基于等效折射率法的短波通濾光膜制備技術

張金豹，史成浡，耿 浩，楊資陽

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

在現代光學成像、光學測量、光學信息探測等光電系統應用中，都需要用到多個光譜波段區域，所用光譜波段區域越多，儀器實現探測距離、攜帶信息、抵抗干擾、晝夜成像等功能越強。光學玻璃透明區0.35～2.2 μm，包含可見、微光、近紅外激光、短波紅外激光等幾個常用區域。利用光學玻璃設計功能新穎、性能優良、多光譜區域共享的光學鏡頭已經是一種發展趨勢。軍用光電裝備通常包含白光成像、微光夜視、激光測距、激光制導、紅外探測等多項功能，所以光學系統常會用到可見光、微光、近紅外、短波紅外、紅外等多個光譜區域，而短波通濾光膜以其特有的光學特性可以對這些光譜區域進行區分選擇，便于實現光電系統的多光路設計，因此得到了廣泛的應用[1-3]。短波通濾光膜實際制備中，在通帶區域處常會出現高級次截止帶，嚴重影響通帶的光譜利用率及通帶的多光路設計。文中通過重點論述短波通濾光膜設計方法、高級次截止帶產生原因、對稱膜堆等效折射率特性，利用等效折射率法抑制高級次截止帶展寬通帶設計并制備了通帶區域更寬的短波通濾光膜[4]。

1 技術原理

1.1 短波通濾光膜結構

短波通濾光膜結構G/(0.5κLH0.5κL)S/Air，結構中H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，G為光學玻璃基板介質，Air為空氣介質，s為膜層周期數，κ為高、低折射率膜層厚度匹配系數。對于入射角度為α、中心波長為λ的短波通濾光膜光譜曲線如圖1所示。

從圖1中可以得到在λ/3、λ/5……等波長處會出現高級次截止帶，嚴重影響通帶區域的寬度[5]。

1.2 短波通濾光膜對稱膜堆等效折射率特性

單層膜的特征矩陣如下：

(1)

式中，η為單層膜導納；δ為單層膜位相厚度。對于無吸收介質，m11和m22為實數，m12和m21為純虛數，而且m11=m22，矩陣的行列式值等于1，即

m11m22-m12m21=1

(2)

短波通濾光膜結構G/(0.5κLH0.5κL)S/Air，(0.5κLH0.5κL)屬于以中間一層為中心，兩邊膜層對稱的多層膜，而多層膜的特征矩陣是各個單層膜特征矩陣的連乘積：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

M22=M11

(8)

M11M22-M12M21=1

(9)

對于無吸收的介質膜系，M11和M22為實數，M12和M21為純虛數，而且M11=M22，行列式值等于1，具有單層膜矩陣的所有特點[6]，可以等效為單層膜。等效單層膜描述：

(10)

(11)

(12)

從式11和式12可知，在某些波長范圍內等效位相厚度Γ是虛數，等效折射率E是虛數。

短波通濾光膜等效折射率如圖2所示。從圖2中可以得到在λ、λ/3、λ/5……等波長附近處等效折射率為虛數，這些波段對應膜系的截止帶，而其他實數波段則對應通帶。如果想要擴展通帶寬度，則需要將高級次截止帶的等效折射率轉化為實數[7-8]。本文提出G/(κ5Hκ4Lκ3Hκ2Lκ1Hκ2Lκ3Hκ4Lκ5H)S/Air的膜系結構，實現了高級次λ/3波長截止帶抑制，大幅度擴展了短波通濾光膜通帶寬度。

2 短波通濾光膜設計

技術指標：在45°傾斜測試下，400～900 nm，Tave≥90%，1 064 nm，Tave≥90%，1 570 nm，Rave≥90%，膜層質量滿足JB/T 8226.8—1999檢測標準。

