高級(jí)次通帶濾光膜設(shè)計(jì)與制備技術(shù)

張金豹，史成浡，耿 浩，南 勇，崔世俊

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

1 概述

在一定片基上，用真空鍍膜法交替鍍制具有一定厚度的高折射率或低折射率的介質(zhì)-介質(zhì)或金屬-介質(zhì)膜層，構(gòu)成濾光膜。濾光膜主要是用來(lái)選取所需要輻射波段的光學(xué)零件，可以應(yīng)用在可見(jiàn)、微光、近紅外、短波紅外、中遠(yuǎn)紅外等光電系統(tǒng)中，起到波段分離、干擾抑制、色差補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵性能。因此，在白光成像、微光夜視、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、紅外探測(cè)等具備多項(xiàng)功能的軍用光電裝備中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。濾光膜在加工生產(chǎn)中的主要難點(diǎn)是在高級(jí)次波長(zhǎng)處會(huì)產(chǎn)生高級(jí)次截止帶，這些高級(jí)次截止帶有時(shí)會(huì)產(chǎn)生在光電系統(tǒng)所需要使用的波段區(qū)域處，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響光電系統(tǒng)的整機(jī)性能。由于高級(jí)次截止帶的產(chǎn)生是濾光膜設(shè)計(jì)及加工生產(chǎn)中的必然結(jié)果，那么如何設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)令光電系統(tǒng)所需波長(zhǎng)處的高級(jí)次截止帶得到抑制變?yōu)楦呒?jí)次通帶濾光膜的技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。本文通過(guò)重點(diǎn)論述高級(jí)次截止帶產(chǎn)生原因及消除方法，設(shè)計(jì)了2種高級(jí)次截止帶得到抑制的濾光膜結(jié)構(gòu)，對(duì)比優(yōu)劣后利用APS離子源輔助真空鍍膜機(jī)制備了高級(jí)次通帶濾光膜，并對(duì)工藝制備過(guò)程中可能出現(xiàn)的被抑制的高級(jí)次截止帶再次復(fù)現(xiàn)情況給出了修正方法。

2 技術(shù)原理

2.1 高級(jí)次截止帶

濾光膜結(jié)構(gòu)G/(αLβHαL)S/A，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)，A為空氣介質(zhì)，S為膜層周期數(shù)，α、β為膜層厚度隨機(jī)匹配系數(shù)。中心波長(zhǎng)為λ的濾光膜光譜曲線如圖1所示。

圖1 濾光膜高級(jí)次截止光譜曲線

從圖1中可以得到在波長(zhǎng)λ/2、λ/3、λ/4、λ/5…等波長(zhǎng)處會(huì)出現(xiàn)高級(jí)次截止帶，嚴(yán)重影響通帶區(qū)域的寬度及透射率[4-5]。

2.2 高級(jí)次截止帶的產(chǎn)生與消除

單層膜的特征矩陣

(1)

式中，η為單層膜導(dǎo)納；δ為單層膜位相厚度；d為單層膜物理厚度；λ為單層膜中心波長(zhǎng)。對(duì)于無(wú)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)

濾光膜結(jié)構(gòu)G/(αLβHαL)S/A屬于以中間一層為中心，兩邊膜層對(duì)稱(chēng)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(wú)吸收的介質(zhì)膜系，其矩陣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)[6-7]，可以等效為單層膜。等效單層膜描述：

(10)

(11)

(12)

假設(shè)濾光膜由S個(gè)以中間一層為中心，兩邊膜層對(duì)稱(chēng)的多層膜周期構(gòu)成，每個(gè)周期的形式是

(13)

如果把單個(gè)周期看成浸沒(méi)在一種導(dǎo)納為η的介質(zhì)中，那么這個(gè)周期的透射系數(shù)為

(14)

令t=|t|exp(iτ)(τ即為透射光的位相變化)，則有

(15)

對(duì)于無(wú)吸收介質(zhì)，M11、M22是實(shí)數(shù)，M21、M12是純虛數(shù)。令實(shí)部相等，即給出

(16)

如果略去周期內(nèi)反射2次以上的光束，那么

τ≈∑δ

(17)

