陳童，侯習(xí)平，付秀華

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.63863部隊(duì)）

光學(xué)相干斷層掃描成像（Optical Coherence Tomography，OCT）是一種對(duì)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)信號(hào)獲取與處理的高敏感性檢測(cè)的光學(xué)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和工業(yè)材料檢測(cè)等方面有著廣泛的應(yīng)用［1-4］。OCT系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比反射光和參考光的信號(hào)延遲與反射強(qiáng)度的差值，分析被檢測(cè)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此為了獲取準(zhǔn)確的光信號(hào)，高質(zhì)量的消偏振分光膜起到了非常關(guān)鍵的作用。根據(jù)所查資料可知，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同類(lèi)型的消偏振膜進(jìn)行了研究［5-15］，在《可見(jiàn)/紅外寬光譜分色片偏振調(diào)控的設(shè)計(jì)》中采用誘導(dǎo)透射理論設(shè)計(jì)了可見(jiàn)近紅外波段不同偏振度的膜系。在《寬波段7∶3消偏振分光膜的設(shè)計(jì)及鍍制》中采用解析法、Needle優(yōu)化法和變尺度優(yōu)化法對(duì)膜系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分析了設(shè)計(jì)膜系的可鍍制性。在《BirefringentNon-polarizingThinFilm Design》中介紹了傾斜入射時(shí)雙折射消偏振薄膜的設(shè)計(jì)方法。雖然這些對(duì)不同類(lèi)型的消偏振薄膜進(jìn)行了研究，但是未對(duì)實(shí)際鍍制的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，要求在1310±50nm波段1∶1分光，且偏振度小于5%的消偏振薄膜還未見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)的使用要求，研制高質(zhì)量的消偏振分光膜。根據(jù)實(shí)際鍍制情況，采用Macleod膜系設(shè)計(jì)軟件對(duì)膜系及鍍膜結(jié)果進(jìn)行分析，在制備過(guò)程中對(duì)敏感度較高的膜層進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，并改善鍍膜工藝降低了膜層的監(jiān)控誤差。

1 膜系設(shè)計(jì)

針對(duì)光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)對(duì)分光棱鏡的要求，具體的膜系技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 消偏振分光膜的參數(shù)要求

當(dāng)光線傾斜入射時(shí)，由于P光和S光的光學(xué)導(dǎo)納不同，必將引起偏振分離現(xiàn)象［16］，偏振分離：

其中，ηp與ηs分別表示P光和S光的光學(xué)導(dǎo)納，θ0為入射角度，n0為入射介質(zhì)折射率，n為等效膜層的折射率。Δn是一個(gè)恒大于1的量，當(dāng)入射角確定，入射介質(zhì)折射率越高，偏振偏離就越大。對(duì)于在光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)中，這種偏振效應(yīng)會(huì)對(duì)成像系統(tǒng)造成信號(hào)干擾，因此在膜系設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小薄膜的偏振效應(yīng)。對(duì)于膜系為：（0.5H L 0.5H）的組合，在λ=λ0/2的波長(zhǎng)位置的偏振分離為：其中，EP與ES分別表示P光和S光的光學(xué)導(dǎo)納，ΔnH與ΔnL分別為高低折射率膜層所產(chǎn)生的偏振分離，當(dāng)ΔnL=(ΔnH)3時(shí)，膜層組合在該波長(zhǎng)位置無(wú)偏振分離，但是由于基片與入射介質(zhì)間仍存在偏振分離，因而僅僅利用消偏振膜層組合還是無(wú)法達(dá)到消除整個(gè)薄膜系統(tǒng)的偏振效應(yīng)。

為了消除薄膜系統(tǒng)的偏振效應(yīng)，可采用三種薄膜材料構(gòu)成的膜系結(jié)構(gòu)［17］，使得整個(gè)薄膜系統(tǒng)的P光和S光分量具有相近的光學(xué)導(dǎo)納，從而起到消偏振的作用。選擇Sub|（MLMH L MHMHML）^m MLMH H|Glass，作為膜系設(shè)計(jì)的初始膜系，入射角度為45°，參考波長(zhǎng)為1310nm，其中m代表膜堆循環(huán)的次數(shù)，Sub為K9基底，Glass表示入射介質(zhì)為K9，H、M和L分別代表Ti3O5，Al2O3和MgF2的1/4中心波長(zhǎng)的光學(xué)厚度，借助Macleod膜系設(shè)計(jì)軟件針對(duì)成像系統(tǒng)的參數(shù)要求設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，并利用Compact Design功能限定膜層最小厚度為20nm，結(jié)合Optimac和Needle Synthesis兩種優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，整理后得到的膜系為：Sub|1.2809H 0.5L 2.5872M 0.6793H 1.3272M 0.7839H 0.5L 0.9643M 0.6629H 0.6L 0.703H 0.894M 0.6L 0.8491H 1.2833M 1.0852H 1.2744M 0.8888H 0.5L 0.8894M 0.7064H 0.6L 0.6822H 0.8307M 0.6L 0.8452H 1.2954M 1.1446H 1.391M 0.8L 1.3042M 0.4709H|Glass，理論光譜曲線如圖1所示。

