膜层渗透产生短波通截止滤光片半波孔现象的分析

半波孔现象的出现会极大地影响短波通截止滤光片的光谱性能,已有文献报道膜料色散、膜层折射率非均匀性以及膜厚控制误差积累等是产生半波孔现象的几个可能因素。本文通过模拟计算发现膜层间的相互渗透也是产生半波孔现象的重要原因之一,分析表明不同的渗透模式对半波孔现象的形成及大小具有不同的影响。     

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。     

短波通滤光片膜系设计

详细介绍用等效折射率概念设计短波通滤光片的原理和计算方法。根据原理和方法，选择二氧化钛（TiO2）作为高折射率材料、二氧化硅（SiO2）作为低折射率材料。首先从理论上计算出用这2种材料设计的波长λ=950～1150nm的短波通滤光片所需要的周期数，然后给出短波通滤光片的主膜系和光谱曲线。由于据此周期数设计出的膜系光谱曲线在750～810nm处的透过率不符合要求，因此对该膜系进行了改进。依照改进的设计进行多次制备，最终制备出了符合要求的短波通滤光片，找到了最佳制备工艺和方法。最后，对制备出来的短波通滤光片薄膜进行了各种环境实验。实验结果表明，膜层的各项指标符合设计要求。     

倍频波长分离膜半波孔的消除

指出了膜料色散、膜层折射率非均匀性以及膜厚控制误差积累等是导致半波孔产生的几个因素,其中膜层厚度周期性误差积累和敏感层厚度误差是导致半波孔的主要因素,还指出了半波孔的大小与膜系结构有关.借助计算机做了相应的数值计算,并从理论上进行了深入分析.针对这些因素采取相应的措施,设计和制备了倍频波长分离膜,有效地消除了半波孔.并给出了理论和实验光谱曲线,二者有很好的一致性.     

基于等效层法分析对称性倍频分束镜的半波孔

半波孔问题严重影响了倍频分束镜在高功率激光系统中的应用。为研究半波孔的产生机理,分别模拟了由高、低折射率膜层厚度失配和膜料色散失配引起的1/4波长对称规整膜系的半波孔。基于等效层理论,在Matlab平台上计算膜系的等效折射率E,绘出其对应的反射率极值包络曲线。通过研究对称膜系的等效折射率、反射率光谱和反射率包络之间的关系,从原理上分析了半波孔的大小、位置和变化趋势等特点。结果表明,膜层的厚度失配使对称膜系的等效折射率在光谱半波处产生截止带。膜层数越多,膜层厚度和膜料色散的失配越严重,则倍频分束镜的半波孔越深。     

周期结构薄膜在折射率色散下反射区特性研究

周期性结构是光学薄膜设计的基本物理模型,给出了反射区中心波长的一般性条件,研究了在膜层材料存在折射率色散情况下,等厚周期结构和非等厚周期结构的薄膜反射区中心波长与带宽特性.研究结果表明:在等厚和非等厚周期结构中,考虑膜层材料折射率色散与忽略色散情况相比,中心波长向长波方向移动,反射级次与相对波数的线性关系偏离;在薄膜光学厚度一定的非等厚周期结构中,高折射率层光学厚度大于低折射率层时,反射级次与相对波数的线性关系偏离度高;非等厚周期结构薄膜的带宽在低反射级次上小于等厚周期结构,同时膜层的色散对反射带宽影响不大.     

单层柱状结构薄膜体散射的理论研究

电子束蒸发的单层光学薄膜具有明显的柱状结构,薄膜内部折射率的变化较大,由此引起的体散射现象也较明显。基于一阶电磁微扰理论,建立了单层光学薄膜的体散射理论模型,分析了膜层厚度、入射光偏振态、柱状结构因子、非均质性对体散射的影响。研究了纯柱状结构下,电子束蒸发的单层二氧化铪(Hf O2)薄膜体散射的角分布散射值(ARS)随着膜层厚度的变化规律,结果表明纯柱状结构Hf O2薄膜体散射的ARS量级与表面散射完全非相关模型的ARS值相近,并且在特定的膜厚范围内,体散射的ARS值随着膜厚的增大而增大。对于非均质性薄膜,当非均质性一定时,体散射的ARS值随着膜厚的增大而增大;当膜层厚度一定时,体散射的ARS值随着非均质性绝对值的增大而减小。     