也就是基本周期的總位相厚度。

當(dāng)∑δ=mπ時(shí)，有cosτ=±1，并且如果|t|<1，那么

(18)

產(chǎn)生高級(jí)次截止帶。

如果|t|=1，則

(19)

高級(jí)次截止帶將被抑制。

這樣得到高級(jí)次截止帶消除的必要條件。

3 高級(jí)次通帶濾光膜設(shè)計(jì)

技術(shù)指標(biāo)：膠合棱鏡在45°傾斜測(cè)試下，450～650 nm，Tave≥90%，1 570 nm±10 nm，Rave≥95%，膜層質(zhì)量滿(mǎn)足JB/T 8226.8—1999檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

從技術(shù)要求分析，透射帶450～650 nm恰好在反射帶中心波長(zhǎng)1 570 nm的λ/3處，必須對(duì)λ/3處的高級(jí)次截止帶消除，選擇合適的膜系結(jié)構(gòu)匹配系數(shù)，保證式19成立。

膜系結(jié)構(gòu)：G/ (0.769H0.993L0.769H)20/G。

結(jié)構(gòu)中H：Ta2O5，L：SiO2，G：光學(xué)玻璃。

所設(shè)計(jì)膜系，光譜圖如圖2所示。

圖2 λ/3截止抑制設(shè)計(jì)光譜曲線

上述光譜曲線可以滿(mǎn)足要求，但是在λ/4處出現(xiàn)了高級(jí)次截止帶，截止帶非常接近所用光譜波段，這使得光譜曲線的容差變差，工藝性降低，為提升容差，最優(yōu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是λ/3、λ/4處的高級(jí)次截止帶抑制消除，重新選擇合適的膜系結(jié)構(gòu)匹配系數(shù)，保證式19成立。

膜系結(jié)構(gòu)：G/ (0.059L0.782H0.891L0.782H

0.059L)25/G。

結(jié)構(gòu)中H：Ta2O5，L：SiO2，G：光學(xué)玻璃。

所設(shè)計(jì)膜系，光譜圖如圖3所示。

圖3 λ/3、λ/4截止抑制設(shè)計(jì)光譜曲線

4 高級(jí)次通帶濾光膜系誤差分析與修正

周期性膜系結(jié)構(gòu)中的匹配系數(shù)是抑制高級(jí)次截止帶產(chǎn)生的關(guān)鍵點(diǎn)，如膜系結(jié)構(gòu)：G/ (0.059L0.782H0.891L0.782H0.059L)25/G中n1=0.059、n2=0.782、n3=0.891的3個(gè)匹配系數(shù)必須精確，但是實(shí)際真空鍍膜過(guò)程中這3個(gè)系數(shù)由于工藝性誤差會(huì)發(fā)生偏離，這樣抑制的λ/3、λ/4高級(jí)次截止帶會(huì)再次出現(xiàn)，這時(shí)需要對(duì)匹配系數(shù)偏離進(jìn)行修正[8-9]。

當(dāng)n1*0.98=0.059*0.98、n2=0.782、n3=0.891時(shí)，λ/3、λ/4高級(jí)次截止帶再次出現(xiàn)，且隨著系數(shù)的偏離百分比增大，截止深度增大(見(jiàn)圖4)。

圖4 n1偏離光譜曲線

當(dāng)n1=0.059、n2*0.98=0.782*0.98、n3=0.891時(shí)，λ/3、λ/4高級(jí)次截止帶再次出現(xiàn)，且隨著系數(shù)的偏離百分比增大，截止深度增大(見(jiàn)圖5)。

圖5 n2偏離光譜曲線

當(dāng)n1=0.059、n2=0.782、n3*0.98=0.891*0.98時(shí)，λ/3、λ/4高級(jí)次截止帶再次出現(xiàn)，且隨著系數(shù)的偏離百分比增大，截止深度增大(見(jiàn)圖6)。

圖6 n3偏離光譜曲線

從上述分析可以得到，依據(jù)高級(jí)次截止帶產(chǎn)生的截止度可以得到匹配系數(shù)的偏離大小并進(jìn)行修正。

5 高級(jí)次通帶濾光膜系制備

5.1 工藝參數(shù)

