過(guò)率

Fig.1Transmittance of three films corresponding to different central wavelength

通常的方法是通過(guò)疊加不同中心波長(zhǎng)的多層周期膜[15]，然后在各不同周期膜層之間添加過(guò)渡層，這種方法是最直接展寬截止帶的方式。我們必須要采用3個(gè)高反射板才能實(shí)現(xiàn)截止區(qū)的要求，即膜系結(jié)構(gòu)為Air|(HL)6(1.2H1.2L)6(1.4H1.4L)6|Substrate(如果沒(méi)有過(guò)渡層)，中心波長(zhǎng)為490nm，光線入射角度為45°。依據(jù)該膜系結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有添加過(guò)渡層的情況下，膜層總數(shù)已經(jīng)達(dá)到了36層，若在此基礎(chǔ)上添加過(guò)渡層，膜層總層數(shù)勢(shì)必超過(guò)40層，這樣給制作工藝帶來(lái)了很大的麻煩，而且在截止區(qū)域0.68～0.73μm是沒(méi)有光譜特性要求的，這是兩個(gè)分立截止區(qū)之外。

考慮上述因素，我們提出了以帶通濾光片為基礎(chǔ)的初始結(jié)構(gòu)。基于F-P型的帶通濾光片其截止區(qū)分立在通帶的兩側(cè)，恰好能覆蓋兩個(gè)分立的截止波段，也就是說(shuō)我們采用的F-P型的帶通濾光片僅僅只是利用其截止區(qū)，并不需要考慮其通帶的特性，因?yàn)檫@部分波段不在本研究的考察波段范圍，因此與常規(guī)F-P型的帶通濾光片的運(yùn)用存在差異。

由于其在短波處的截止區(qū)帶寬不夠，需要再疊加一反射板以有效加寬其截止帶寬，因此只需要在F-P腔的基礎(chǔ)上再添加一短波處的反射板即可，兩個(gè)膜系的光譜曲線如圖2所示。兩者單獨(dú)的光譜曲線基本能覆蓋整個(gè)截止區(qū)，中心波長(zhǎng)均為760nm。圖2中曲線一的膜系為(0.8H0.8L)4，曲線二的膜系(HL)32H (LH)3。從圖2中可以看出，兩個(gè)膜系基本能覆蓋截止區(qū)，但是采用了兩個(gè)膜系進(jìn)行疊加，與常規(guī)的思路截然不同。

圖2用于堆疊的兩個(gè)膜系的透過(guò)率：實(shí)線表示反射板的透過(guò)率，虛線表示F-P濾光片的透過(guò)率。

Fig.2Transmittance of the two films used for superposition. The solid line depicts the transmittance of the baffle-board, while the dotted line depicts the transmittance of the F-P filter.

將圖2中的兩個(gè)膜系進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加后，透過(guò)率曲線如圖3所示。可以看出，由于反射板與F-P腔之間沒(méi)有添加連接層，因此，兩者之間存在一定的耦合效應(yīng)，尤其是在550nm附近波段，耦合效應(yīng)極為明顯，與獨(dú)立的反射板之間的光譜曲線存在一定的差異，但整體來(lái)說(shuō)已具備膜系的雛形。

圖3 兩個(gè)膜系堆疊后的透過(guò)率

從圖3中的初始結(jié)構(gòu)看出，膜系在截止區(qū)的要求雖已基本具備，但通帶區(qū)的透過(guò)率要求還相差很遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)單純形調(diào)法優(yōu)化后的膜系透過(guò)率曲線如圖4所示。該優(yōu)化方法不會(huì)增加膜層數(shù)量，膜系層數(shù)仍為23層，膜層總厚度為2.278μm。

