高级次通带滤光膜设计与制备技术

张金豹,史成浡,耿 浩,南 勇,崔世俊

(河南平原光电有限公司,河南 焦作 454001)

在一定片基上,用真空镀膜法交替镀制具有一定厚度的高折射率或低折射率的介质-介质或金属-介质膜层,构成滤光膜。滤光膜主要是用来选取所需要辐射波段的光学零件,可以应用在可见、微光、近红外、短波红外、中远红外等光电系统中,起到波段分离、干扰抑制、色差补偿等关键性能。因此,在白光成像、微光夜视、激光测距、激光制导、红外探测等具备多项功能的军用光电装备中得到了广泛的应用[1-3]。滤光膜在加工生产中的主要难点是在高级次波长处会产生高级次截止带,这些高级次截止带有时会产生在光电系统所需要使用的波段区域处,严重时会影响光电系统的整机性能。由于高级次截止带的产生是滤光膜设计及加工生产中的必然结果,那么如何设计膜系结构令光电系统所需波长处的高级次截止带得到抑制变为高级次通带滤光膜的技术得到了广泛关注。本文通过重点论述高级次截止带产生原因及消除方法,设计了2种高级次截止带得到抑制的滤光膜结构,对比优劣后利用APS离子源辅助真空镀膜机制备了高级次通带滤光膜,并对工艺制备过程中可能出现的被抑制的高级次截止带再次复现情况给出了修正方法。

2.1 高级次截止带

滤光膜结构G/(αLβHαL)S/A,结构中H为高折射率膜层,L为低折射率膜层,G为光学玻璃基板介质,A为空气介质,S为膜层周期数,α、β为膜层厚度随机匹配系数。中心波长为λ的滤光膜光谱曲线如图1所示。

图1 滤光膜高级次截止光谱曲线

从图1中可以得到在波长λ/2、λ/3、λ/4、λ/5…等波长处会出现高级次截止带,严重影响通带区域的宽度及透射率[4-5]。

2.2 高级次截止带的产生与消除

单层膜的特征矩阵

(1)

式中,η为单层膜导纳;
δ为单层膜位相厚度;
d为单层膜物理厚度;
λ为单层膜中心波长。对于无吸收介质,m11和m22为实数,m12和m21为纯虚数,而且m11=m22,矩阵的行列式值等于1,即

m11m22-m12m21=1

(2)

滤光膜结构G/(αLβHαL)S/A属于以中间一层为中心,两边膜层对称的多层膜,而多层膜的特征矩阵是各个单层膜特征矩阵的连乘积:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

M22=M11

(8)

M11M22-M12M21=1

(9)

对于无吸收的介质膜系,其矩阵M11和M22为实数,M12和M21为纯虚数,而且M11=M22,行列式值等于1,具有单层膜矩阵的所有特点[6-7],可以等效为单层膜。等效单层膜描述:

(10)

(11)

(12)

假设滤光膜由S个以中间一层为中心,两边膜层对称的多层膜周期构成,每个周期的形式是

(13)

如果把单个周期看成浸没在一种导纳为η的介质中,那么这个周期的透射系数为

(14)

令t=|t|exp(iτ)(τ即为透射光的位相变化),则有

(15)

对于无吸收介质,M11、M22是实数,M21、M12是纯虚数。令实部相等,即给出

(16)

如果略去周期内反射2次以上的光束,那么

τ≈∑δ

(17)

也就是基本周期的总位相厚度。

当∑δ=mπ时,有cosτ=±1,并且如果|t|<1,那么

(18)

产生高级次截止带。

如果|t|=1,则

(19)

高级次截止带将被抑制。

这样得到高级次截止带消除的必要条件。

技术指标:胶合棱镜在45°倾斜测试下,450~650 nm,Tave≥90%,1 570 nm±10 nm,Rave≥95%,膜层质量满足JB/T 8226.8—1999检测标准。

从技术要求分析,透射带450~650 nm恰好在反射带中心波长1 570 nm的λ/3处,必须对λ/3处的高级次截止带消除,选择合适的膜系结构匹配系数,保证式19成立。

膜系结构:G/ (0.769H0.993L0.769H)20/G。

结构中H:Ta2O5,L:SiO2,G:光学玻璃。

所设计膜系,光谱图如图2所示。

图2 λ/3截止抑制设计光谱曲线

上述光谱曲线可以满足要求,但是在λ/4处出现了高级次截止带,截止带非常接近所用光谱波段,这使得光谱曲线的容差变差,工艺性降低,为提升容差,最优的设计应该是λ/3、λ/4处的高级次截止带抑制消除,重新选择合适的膜系结构匹配系数,保证式19成立。