结合傅里叶变换合成法设计均匀薄膜

基于傅里叶变换合成法的基本原理,合成了一个K9基底上的负滤光片,合成的渐变折射率薄膜具有期望光学特性,但实际制备难度很大,因此将其细分为足够多层离散折射率的均匀薄膜,由于实际薄膜材料种类有限,不能获得任意折射率膜层,鉴于两层高低折射率薄层可近似为一层中间折射率膜层的思想,将膜系转化成一个可实际制备的膜系结构:膜系采用ZrO2和SiO2两种膜料,膜层总数为183层,经单纯形调法优化后,膜层总厚度为7.09 μm,通带和截止带内平均透射比分别为97.56%和3.13%,其结果优于直接采用傅里叶方法合成的非均匀膜系,与期望透射比曲线吻合更好.说明通过这种思想设计任意光谱特性的膜系是可行的,也使傅里叶变换合成法设计的薄膜实际制备成为可能.     

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。     

两种常用介质反射膜系两侧通带波纹的压缩

本文通过滤色条与激光防护眼镜透射光谱平直化工作,探讨了对称周期高反射膜系主反射带两侧反射次峰的压缩问题。其基本思想是根据薄膜负滤光器设计原理,从等效概念出发,计算出由硫化锌、氟化镁和氧化锆、二氧化硅组成的两种高反射膜系基本周期的等效折射率,然后以变折射率法和变厚度法,分别计算出正配于玻璃与主膜系和主膜系与空间系之间的薄膜组合,并简述了取得的实验结果。     

制备工艺条件对SiO2薄膜非均质特性的影响

薄膜材料的生长过程随镀膜机尺寸的增大而呈现新的规律,为制备膜层均匀性好、材料均质的大尺寸光学元件,分别在不同离子源能量、沉积压强、基板加热温度及基板转速条件下,采用离子辅助电子束蒸发方法制备了不同单层SiO2薄膜样品;利用分光光度计及椭偏仪分别对样品的透过率及椭偏参数进行测量,并对测量结果进行拟合得到不同样品的折射率及非均质特性。实验结果表明,工件架转速是使大尺寸SiO2薄膜材料产生非均质特性的主要影响因素,离子源能量、基板温度、沉积压强通过影响材料生长过程对材料的非均质特性产生调控;对于大尺寸薄膜光学元件,工件架转速存在限制的条件下,优化其他工艺参数可以获得均质SiO2薄膜材料,该结果对于制备具有优良性能的大尺寸薄膜光学元件具有借鉴意义。     

硅薄膜的短波红外光学特性和1.30μm带通滤光片

在短波红外区域(1～3μm),硅薄膜材料因其具有折射率高、透明性好、膜层应力易匹配等诸多优点而得到广泛应用。基于改进后的Sellmeier模型拟合出了制备的硅薄膜的短波红外光学特性,以此为基础,选用硅和二氧化硅两种材料,设计并制备出中心波长在1.30μm,相对带宽2.46%的带通滤光片。利用了硅薄膜在波长小于1.0μm波段的吸收特性较好地扩展了带外截止范围。测量结果表明,具有2个谐振腔的带通滤光片峰值透射率达到85.8%,半功率带宽控制在约32nm,带外截止范围覆盖了波长小于1.75μm的光谱区域。     

SiO_2单层膜的反常色散研究

利用等效折射率概念分析了SiO2单层膜反常色散出现的原因,并在1.1 m镀膜机上证明了理论分析的合理性.结果表明,理论分析与实验结果一致,沿薄膜厚度方向折射率的对称周期变化使薄膜的等效折射率变化在可见光波段与致密膜层的变化不一致,表现出反常色散的现象.膜厚方向折射率变化周期越大,等效折射率随波长增加的趋势就越大,薄膜表现出的反常色散特性越明显.沿膜厚方向折射率变化幅度的对色散特性影响次之.     

薄膜折射率非均匀性的测试(Ⅱ)

本文提出了根据多个周期的Δ、ψ轨迹来判别薄膜折射率非均匀性的原则。实验结果表明CeF_3、LaF_3、NdF_3薄膜基本上是均匀的。而热基板沉淀的Zns不但具有两侧表面层,还具有折射率渐增的中心层。文中还分析了用常规椭偏法测量ZnS等薄膜时误差的分布和大小。     

非均匀性对单层膜光学特性的影响

探讨了不同规律的非均匀性对单层膜的光谱特性的影响,与均匀单层膜对比发现：折射率正变引起透射率的极大值减小,折射率负变引起透射率的极大值变大,当非均匀性很小时,透射率的极小值基本不变.对实验制备的单层膜从实验和理论上进行了对比并给出了较好的拟合,发现在薄膜和基底的界面处存在一过渡层,过渡层可近似为线性,并从理论上给予了分析解释.     