圖4 膜系優(yōu)化后的透過(guò)率

由圖4可知，截止波段范圍約為0.5～0.68μm和0.73～0.79μm，平均截止深度分別達(dá)到了9.71%和10.21%。由于反射區(qū)的周期數(shù)相對(duì)而言不多，所以導(dǎo)致截止區(qū)的截止深度不大。根據(jù)截止深度公式，顯然增加周期數(shù)可有效增加截止深度，但是這樣的結(jié)果必然導(dǎo)致制備時(shí)間及風(fēng)險(xiǎn)增加。通帶0.83～0.87μm波段內(nèi)的平均透過(guò)率達(dá)到了94.35%，從整個(gè)設(shè)計(jì)理念來(lái)看，達(dá)到了我們預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，相比優(yōu)化前膜系的光學(xué)性能有大幅提高，說(shuō)明該設(shè)計(jì)理念是完全可行的。

由于優(yōu)化后的膜系為非規(guī)整膜系，膜層總厚度又較大，所以在截止區(qū)出現(xiàn)了較大的波紋，這是由光學(xué)薄膜的特點(diǎn)決定的。

一般而言，分色鏡膜系其通帶特性對(duì)于制備誤差比較敏感，因此在制備過(guò)程中監(jiān)控的精準(zhǔn)度直接影響著通帶的透過(guò)率。

5 工藝實(shí)現(xiàn)

薄膜材料的光學(xué)特性受具體的鍍制工藝條件(主要是基片溫度、沉積速率和真空度)的影響很大，因此必須要在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)條件下才能制備出理想的膜層。

實(shí)驗(yàn)用鍍膜機(jī)為沈陽(yáng)聚智有限公司生產(chǎn)的箱式鍍膜機(jī)，蒸發(fā)方式為電子束蒸發(fā)。鍍膜前，使用有機(jī)溶劑擦拭和超聲波去油處理來(lái)清潔基片。

將K9基片懸浮固定在拱型夾具盤后開(kāi)始抽真空，當(dāng)真空室的真空度達(dá)到(2.4～4)×10-3Pa時(shí)，打開(kāi)加熱燈絲將基片加溫至200℃并恒溫3h，然后打開(kāi)電子槍，交替蒸發(fā)TiO2和SiO2這兩種材料。實(shí)驗(yàn)中使用美國(guó)INFICON公司的SQC310型石英晶體控制儀控制沉積速率和沉積厚度。TiO2的沉積速率為0.3nm/s，SiO2的沉積速率為0.25nm/s，并在樣品的兩側(cè)均鍍制了增透膜。

基片透過(guò)率測(cè)試采用島津的分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試角度為45°，測(cè)試波長(zhǎng)范圍為0.5～0.9μm，測(cè)試曲線如圖5所示。

圖5 樣品測(cè)量所得的0.5～0.9 μm透過(guò)率曲線

Fig.5Measured transmittance of the sample from0.5μm to0.9μm

從測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)際制作樣品透過(guò)率與設(shè)計(jì)相比基本相近，只是實(shí)際測(cè)試曲線與設(shè)計(jì)相比，總體曲線向短波漂移了10nm。由于基片背面未鍍制增透膜，因此在通帶區(qū)域透過(guò)率測(cè)試曲線比設(shè)計(jì)曲線要低，這是由于背面有將近4%的剩余反射，但4%的剩余反射對(duì)截止區(qū)的影響基本可以忽略。

根據(jù)測(cè)試曲線，0.5～0.68μm和0.73～0.79μm波段的平均截止深度分別達(dá)到了12.57%和20.39%。可以看出0.73～0.79μm的截止深度較設(shè)計(jì)值有一定的差異，這是由于總體曲線“藍(lán)移”了近10nm，導(dǎo)致考察的770nm以后的曲線處于過(guò)渡帶，致使整體的平均截止深度偏低。導(dǎo)致鍍制測(cè)試曲線“藍(lán)移”的原因是由于實(shí)際鍍制時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致基片表面溫度變化，致使材料的光學(xué)常數(shù)與膜系計(jì)算時(shí)產(chǎn)生偏差，從而導(dǎo)致曲線與設(shè)計(jì)曲線發(fā)生漂移，另外截止區(qū)較設(shè)計(jì)曲線的波動(dòng)幅度不大，可能是由于膜系均為非規(guī)整膜層，每層的厚度誤差恰好彌補(bǔ)了曲線在截止區(qū)的波動(dòng)。

