探测用宽截止红外双通道帯通滤光片的设计及误差分析

为满足探测1,2丙二醇二硝酸脂有毒气体浓度的红外探测元件抑制带截止深度深、通带内平均透射比高、波纹系数小等要求,采用等效折射率理论与局部优化相结合的设计方法,选用PbTe/ZnSe作为高低折射材料,采用长波通膜系、短波通膜系以及双半波膜系设计了截止深度深、双通道、通带宽度合适的红外滤光片,通带分别为5.9～6.2μm及11.9～12.2μm,通带内平均透射比分别在90%及65%以上;对所设计的膜系进行了薄膜物理厚度和膜层折射率的误差分析。分析表明,薄膜制备时沉积速率精度应控制在3.5%以内,材料折射率的变化应控制在3%以内,与膜层折射率相比,薄膜物理厚度对平均透射比的影响小,并且双半波膜系对厚度以及折射率变化更敏感。     

多层膜体折射率弱不均匀度反演计算的近似模型及性能分析

实际应用中的薄膜或多或少存在体折射率不均匀缺陷,其准确表征对于镀膜工艺参数调校、低损耗薄膜设计与制备分析等具有影响。从Schr-der近似出发,推导了体折射率弱不均匀薄膜的膜系特征矩阵,通过特征矩阵法推广,建立了体折射率弱不均匀多层膜光谱特性计算的近似模型。利用基于有效介质理论的多层均匀膜近似方法,讨论了上述近似模型的有效性、计算精度和时间消耗特性。结果表明,上述模型矩阵计算中引入体折射不均匀度这一参数,为多层膜体折射率不均匀缺陷反演提供了一种有效的手段,为基于宽带光谱测量数据拟合的膜层缺陷数值反演应用奠定了基础。     

斜入射下薄膜体折射率不均匀度快速反演模型

体折射率不均匀是一种常见的薄膜缺陷,其反演计算对于膜系的设计和制备都有重要影响。推导出体折射率不均匀薄膜的膜系特征矩阵,建立斜入射条件下的不均匀膜光谱特性计算的近似模型,探讨模型的计算精度和计算时间,并利用模型计算椭偏角验证模型的可行性。结果表明,斜入射条件下的不均匀薄膜模型为基于宽带光谱测量数据拟合的膜层缺陷数值反演应用提供了快速有效的方法。     

线性共蒸法制备非均匀膜的误差特性模拟分析

对双源线性共蒸法制备的非均匀薄膜折射率分布与光学特性的关系作了探讨,并与均匀介质膜的光学特性作了对比;从折射率正变和负变两个方面,讨论了混合介质膜折射率不同变化规律对光学性能带来的影响;讨论了厚度误差和折射率极值误差对非均匀膜光学性能的影响。结果发现折射率变化规律误差主要对非均匀膜的应用波段范围产生影响,而膜层厚度误差和折射率极值误差超过一定值时,将对薄膜光学特性产生重要影响。     

超宽带减反射膜的设计和制备

设计了400～900 nm波段上的超宽带减反射膜,在410～850 nm范围内的平均残余反射率设计值约为0.2%,在设计的全波段上约为0.24%.讨论了初始膜系结构的选择原则,分析了带宽、膜层折射率差、最外层折射率和膜层总厚度等因素对宽带减反射特性的影响.对特定的带宽.增加两种薄膜材料的折射率差和选择尽可能低的最外层折射率对获得优良的减反射特性是非常重要的.实验制备了K9玻璃上TiO2/MgF2两种材料组成的8层结构的超宽带减反射膜,实测结果表明,在带宽520 nm范围内的平均残余反射率约为0.44%,说明用二种材料设计超宽带减反射膜是成功的,对垂直入射的减反射膜.多种材料的膜系并不比两种材料更具优越性.     

Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论

建立了Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论.在分析光纤光栅的耦合模时,发现了耦合模式的振幅系数间存在傅里叶变换关系.推导了将傅里叶变换和模式耦合融合在一起的Bragg光纤光栅反射谱和透射谱的通用表达式.该理论是用傅里叶变换得到Bragg光纤光栅折射率微扰的空域谱,再对该空域谱进行模式耦合分析计算,从而得到Bragg光纤光栅的光谱特性.根据该理论,仿真分析了Bragg光纤光栅的谱特性,与耦合模理论、直接傅里叶变换法进行了对比分析.结果表明,傅里叶模式耦合理论与传统的耦合模理论及实际Bragg光纤光栅的光谱特性一致,具有简单、清晰、直接、精确和分析效率高的特点,可分析任意轴向折射率微扰分布的Bragg光纤光栅结构.     

