自聚焦透鏡分光膜的研制＊

高曉丹

（武漢東湖學院 電子信息工程學院，湖北 武漢 430212）

引 言

自聚焦透鏡作為一種重要的光學器件，具有很好的聚光、準直和成像特性［1－3］，被廣泛應用于光纖通信、光纖傳感和光成像系統中［4］，尤其是在光纖通信中，可作為耦合器、連接器、光開關、衰減器和波分復用器等［5］。因此，不斷地改進和開發自聚焦透鏡的性能具有非常重要的意義。而光學薄膜作為光學儀器的重要組成部分，特別是在光無源器件中，可通過在指定的基底上鍍制若干層薄膜來實現一定的分光和濾光的目的，進而改善其性能。基于自聚焦透鏡在激光泵浦聚光、醫用內窺鏡、光纖一體化設備、準直器、耦合器和透鏡矩陣中的應用要求，本文研制了自聚焦透鏡上95∶5分光膜。

1 自聚焦透鏡95∶5分光膜的設計

自聚焦透鏡95∶5分光膜的參數要求如下：自聚焦透鏡的分光波段為1470～1610nm，該波段內反射率R和透射率T分光比R∶T＝95∶5。

光學薄膜的設計方法通常有解析法和各種優化設計法。解析法采用規整膜系，工藝上易實現，沉積誤差較小，但光譜性能略差［6］。變尺度優化法通過改變膜層厚度和優化參數等計算評價函數的導數，從而尋找最佳膜系。因此，針對所使用鍍膜機的特點和控制精度，綜合運用解析法和變尺度優化法設計膜系。

根據薄膜的理化性能需求，選用高低兩種折射率膜料設計膜系［7］，其中，Ta2O5為高折射率膜料，SiO2為低折射率膜料，經過多次實驗測定并驗證高低折射率膜料的折射率分別為nH＝2.07，nL＝1.465。為便于膜系實際鍍制時監控，選擇一個合適的監控片監控膜系的沉積，自聚焦透鏡的中心折射率為1.6，可考慮選擇F7玻璃作為監控片，1535nm作為參考波長，在此參考波長下用解析法設計一個初始膜系：

其中，H代表四分之一參考波長高折射率材料，L代表四分之一參考波長低折射率材料。初始膜系的設計在膜系設計中起著非常重要的作用，一個合適的初始膜系可以為下一步的優化設計工作奠定一個較好的基礎，從而簡化后續計算分析過程，得到更為理想的膜系設計曲線。對初始設計膜系最后三層采用變尺度優化法優化，最終得到如下16層可鍍制膜系：

圖1 分光膜的反射率設計曲線以及基底折射率存在3%偏差時的擬合曲線Fig.1 The designed reflectance curve and the fitting curve as refractive index deviation 3%of light－splitting film

所設計出的自聚焦透鏡95∶5分光膜的反射光譜如圖1中實線所示，在1470～1610nm波段范圍內，分光比基本上為R∶T＝95∶5，與膜系設計目標一致。

2 設計膜系的誤差分析

雖然分光膜的設計膜系具有較好的分光特性，分光偏差不到±0.1%，但實際鍍制時需要結合多方面可能導致誤差的因素，也就是需要考慮設計膜系的魯棒性。鑒于該設計膜系的鍍膜基底是自聚焦透鏡，雖然自聚焦透鏡端面半徑不到1mm，但其折射率沿徑向具有梯度分布，所以有必要分析基底材料折射率發生變化時，設計膜系的魯棒性。自聚焦透鏡的端面折射率沿徑向呈梯度減少，當沿徑向的折射率相對于中心折射率存在3%偏差時，其設計膜系的擬合曲線如圖1中虛線所示。對比設計膜系的理論反射率曲線和基底折射率存在3%偏差時的擬合曲線，可以發現，兩組反射率曲線的誤差近似為0.1%，在實際應用需求所允許的范圍以內。所以，該設計膜系具有較好的魯棒性。

3 自聚焦透鏡95∶5分光膜的鍍制

光學薄膜能否鍍制成功，不僅取決于膜系設計，在很大程度上，更取決于鍍制工藝，一個好的膜系沒有合適的工藝，依然得不到符合參數要求的薄膜［6］。在德國萊寶APS1104型鍍膜機上經過大量實驗，確定了一套合適的鍍制工藝。

首先是自聚焦透鏡的固定工藝。將自聚焦透鏡和用來固定自聚焦透鏡的夾持片用丙酮清洗干凈，以毛玻璃作為定位片，將自聚焦透鏡與夾持片放置其上，并將自聚焦透鏡在夾持片Φ1.8孔中放正，即垂直毛玻璃定位表面。將三者放入烘箱中，逐步升高爐溫至180℃，將高溫膠熔化，點在自聚焦透鏡與夾持片的結合處，使之固化。

鍍膜材料是純度為99.99%的Ta2O5和SiO2膜料，蒸鍍前先對Ta2O5進行預熔。采用德國萊寶APS1104型真空鍍膜機對所設計的膜系進行實際鍍制，高折射率材料和低折射率材料分別用電子槍ESQ－14和ESV－212蒸發，由于所設計的膜系包含非規整膜層，為了提高監控精度，實際鍍制時采用透射式OMS3000光學監控系統和QSM石英晶體振蕩膜厚控制系統共同監控薄膜的厚度，其中規整膜層主要采用光學監控，晶控為輔，而非規整膜層采用晶振控制為主，光控為輔。為了能夠得到均勻致密的分光膜，采用等離子體輔助淀積系統［8］，在高真空的條件下，離子源輝光放電，不僅可以清潔基片，還可以激活鍍件表面的原子，使蒸鍍的膜料分子在基片表面形成部分化學吸附鍵，增強薄膜與基片的吸附力，從而減少應力的影響［9］。

蒸鍍前先對鍍膜機抽真空至1×10－6Pa，然后采用離子源對基片加熱，基片溫度的不同會導致薄膜折射率、幾何密度、散射、附著力、硬度和應力等產生不同的變化［10－12］，離子源加熱溫度設置為150℃。高、低折射率材料的蒸發速率分別為0.65nm／s和1.3nm／s，為了減小薄膜的吸收，在蒸鍍過程中充高純氧，嚴格控制離子源的參數，以保證材料折射率的穩定和材料的均勻蒸發，鍍膜過程中的真空度維持在1×10－2Pa。

圖2是所鍍制分光膜的光譜測試曲線。由測試曲線可見，該分光膜在1470～1610nm波段范圍內，基本實現了R∶T＝95∶5的分光比。由于實驗儀器條件的限制，所使用測試儀器的光譜范圍局限于1310±25 nm，1550±25nm波段范圍，導致測試曲線在其它波段存在較大的波紋，但基本上能反映分光的設計要求。由此可見，采用該設計膜系及其工藝鍍制的分光膜完全符合自聚焦透鏡分光膜的實際應用需求。

圖2 鍍制的分光膜的測試曲線Fig.2 Tested curve of the deposited light－splitting film

4 結 論

以Ta2O5和SiO2為介質材料，運用TFCalc膜系設計軟件的綜合解析法和變尺度優化法進行膜系設計，設計出1470～1610nm波段分光比為95∶5的自聚焦透鏡分光膜。分析了該設計膜系在基底折射率呈梯度減少時的擬合曲線，并針對德國萊寶APS1104型鍍膜機制訂了合適的鍍制工藝，實際鍍制出的分光膜能較好地滿足實際應用的需求。

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