董 瑩，張艷茹，胡 榮，劉永強，楊崇民

（1. 西安應(yīng)用光學研究所 ，陜西 西安 710065；2. 北京科益虹源光電技術(shù)有限公司，北京 102605）

引言

帶通濾光膜是指在一定波段內(nèi)，除中間一小段高透射外，其余均是高反射帶?？梢源致缘胤殖烧瓗V光片和寬帶通濾光片。窄帶通濾光片[1]通常采用Fabry-Perot 干涉儀形式進行設(shè)計和制備；寬帶通濾光片多采用長波截止與短波截止濾光膜組合的方式獲得。近年來，由于帶通濾光片變角度使用情況增多，矩形波帶通濾光片愈發(fā)重要。在軍事、武器裝備領(lǐng)域，高矩形度、寬截止波段的寬帶通濾光片可以消除武器裝備在實際使用中的偏軸、變溫效應(yīng)，優(yōu)勢十分明顯。

國外對矩形波濾光片[2]的研究較早。國內(nèi)費書國[3]、申林[4]、楊潔[5]、龐薇[6]等對F-P 型矩形波窄帶通濾光片進行了研究，F(xiàn)-P 型濾光膜系為達到更高的矩形度，需要制備的膜層腔數(shù)較多，通帶范圍較窄，對設(shè)備的穩(wěn)定性、一致性以及監(jiān)控精度要求較高；國產(chǎn)設(shè)備光控精度有限，進口光控價格昂貴，所以用F-P 型濾光膜系設(shè)計、制備矩形波寬帶通濾光片的局限性較大；齊健[7]、朱新華[8]、岳鵬飛[9]、趙會聰[10]等使用長、短波截止濾光膜層組合的方式，利用晶控法制備了矩形波寬帶通濾光片。由于長、短波截止濾光膜組合的方法使得膜層很厚，特別是對于截止帶較寬的帶通濾光片，其厚度會成倍增加，應(yīng)力迅速增大，環(huán)境適應(yīng)性較差，晶控法工藝一致性[11]也使得鍍制的樣片通帶透過率較差，截止寬度較短。

本文研究了一種K9 基底上的矩形波50 nm 帶寬的寬帶通濾光膜層，要求λ0=515 nm，透射帶λ=λ0±25 nm，透 射帶 平均 透 過 率 τˉ≥92%，截止帶λ=400 nm～475 nm、λ=555 nm～1100 nm 的OD3-A 矩形波寬帶通濾光片。采用新方法設(shè)計的膜層通帶透過率高，膜層整體厚度較薄，監(jiān)控方法簡便，每層膜的厚度適中，敏感度較低，透射率滿足要求。制備了實驗樣片，測試結(jié)果顯示制備的樣片滿足要求。在保證膜層光學指標的前提下，克服了F-P 型濾光膜控制精度要求高、成本大、晶控法監(jiān)控膜層透過率不高、膜層厚度過大的缺點。

1 理論分析

1.1 指標分析

光密度值定義為：入射光強度和透射光強度之比的對數(shù)，即：

光密度和吸光度是同一個概念，國標中規(guī)范使用“光密度（optical density，OD）”命名。OD 值確定了帶通濾光膜反射帶的透過率。帶通濾光膜的反射編號和截止帶一一對應(yīng)，A表示反射帶為400 nm～1100 nm。

根據(jù)上述分析可知，本文研究的膜層透過率要求可以寫成：K9基底上λc1=400 nm～475 nm，λc2=555 nm ～1100 nm，透過率τ≤0.1%，透射帶λ=490～540 nm，透過率 τˉ≥92%。

1.2 濾光膜基本理論

式中：H、L分別表示高、低折射率材料的折射率。隨著周期數(shù)S的增加，過渡帶不斷減小。將不同中心波長的長、短波濾光膜層結(jié)合可以展寬反射帶的寬度。

1.3 膜系設(shè)計

在400 nm～1 100 nm 波段范圍內(nèi)，一般選擇SiO2作為低折射率材料，高折射率材料的折射率越高，則截止深度越大、反射帶寬度越寬、過渡帶越窄，所以選擇Ti2O3作為高折射率材料，本實驗所用的高折射率材料Ti2O3的折射率色散曲線如圖1 所示。