圖1 消偏振分光膜的理論設(shè)計(jì)光譜曲線

如圖1所示，理論設(shè)計(jì)P光和S光在1260～1360nm波段平均透射比為49.98%與50.01%，偏振度小于1%，滿足使用要求。

2 薄膜制備

本實(shí)驗(yàn)采用日本光馳OTFC-1300真空鍍膜機(jī)鍍制。該設(shè)備配有雙電子槍和RF射頻離子輔助蒸發(fā)系統(tǒng)，后者能對(duì)成膜前基片進(jìn)行預(yù)清洗，使得基片表面活化，且在鍍制過(guò)程中給予沉積粒子較大的動(dòng)能，增加膜層的附著力，提高薄膜的機(jī)械性能。

鍍膜采用Lightratiopeak的監(jiān)控方式監(jiān)控，該種監(jiān)控方式能夠通過(guò)對(duì)光控信號(hào)的計(jì)算監(jiān)控任意厚度的膜層，并且會(huì)根據(jù)實(shí)際監(jiān)控的光量值判停，與光學(xué)極值法相比具有較高的監(jiān)控精度。

采用體積分?jǐn)?shù)為3∶1的無(wú)水乙醇和無(wú)水乙醚的混合溶液對(duì)K9基片進(jìn)行清洗，襯底溫度為250℃，本底真空為2.0E-3Pa。根據(jù)膜料的特性，以及鍍膜的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，選定Ti3O5，Al2O3和MgF2的沉積速率分別為3.5A/s，4A/s，8A/s。鍍膜前14層選用1200nm作為監(jiān)控波長(zhǎng)，后18層選用1550nm作為監(jiān)控波長(zhǎng)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

采用Lambda950分光光度計(jì)對(duì)試驗(yàn)片進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試光譜曲線如圖2所示。

圖2 消偏振分光膜的測(cè)試光譜曲線

由圖2可知，1260nm到1360nm波段P光平均透射比為54.36%，S光平均透射比為51.71%，偏振度大于10%，不滿足使用要求。選擇Macleod軟件的Reverse Engineering模塊對(duì)實(shí)際測(cè)試曲線進(jìn)行模擬，模擬后發(fā)現(xiàn)通過(guò)整體改變Ti3O5，Al2O3和MgF2的光控tooling值無(wú)法讓模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線非常接近。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 測(cè)試曲線模擬圖

運(yùn)用Independent Sensitivity功能對(duì)膜層敏感度進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 膜層敏感度分布圖

如圖4可知，膜層在第12層與第30層的相對(duì)靈敏度較高，當(dāng)單獨(dú)調(diào)整每層膜的厚度后發(fā)現(xiàn)，所模擬的結(jié)果與實(shí)際測(cè)試曲線誤差較小，如圖5所示。

圖5 調(diào)整每層膜厚度的測(cè)試曲線模擬圖

對(duì)比兩種模擬結(jié)果，分析實(shí)際鍍膜結(jié)果不滿足要求的主要有以下兩種原因：（1）鍍膜時(shí)采用多個(gè)監(jiān)控波長(zhǎng)，由于光控系統(tǒng)在不同波段信號(hào)強(qiáng)度不同，因而導(dǎo)致不同監(jiān)控波長(zhǎng)的光控tooling值有細(xì)微的差距。（2）第12，30層的Final Swing分別為184.2和192.1，相比其他膜層較大，模擬得知，其兩層模擬厚度與理論設(shè)計(jì)相差較大，分析原因后發(fā)現(xiàn)Final Swing過(guò)大會(huì)導(dǎo)致實(shí)際計(jì)算的光量值與理論值有較大差距，使得膜厚誤差增大。

根據(jù)這兩種原因，針對(duì)敏感度相對(duì)較高的膜層，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，根據(jù)其Final Swing的大小，通過(guò)更換波長(zhǎng)的方式，避免出現(xiàn)Final Swing過(guò)大或過(guò)小的情況，并對(duì)實(shí)際鍍膜的每個(gè)監(jiān)控波長(zhǎng)分別模擬其光控tooling值，這樣可有效的降低膜層的監(jiān)控誤差。修改膜層的監(jiān)控方式后，進(jìn)行鍍膜，得到的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，修改膜層的監(jiān)控方式后的P光平均透射比為51.47%，S光平均透射比為49.11%，偏振度為4.59%。比之前有了較大的改善，且P光和S光的光譜性能均滿足光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)的使用要求。

圖6 工藝改善后的測(cè)試曲線

4 環(huán)境測(cè)試

（1）機(jī)械牢固度測(cè)試：采用黏性強(qiáng)大較大的高溫膠帶對(duì)膜層表面緊緊粘貼并沿薄膜表面垂直迅速拉起，重復(fù)幾次，薄膜未有脫膜現(xiàn)象。

（2）水煮測(cè)試：將該測(cè)試片放在離子水中進(jìn)行加熱沸騰2小時(shí)后，觀察未有脫膜現(xiàn)象。

（3）高溫測(cè)試：將消偏振分光片放置于400℃的高溫中進(jìn)行烘烤2h后，并進(jìn)行階梯退火，觀察膜層表面未出現(xiàn)明顯的皺褶現(xiàn)象。

（4）濕度測(cè)試：將基片放置在濕度為95%的環(huán)境下12h，膜層表面未有明顯的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

采用電子束加熱真空蒸鍍研制消偏振分光膜。借助Reverse Engineering模塊對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行模擬，并對(duì)監(jiān)控誤差原因進(jìn)行分析，根據(jù)不同監(jiān)控波長(zhǎng)選擇不同的光控tooling值，并分析膜系的膜層敏感度，針對(duì)敏感度值相對(duì)較高的膜層，根據(jù)Final Swing的大小進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，有效地降低了監(jiān)控誤差。

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