膜系结构:G/ (0.059L0.782H0.891L0.782H

0.059L)25/G。

结构中H:Ta2O5,L:SiO2,G:光学玻璃。

所设计膜系,光谱图如图3所示。

图3 λ/3、λ/4截止抑制设计光谱曲线

周期性膜系结构中的匹配系数是抑制高级次截止带产生的关键点,如膜系结构:G/ (0.059L0.782H0.891L0.782H0.059L)25/G中n1=0.059、n2=0.782、n3=0.891的3个匹配系数必须精确,但是实际真空镀膜过程中这3个系数由于工艺性误差会发生偏离,这样抑制的λ/3、λ/4高级次截止带会再次出现,这时需要对匹配系数偏离进行修正[8-9]。

当n1*0.98=0.059*0.98、n2=0.782、n3=0.891时,λ/3、λ/4高级次截止带再次出现,且随着系数的偏离百分比增大,截止深度增大(见图4)。

图4 n1偏离光谱曲线

当n1=0.059、n2*0.98=0.782*0.98、n3=0.891时,λ/3、λ/4高级次截止带再次出现,且随着系数的偏离百分比增大,截止深度增大(见图5)。

图5 n2偏离光谱曲线

当n1=0.059、n2=0.782、n3*0.98=0.891*0.98时,λ/3、λ/4高级次截止带再次出现,且随着系数的偏离百分比增大,截止深度增大(见图6)。

图6 n3偏离光谱曲线

从上述分析可以得到,依据高级次截止带产生的截止度可以得到匹配系数的偏离大小并进行修正。

5.1 工艺参数

制备设备:莱宝SYRUSpro1100镀膜机(见图7)。

图7 SYRUSpro1100镀膜机

制备工艺参数试制:对Ta2O5、SiO2进行工艺参数试制,寻找2种膜料应力匹配参数[10-11]。

优化后光谱曲线如图8所示。优化后膜系厚度(见表1):G/Ta2O5/SiO2/Ta2O5……SiO2/Ta2O5/G,共107层,且2种膜料物理总厚度差异不能过大,防止2种材料中的一种膜层太厚时应力积累引起光学零件表面发生变形及膜层龟裂现象。

图8 优化后光谱曲线

表1 薄膜物理厚度

(续表)

制备过程:当真空度高于6×10-2Pa时,烘烤基板为150 ℃;
当真空度高于3×10-3Pa时,对Ta2O5进行充分预熔、除气;
达到工艺真空度2×10-3Pa后,APS源开启,进行离子束轰击清洗零件;
清洗结束后,开启程序,按表2工艺参数及表1膜层厚度交替镀制Ta2O5、SiO2,直至程序结束。

表2 膜层应力匹配主要工艺参数

工艺制备过程中,电子枪热蒸发膜料,采用离子源辅助镀膜,离子源辅助具有如下优势:1)镀制前基底表面受到严格的离子轰击清洁处理,去除了表面的污染和势垒层,使基底表面活性增加,并使表面刻蚀粗糙度增加,从而大大提高了膜层与基底的附着力;
2)镀制中离子辅助镀膜所获得的薄膜纯度高,致密性好,能够形成超硬薄膜,保护基底免受大气环境侵蚀破坏,离子化的氧化物反应气体参与薄膜沉积,降低了膜料的消光系数,提升了薄膜的激光损伤阈值;
3)镀制后离子束轰击改善薄膜表面粗糙度,起到对膜层的退火作用,改善了薄膜应力结构及光学常数,提升了薄膜的激光损伤阈值;
4)离子辅助镀膜可以实现低温下薄膜的沉积,避免高温沉积膜层所导致的光学镜头面型热变化,光学镜头高精度面型在薄膜沉积前后面型无变化。

5.2 光谱测试

测试依据:光谱技术指标要求。

测试设备:PerkinElmer"s Lambda900紫外-可见-近红外分光光度计。

测试内容:测定胶合棱镜在45°的入射下400~1 800 nm透射光谱图(见图9)。实际测试结果为400~700 nm,Tave≥95%,1 570 nm,Rave≥95%,满足了光学技术指标要求。

图9 实测光谱曲线

本文通过推导对称膜系结构的矩阵计算公式得到其等效单层矩阵结构,利用等效单层矩阵结构阐述了高级次截止带的产生与消除条件;
通过膜系结构中匹配膜料系数,设计了2种高级次截止带消除的滤光膜系结构,比较2种膜系的工艺容差,选择其中λ/3和λ/4这2个高级次截止带消除且透射通带更宽的滤光膜系结构进行了真空镀膜制备,指出了制备过程中被抑制的高级次截止带会再次出现的原因是真空镀膜工艺过程误差导致膜系匹配系数偏离理论值以及对偏离系数的修正对策。同时,利用APS离子源辅助沉积技术,提升了薄膜的成膜质量,避免了薄膜在空气中吸潮侵蚀光谱曲线向长波漂移现象。

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