薄膜非均匀性及其对增透膜性能的影响

基于非均匀膜理论提出的折射率分层模型,将非均匀膜层分为N个均匀子层,应用光学薄膜特征矩阵对其进行理论分析。应用膜系设计软件模拟ZrO2和CeO2的负非均匀性对增透膜光谱特性的影响。研究结果表明:负非均匀性使多层增透膜的反射率增大,在参考波长处的光谱特性变差,使整个反射光谱曲线朝长波方向漂移,从而导致整个膜系的光谱特性偏离理想情形。     

镀金属两层膜系长周期光纤光栅模式转换与折射率响应

基于耦合模理论,研究了镀金属两层膜系长周期光纤光栅(LPFG)的模式转换及其折射率响应特性。从表面等离子体共振(SPR)的激励条件和模式转换发生条件出发,指出镀金属两层膜系LPFG中的SPR和模式转换不会同时发生,在此基础上分析了镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率随敏感薄膜厚度的变化,发现镀金属两层膜系LPFG的模式转换区域比镀膜LPFG的转换区域要宽,且模式转换区域内第一次转换时的有效折射率变化斜率比镀膜LPFG的大,意味着在该区域其对敏感膜层的变化有更高的响应。考察了金属薄膜厚度对镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率的影响,结果表明,随着金属薄膜厚度的增加,第一次转换时有效折射率的变化斜率逐渐增加。分析了第一次转换时镀金属两层膜系LPFG透射谱对敏感薄膜折射率变化的响应特性,结果表明,镀金属两层膜系LPFG传感器对敏感薄膜折射率的灵敏度明显高于镀膜LPFG,对敏感薄膜折射率的灵敏度的分辨率可达10-6。     

离子束溅射制备低应力深紫外光学薄膜

采用离子束溅射制备了Al F3、Gd F3单层膜及193 nm减反和高反膜系,分别使用分光光度计、原子力显微镜和应力仪研究了薄膜的光学特性、微观结构以及残余应力。在优选的沉积参数下制备出消光系数分别为1.1×10~(-4)和3.0×10~(-4)的低损耗AlF_3和GdF_3薄膜,对应的折射率分别为1.43和1.67,193 nm减反膜系的透过率为99.6%,剩余反射几乎为零,而高反膜系的反射率为99.2%,透过率为0.1%。应力测量结果表明,AlF_3薄膜表现为张应力而GdF_3薄膜具有压应力,与沉积条件相关的低生长应力是AlF_3和GdF_3薄膜残余应力较小的主要原因,采用这两种材料制备的减反及高反膜系应力均低于50 MPa。针对平面和曲率半径为240 mm的凸面元件,通过设计修正挡板,250 mm口径膜厚均匀性均优于97%。为亚纳米精度的平面元件镀制193 nm减反膜系,镀膜后RMS由0.177 nm变为0.219 nm。     

磁控反应溅射法制备渐变折射率薄膜的模型分析

阐述了磁控反应溅射法制备渐变折射率薄膜的机理;探讨了磁控反应溅射法制备渐变折射率薄膜的理论模型,给出了渐变折射率薄膜的折射率与反应气体分压的关系,在一定的沉积参数下,由要得到的膜层折射率随膜层几何厚度的变化规律可推导出反应气体分压比随时间的变化规律;最后以制备折射率线性变化的薄膜为例说明了如何推导得到反应气体分压比随时间的变化规律. 关键词： 渐变折射率 磁控反应溅射 模型     

基底温度对电子束蒸发制备氧化铝薄膜的影响

为了考察基底温度对氧化铝薄膜折射率以及沉积厚度的影响情况,在不同基底温度环境下,通过离子辅助电子束蒸发方式,在玻璃基底上制备了同一Tooling因子条件下所监测到相同厚度的Al2O3薄膜,利用分光光度计测量光谱透过率,依据光学薄膜相关理论,计算了基底温度在25℃～300℃范围内获得的膜层实际物理厚度为275.611 nm～348.447 nm,以及膜层折射率的变化。通过对实验结果的数值计算和曲线模拟,给出了基底温度对于薄膜的折射率和实际厚度的影响情况。     

Analysis of triangular resonator integrated with zinc oxide thin film

We proposed triangular resonator integrated with zinc oxide (ZnO) thin film. With assumption that ZnO thin film grown by low temperature hydrothermal method was placed on the over-cladding of the triangular resonator region, the propagation characteristic was analyzed using 2-D finite-difference time-domain method as a function of refractive index change of ZnO thin film. The wavelength of resonance was shifted about 0.002 nm when the change of refractive index of zinc oxide thin film was 0.01.     

从薄膜波导传播衰减的角度研究光学薄膜的损耗:(Ⅰ)理论分析

本文从理论上分析了光学薄膜中的三种基本缺陷:折射率消光系数、表面粗糙度以及折射率不均匀性对薄膜内导波传播衰减的影响.基于这些缺陷对光学薄膜内不同导模传播衰减作用的不同,提出了一种区分薄膜中的吸收与散射损耗的方法.     