制備設(shè)備：萊寶SYRUSpro1100鍍膜機(jī)(見(jiàn)圖7)。

圖7 SYRUSpro1100鍍膜機(jī)

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)[10-11]。

優(yōu)化后光譜曲線如圖8所示。優(yōu)化后膜系厚度(見(jiàn)表1)：G/Ta2O5/SiO2/Ta2O5……SiO2/Ta2O5/G，共107層，且2種膜料物理總厚度差異不能過(guò)大，防止2種材料中的一種膜層太厚時(shí)應(yīng)力積累引起光學(xué)零件表面發(fā)生變形及膜層龜裂現(xiàn)象。

圖8 優(yōu)化后光譜曲線

表1 薄膜物理厚度

(續(xù)表)

制備過(guò)程：當(dāng)真空度高于6×10-2Pa時(shí)，烘烤基板為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(kāi)啟，進(jìn)行離子束轟擊清洗零件；清洗結(jié)束后，開(kāi)啟程序，按表2工藝參數(shù)及表1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)

工藝制備過(guò)程中，電子槍熱蒸發(fā)膜料，采用離子源輔助鍍膜，離子源輔助具有如下優(yōu)勢(shì)：1)鍍制前基底表面受到嚴(yán)格的離子轟擊清潔處理，去除了表面的污染和勢(shì)壘層，使基底表面活性增加，并使表面刻蝕粗糙度增加，從而大大提高了膜層與基底的附著力；2)鍍制中離子輔助鍍膜所獲得的薄膜純度高，致密性好，能夠形成超硬薄膜，保護(hù)基底免受大氣環(huán)境侵蝕破壞，離子化的氧化物反應(yīng)氣體參與薄膜沉積，降低了膜料的消光系數(shù)，提升了薄膜的激光損傷閾值；3)鍍制后離子束轟擊改善薄膜表面粗糙度，起到對(duì)膜層的退火作用，改善了薄膜應(yīng)力結(jié)構(gòu)及光學(xué)常數(shù)，提升了薄膜的激光損傷閾值；4)離子輔助鍍膜可以實(shí)現(xiàn)低溫下薄膜的沉積，避免高溫沉積膜層所導(dǎo)致的光學(xué)鏡頭面型熱變化，光學(xué)鏡頭高精度面型在薄膜沉積前后面型無(wú)變化。

5.2 光譜測(cè)試

測(cè)試依據(jù)：光譜技術(shù)指標(biāo)要求。

測(cè)試設(shè)備：PerkinElmer's Lambda900紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)。

測(cè)試內(nèi)容：測(cè)定膠合棱鏡在45°的入射下400～1 800 nm透射光譜圖(見(jiàn)圖9)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果為400～700 nm，Tave≥95%，1 570 nm，Rave≥95%，滿(mǎn)足了光學(xué)技術(shù)指標(biāo)要求。

圖9 實(shí)測(cè)光譜曲線

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)推導(dǎo)對(duì)稱(chēng)膜系結(jié)構(gòu)的矩陣計(jì)算公式得到其等效單層矩陣結(jié)構(gòu)，利用等效單層矩陣結(jié)構(gòu)闡述了高級(jí)次截止帶的產(chǎn)生與消除條件；通過(guò)膜系結(jié)構(gòu)中匹配膜料系數(shù)，設(shè)計(jì)了2種高級(jí)次截止帶消除的濾光膜系結(jié)構(gòu)，比較2種膜系的工藝容差，選擇其中λ/3和λ/4這2個(gè)高級(jí)次截止帶消除且透射通帶更寬的濾光膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了真空鍍膜制備，指出了制備過(guò)程中被抑制的高級(jí)次截止帶會(huì)再次出現(xiàn)的原因是真空鍍膜工藝過(guò)程誤差導(dǎo)致膜系匹配系數(shù)偏離理論值以及對(duì)偏離系數(shù)的修正對(duì)策。同時(shí)，利用APS離子源輔助沉積技術(shù)，提升了薄膜的成膜質(zhì)量，避免了薄膜在空氣中吸潮侵蝕光譜曲線向長(zhǎng)波漂移現(xiàn)象。