圖1 高折射率材料Ti2O3 的折射率曲線Fig. 1 Refractive index curve of high refractive index material of Ti2O3

該濾光片使用光譜范圍400 nm～1100 nm，截止帶很寬，中心波長λ0=515 nm，透射帶λ=λ0±25 nm，不能按照F-P 型窄帶濾光片的方法進行設(shè)計；使用長、短波組合的方式會使膜層厚度過大，同時長波截止膜存在“半波孔”[13-14]效應(yīng)，會導致薄膜應(yīng)力增大、環(huán)境適應(yīng)性較差、通帶透射率降低。采用長、短波截止膜組合的方式設(shè)計、制備所需的矩形波寬帶通濾光片也不適用。在保證膜層光譜的前提下，要減小膜層總厚度，降低應(yīng)力及膜層敏感度，提高通帶透過率，可以將膜層指標拆解成一個帶通濾光膜層和一個長波截止膜層的組合。

帶通濾光膜層以F-P 型窄帶濾光膜層作為膜系優(yōu)化起點，主要解決膜層通帶透射率以及過渡帶寬度的問題。優(yōu)化設(shè)計的帶通膜透過率如圖2所示。

圖2 帶通膜面模擬透過率曲線Fig. 2 Simulated transmittance curve of band-pass films surface

帶通膜面設(shè)計光譜為：λc1=420 nm～475 nm，λc2=555 nm～680 nm，τ＜0.1%；λ=485 nm～545 nm，τ＞94%，膜層總厚度3.277 μm，其中第9 層最薄，厚度20 nm。該膜系光譜指標優(yōu)異，膜層總厚度適中，每一層膜層的敏感度較低，控制精度要求較低。

按照膜層指標要求，結(jié)合帶通濾光膜的光譜可知：第二面需要配鍍485 nm～545 nm 高透射，680 nm～1100 nm 截止帶，透過率小于0.1%的長波截止膜。

按照1.2 所述方法展寬截止帶。對于“半波孔”效應(yīng)，董瑩[15]等采用非規(guī)整周期性膜系＜mHnL＞^S避開半波孔，大幅提高了通帶透過率。利用2 個非規(guī)整周期性膜系疊加，需要的反射堆數(shù)目減小，膜層整體厚度進一步降低，可以有效完成該長波截止膜的設(shè)計。長波截止膜的模擬透過率如圖3所示。

圖3 長波截止膜面模擬透過率曲線Fig. 3 Simulated transmittance curve of long-wave cutoff films surface

該膜系的厚度7.3 μm，λ=470 nm～560 nm，τ＞95%，截止帶660 nm～1100 nm，τ＜0.1%，滿足帶通濾光片對第二面長波截止膜的光譜指標要求。

將第一面帶通濾光膜和第二面長波截止膜分別鍍制在樣片的2 個表面進行組合，得到寬帶通濾光膜模擬透過率曲線，如圖4 所示。

圖4 寬帶通濾光片模擬透射率曲線Fig. 4 Simulated transmittance curve of broad-band pass filter

通過理論模擬可知：設(shè)計的矩形波寬帶通濾光片中心波長λ0=515 nm，在通帶490 nm～540 nm 范圍內(nèi)，平均透射率 τˉ可達95.5%，截止帶400 nm～575 nm、555 nm～1100 nm 的透過率τcmax＜0.1%，光密度（OD）＞3，過渡帶滿足要求，半高寬=545-484=61 nm，各項指標均達到預(yù)期目標。

2 工藝實驗及透過率測試分析

使用配備有英福康IC5 石英晶控膜厚監(jiān)控儀的ZZSX-800M 型真空鍍膜機，用電子束熱蒸發(fā)的方式，用晶控法在K9 基底上沉積上述設(shè)計膜層。

為了測試方便，分別制備了單面帶通濾光膜，單面長波截止膜以及兩面分別沉積了帶通膜和長波截止膜的樣片。使用LAMBDA900 型分光光度計測試單面帶通膜、長波截止膜及最終矩形波寬帶通濾光片的透射率。