根據(jù)測(cè)試曲線，通帶0.83～0.87μm波段內(nèi)的平均透過(guò)率達(dá)到了91.35%。通帶內(nèi)最高透過(guò)率在838nm處，透過(guò)率為93.75%。剔除背面4%的剩余反射，838nm處的透過(guò)率接近98%，應(yīng)該說(shuō)鍍制膜系的通帶透過(guò)率基本達(dá)到了預(yù)期的要求。

我們對(duì)樣品進(jìn)行了附著力等測(cè)試。將樣品浸入沸水中2h后，膜層無(wú)脫落、起皺、龜裂現(xiàn)象。在高溫高濕環(huán)境(溫度為50℃，相對(duì)濕度95%～100%)的條件下放置48h，膜層外觀未有明顯變化。對(duì)樣品進(jìn)行了高低溫沖擊，相對(duì)濕度為50%，低溫為-20℃，高溫為70℃，循環(huán)時(shí)間為2min，共循環(huán)30次，取出樣品，未出現(xiàn)膜層龜裂、脫落等現(xiàn)象。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了雙波段截止濾光片，其光譜曲線基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，不論是設(shè)計(jì)還是實(shí)際鍍制的樣品，截止區(qū)的截止深度都不高，主要的原因是要達(dá)到較深的截止深度，必須要大大增加膜層的數(shù)量，這樣必然導(dǎo)致實(shí)際鍍制時(shí)間大大加長(zhǎng)。本文主要是提出一種新型的設(shè)計(jì)思路，實(shí)際鍍制的結(jié)果也表明這種設(shè)計(jì)思路是完全可行的，有效地跳出了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路范疇，在膜系設(shè)計(jì)過(guò)程中是一種新的突破。

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StudyofDual-bandCut-offforEdgeFilter

CAOJing-hui,SUZhou-ping,HUYing,HULi-fa,ZHUHua-xin*

(JiangsuProvincialResearchCenterofLightIndustrialOptoelectronicEngineeringandTechnology,SchoolofScience,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)

To realize the characters of a dual-band filter that selectively transmit light of wavelengths of0.83-0.87μm but cut off the wavelengths of0.5-0.68μm and0.73-0.79μm on a45° incident angle on K9substrate, a type of F-P bandpass filter was chosen to be the initial structure which effectively reduce the number of the thin film compared with the routine design concept. The high index material of titanium oxide (TiO2) and the low index material of silicon oxide (SiO2) were used during the course. The thickness of23layers was2.278μm. The electron beam physical vapor deposition (EBPVD) was used to fabricate the coatings. The transmittance of the sample was measured by using the spectrophotometer. The average cutoff depth is12.57% and20.39% corresponded to the band from0.5μm to0.68μm and the band from0.73μm to0.79μm respectively from the test result. The average transmittance is up to91.35% for the pass band from0.83μm to0.87μm. It appears almost the same with the designing result that the figure of transmittance shifts to the short wavelength by10nm. Beyond this, the edge filter cuts off in dual-band and gets the high transmittance in pass band. In the environmental tests, the coatings match well with each other which is remarkably stable. So, the dual-band cut-off edge filter can be applied in extreme cases.

optical thin film; electron beam physical vapor deposition(EBPVD); filter

2017-06-04；

2017-07-22

上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(2012ADL03)； 國(guó)家自然科學(xué)基金(60908041)； 江蘇省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(SJLX16_0492)資助

Supported by Shanghai Solid State Laser and Applied Technology Key Laboratory Open Topic(2012ADL03); National Natural Science Foundation of China(60908041); Jiangsu Province Graduate Innovation Project(SJLX16_0492)

1000-7032(2017)12-1675-06

O484

A

10.3788/fgxb20173812.1675

*CorrespondingAuthor,E-mail:zhuhuaxin1312@163.com

曹晶輝(1993-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，2015年于蘇州科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)加工、光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)制備等方面的研究。E-mail: caojinghui1993@hotmail.com

朱華新(1983-)，男，江蘇宜興人，博士，副教授，2011年于中科院長(zhǎng)春光機(jī)所獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)、制備等方面的研究。E-mail: zhuhuaxin1312@163.com