膜系結構：G/(0.018H0.469L0.153H0.151 L1.005H0.151L0.153H0.469L0.018H)10/Air。

結構中，α：45°，λ：1 570 nm，H：Ta2O5，L：SiO2，G：光學玻璃，Air：空氣。

所設計膜系的等效折射率如圖3所示。從圖3可以得到所設計膜系在高級次λ/3波長處截止帶抑制，等效折射率為實數，通帶區域得到了擴展。所設計膜系的光譜圖如圖4所示。優化后的膜層厚度見表1。

序號材料物理厚度/nm序號材料物理厚度/nm1SiO2244.32Ta2O5153SiO245.184Ta2O529.685SiO2156Ta2O5138.497SiO230.518Ta2O523.259SiO2240.0110Ta2O521.9311SiO230.9412Ta2O5150.1213SiO231.2214Ta2O522.0915SiO2246.5416Ta2O523.0917SiO234.418Ta2O5164.6319SiO234.0620Ta2O522.3721SiO2241.922Ta2O521.4123SiO232.6724Ta2O5155.6925SiO232.7926Ta2O521.4427SiO2235.5728Ta2O520.8729SiO232.2830Ta2O5157.2131SiO235.332Ta2O522.433SiO2262.2334Ta2O522.6435SiO236.8536Ta2O5158.3837SiO232.8538Ta2O518.1539SiO2216.0140Ta2O521.12

(續表)

3 短波通濾光膜制備

制備設備：萊寶SYRUSpro1100(見圖5)。

制備工藝參數試制：對Ta2O5、SiO2進行工藝參數試制，尋找2種膜料應力匹配參數(見表2)[9-10]。

優化后膜系厚度：G/SiO2/Ta2O5/……/SiO2/Air，共57層且2種膜料物理總厚度差異不能過大(見表1)。

制備過程：當真空度高于6×10-2Pa時，烘烤基板150 ℃；當真空度高于3×10-3Pa時，對Ta2O5進行充分預熔、除氣；達到工藝真空度2×10-3Pa后，APS源開啟，進行離子束轟擊清洗零件；清洗結束后，開啟程序，按工藝參數及膜層厚度交替鍍制Ta2O5、SiO2，直至程序結束。

表2 膜層應力匹配主要工藝參數

4 短波通濾光膜測試

測定光譜曲線、膜層強度和環境適應性。

4.1 光譜曲線

測試依據：光譜技術指標要求。

測試設備：PerkinElmer's Lambda900紫外-可見-近紅外分光光度計[11-12]。

測試內容：測定膠合棱鏡在45°的入射下0.4～1.8 μm透射光譜圖(見圖6)。測試結果為0.4～0.9 μm，Tave≥92%，1.064 μm，Tave≥92%，1.57 μm，Rave≥92%，滿足了光學技術指標要求。

4.2 膜層抗磨強度

測試依據：JB/T 8226.8—1999。

測試設備：膜層強度試驗機。

測試內容：用膜層強度試驗機，同膜層接觸的磨頭為球半徑3 mm、表面粗糙度Ra0.4 μm的鋼球，外裹2層干的脫脂紗布，使用時磨頭對被檢膜面的作用力為1.96 N(0.2 kg)，當零件表面有效孔徑為D(mm)時，零件轉速按n=10 000/D(單位為r/min)選擇，磨頭觸點到零件轉動中心的距離應為D/3，零件經受2 000轉摩擦后的膜層不磨破，滿足了膜層的抗磨強度(見表3)。

表3 膜層抗磨強度試驗

4.3 膜層環境適應性

測試項目：恒定濕熱、鹽霧、低溫。

測試依據：GB/T 2423.3、GB/T 2423.17、GB/T 2423.1。

測試內容：滿足膜層的環境適應性。

5 結語

本文通過對薄膜干涉理論的靈活運用，設計了新型的多單元周期的短波通濾光膜，通過優化設計，匹配了2種膜料膜層厚度，消除了應力累積效應造成的膜層破裂現象，并利用APS離子源輔助沉積技術，提升了薄膜的成膜質量，規避了薄膜吸潮曲線漂移現象。同時，通過對周期數的調整，使截止深度不斷調節優化，為該類型的短波通濾光膜制備制訂了較好的解決方案。