對于帶通濾光膜面，主要控制膜層的敏感度，提高通帶透射率。在設(shè)計過程中對每一層膜層的敏感度進行控制，最薄層也可達到20 nm，所以膜層控制精度要求較低。鍍制的單面帶通濾光膜，測試的透過率曲線如圖5 所示。

圖5 帶通膜面的實測透過率曲線Fig. 5 Measured transmittance curve of band-pass films surface

測試結(jié)果顯示：鍍制的帶通濾光膜層透過率中心波長λ0=515 nm 處，透過率94.45%，在通帶波段490 nm～540 nm 透射率滿足要求，其余波段的光譜測試情況和膜系設(shè)計結(jié)果基本吻合。但短波截止帶存在一定問題，在400 nm～410 nm 截止深度明顯不夠。出現(xiàn)這種問題的原因可能是由于膜層厚度較大，沉積過程較長，所以膜層實際沉積溫度及孔隙率等參數(shù)可能有變化，導致截止帶和設(shè)計曲線出現(xiàn)了較大差異。

對于長波截止膜面，由于膜層總厚度很厚，要避免鍍膜過程較長引起溫度、材料高度以及真空狀態(tài)等工藝參數(shù)的改變，這些工藝參數(shù)改變會帶來膜層折射率及晶控參數(shù)的變化，從而引起膜層失配，降低通帶透過率。測試鍍制的單面長波截止膜的透過率曲線如圖6 所示。

圖6 長波截止膜面的實測透過率曲線Fig. 6 Measured transmittance curve of long-wave cutoff films surface

從制備的長波截止膜樣片透過率測試結(jié)果可以看出：該樣片在490 nm～540 nm 的透射區(qū)域透過率均大于90%，截止區(qū)為675 nm～1100 nm，總體上達到設(shè)計結(jié)果，但同樣存在禁帶稍窄的情況。

由上述帶通濾光膜以及截止膜樣片的透過率測試結(jié)果，可以推測最終制備的矩形波寬帶通濾光膜整體上可以達到指標要求，最終測試制備樣片的透過率曲線如圖7 所示。

圖7 最終樣片的實測透過率曲線Fig. 7 Measured transmittance curve of final sample piece

由制備的矩形波寬帶通濾光膜的透過率測試曲線可以看出：該樣片光譜基本滿足指標要求，在400 nm～1100 nm 波段，截止區(qū)域為410 nm～475 nm、555 nm～1100 nm，透射帶490 nm～540 nm，透射中心波長λ0=515 nm，透射帶平均透射率τˉ=92.7%。

和前面對帶通濾光膜以及截止膜樣片光譜分析的情況類似，最終樣片的光譜存在一定的缺陷，如400 nm～410 nm 截止深度不夠，這可能是由于膜層制備時間較長，多層濾光膜的實際沉積溫度、孔隙率等工藝參數(shù)和單層Ti2O3膜不同，造成光譜和設(shè)計曲線有偏差；655 nm、850 nm 附近存在截止帶拼接有偏差，這是2 次制備膜層溫漂不完全相同的原因[16-17]。這2 個問題都可以通過多次溫度漂移實驗解決。和國內(nèi)外同類寬帶通濾光膜的相關(guān)研究報道[18]相比較，文中所述的方法更有優(yōu)勢。

3 結(jié)論

對矩形波寬帶通濾光片光譜進行合理拆解，采用新的膜層設(shè)計方法減小膜層總厚度以及每層膜的敏感度。在K9 基底上，以Ti2O3、SiO2分別作為高、低折射率材料，設(shè)計了滿足項目需求的矩形波寬帶通濾光膜層，設(shè)計得到的膜層厚度較小，應(yīng)力可接受，對設(shè)備的精度要求較低。按照設(shè)計的膜系結(jié)構(gòu)以電子束熱蒸發(fā)的方式，使用晶控法監(jiān)控膜層厚度，制備了帶通濾光片，測試結(jié)果表明，存在的缺陷可以消除，各項光譜指標均滿足實際需求。