长周期光纤光栅气敏薄膜传感器结构优化

基于三包层长周期光纤光栅模型,研究了包层表面涂覆一层溶胶凝胶气敏薄膜的长周期光纤光栅化学传感器的灵敏度Sn与薄膜光学参量(折射率n3和厚度h3)和光纤光栅结构参量(光栅周期、折变量和光栅长度)之间的关系。采用最优化数值方法,找到了获得高灵敏度所需的最佳膜层光学参量和光栅结构参量。理论计算表明,该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达10-8。实验上制作了对乙醇气体敏感的传感器,并证实了传感器结构优化的必要性。     

聚合物自写入光波导的时域有限差分模拟

利用时域有限差分方法,对非线性光学聚合物SU-8环氧树脂在激光作用下,其折射率会升高的过程进行了数值模拟与分析,得到SU-8薄膜与激光作用一定时间之后,其内部折射率的分布。分别对表面是平面及表面带有微透镜的SU-8薄膜进行了模拟。结果表明,利用折射率升高引起的自聚焦效应,可以在SU-8薄膜内自写入波导;写入的波导以自聚焦焦点为分界点,分为锥形波导和柱形波导。写入的波导长度随着与激光作用时间的增加而增长;在与激光相同的作用时间里,表面带有微透镜的SU-8薄膜,与表面是平面的SU-8薄膜相比,锥形波导的旁瓣更收敛,写入的波导长度更长;在微透镜底面半径保持不变以及曝光时间一定时,微透镜冠高与底面半径比例为0.08时比比例为0.24时写入的波导长度要长12.2%,其中锥形波导部分要长19.2%。     

紫外光辐照对TiO2薄膜光学性能的影响

 采用电子束热蒸发技术在不同工艺下制备了TiO2薄膜,利用椭偏仪和分光光度计研究了紫外光辐照后薄膜光学特性的变化。实验结果表明：不同工艺下制备的TiO2薄膜经相同条件的紫外光辐照后,其折射率均有所下降,折射率的变化量随着沉积速率上升、基底温度上升、工作真空度下降分别有增大的趋势。薄膜的透射率在紫外光辐照后有一定下降。相同工艺条件下制备的TiO2薄膜,其折射率随着辐照时间的增加,先迅速降低,随后又有所增加,但均低于辐照前薄膜的折射率。     

Determination and analysis of the dispersive optical constants of the 5,5′,6,6′-tetraphenyl-2,2′-bi([1,3]dithiolo[4,5-b][1,4]dithiinylidene)–DDQ complex thin film

The synthesis and optical properties of the 5,5′,6,6′-tetraphenyl-2,2′-bi([1,3]dithiolo [4,5-b] [1,4]dithiinylidene)–2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (DDQ) complex thin film were investigated by the optical characterization. The optical constants such as refractive index, extinction coefficient and absorption coefficient were determined using the transmittance T(λ) and reflectance R(λ) spectra and the refractive index dispersion was analyzed using single oscillator of Wemple–Didomenico model. The single oscillator energy E₀ and the dispersion energy E_d were calculated. The effect of temperature on refractive dispersion and optical band gap E_g is also discussed. As a result, the annealing temperatures have an important effect on refractive index of thin film.     

锗在吸收边附近的压力—折射率系数

目前半导体锗在吸收边附近(1550 nm)的压力-折射率系数在实验和理论上并未研究清楚.本文通过测量在不同压力下镀在光纤端面的高结晶度锗薄膜的反射率,来计算得到锗在吸收边附近的压力-折射率系数.本文的实验结果显示,锗在吸收边附近出现反常色散现象,即折射率随能量变化呈正相关,并且其压力-折射率系数出现反常,为正值,这是由于多晶结构中的激子吸收所引起.通过引入描述激子色散的临界点模型,得到锗在吸收边附近的反常色散范围和压力-折射率系数呈正值的范围.本文的结果将有助于基于锗薄膜的通信C波段光学器件的研究.     

Optical parameters of epitaxial GaN thin film on Si substrate from the reflection spectrum

A method has been proposed for determining the optical properties of a thin film layer on absorbing substrates. The film optical parameters such as thickness, refractive index, absorption coefficient, extinction coefficient and the optical energy gap of an absorbing film are retrieved from the interference fringes of the reflection spectrum at normal incidence. The envelopes of the maxima of the spectrum E_M and of the minima E_m are introduced in analytical forms to find the reflectance amplitudes at the interfaces and approximate values of the thin film refractive index. Then, the interference orders and film thickness are calculated to get accurate values of the needed optical parameters. There are no complex fitting procedures or assumed theoretical refractive index dispersion relations. The method is applied to calculate the optical properties of an epitaxial gallium nitride thin film on a silicon (1 1 1) substrate. Good agreement between our results and the published data are obtained.     

基底微缺陷对介质薄膜光学性能影响的理论研究

基于非均匀膜理论提出一种存在微缺陷的介质基底的折射率分层模型，将基底依次分为表面层、亚表面层和体材料层，其中表面层和亚面层分别等效为折射率服从统计分布的非均匀膜，将它们分别再次细分为N₁和N₂个子层，每一子层均视为均匀介质 膜.应用光学薄膜特征矩阵法对其进行理论分析，并对单层介质膜的光学性能进行数值计算. 研究结果表明：基底的表面和亚表面微缺陷改变了薄膜和基底的等效折射率，导致了准Brew ster角和组合反射率与理想情形的偏离.同时这些微缺陷也改变了光在薄膜和基底中的传播 特性，因此反射相移和相位差均偏离理想情形.在研究基底的微缺陷对多层介质膜光学性能 影响的分析和计算时，该模型同样适用. 关键词： 微缺陷 介质薄膜 非均匀膜 光学性能