1555nm宽带通滤光膜的设计和优化

针对对空间通信的特殊需求,设计并制备了1 555 nm波段的高透过率、宽带通滤光膜,该滤光膜在高温高湿环境下能够稳定工作。根据薄膜设计理论,选取折射率差大的TiO2和SiO2作为镀膜材料,采用规整膜系进行膜系设计。借助Optilayer软件,采用针形优化和双面镀膜方法,得到优化的非规整膜系。采用直接与间接监控相结合的手段监控薄膜生长,并探讨了薄膜的生长条件。在电子束蒸发离子辅助沉积条件下,制备出中心波长处透过率达到97%,带宽为50 nm的滤光膜。在100℃高温和-30℃低温各保持3 h的条件下,波长漂移仅0.2 nm,具有高的稳定性和可靠性,满足空间通信的使用要求。     

ZnS衬底上GeC/GaP增透保护膜系的制备及红外光学性质

把GeC/GaP双层膜用作ZnS衬底的长波红外(8~11.5μm波段)增透保护膜系。采用射频磁控溅射法,以高纯Ar为工作气体、单晶GaP圆片为靶制备了GaP薄膜;用射频磁控反应溅射法在高纯Ar和CH4的混合气体中,以单晶Ge圆片为靶制备了GeC薄膜。分别用柯西(Cauchy)公式和乌尔巴赫(Urbach)公式表示折射率和吸收系数,对薄膜的红外透射率曲线进行最小二乘法拟合,得到了它们的厚度及折射率、吸收系数等光学常数。GaP膜的折射率与块体材料的相近,在波长10μm处约为2.9;GeC膜的折射率较小,在波长10μm处约为1.78。用所得到的薄膜折射率,通过计算机膜系自动设计软件在ZnS衬底上设计并制备出了GeC/GaP双层增透保护膜系,当GaP膜厚较大时,由于吸收增大膜系增透效果较差;当GaP膜厚较小时,膜系有较好的增透效果。     

中波红外3 μm～5 μm宽带通滤光片的研制

 中波红外宽带通滤光膜通常膜系层数多,膜层总厚度非常大（厚度达到10 μm左右）,膜层的镀制工艺难度较大。通过分析红外带通滤光片几种设计方法的特点,并结合实际镀制工艺技术,采用了长波通与短波通及非规整薄膜设计技术相结合的方法,设计了以锗材料为基底的中波3 μm～５ μm宽带通滤光膜。该设计大幅度降低了膜层的总厚度（约为8.65 μm）,缩短了膜层的镀制周期,提高了膜层的牢固度;在膜层的镀制工艺过程中,通过改变薄膜材料的蒸发速率、修正蒸发硫化锌材料时电子枪的扫描方式、调整蒸发材料在坩埚中的装载方法,使膜层获得了优异的光谱性能,其通带平均透过率大于96%,截止区域的平均透过率小于1%。     

薄膜截止滤光片的消偏振设计

薄膜截止滤光片在倾斜入射时不可避免地会产生s和p二个偏振分量的分离,因而在许多应用,特别是光通讯的应用中成为一个棘手的难题。提出了一种新的设计方法,对最常用的45°入射角,实现了长波通和短波通两种截止滤光片的完全消偏振, 在透射率为50%处,其偏振分离分别为0.3 nm和0.1 nm。基本的设计方法是采用宽带法布里珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通截止滤光片的初始膜系,然后经过适当的优化以提高透射带的透射率。宽带干涉滤光片的间隔层常由半波长厚度的高、低折射率混合膜层组成,如2H2L2H或2L2H2L。由于这种设计的截止区和透射带带宽常嫌不足,故提出了展宽截止区和透射带的方法。对一个典型的短波通截止滤光片,在波长1550 nm,截止区和透射带宽均达到了200 nm。这种设计方法不仅简单、性能优良,而且膜厚控制容差较大,故易于制造。     

膜截止滤光片的消偏振设计

薄膜截止滤光片在倾斜入射时不可避免地会产生s和 p二个偏振分量的分离,因而在许多应用,特别是光通讯的应用中成为一个棘手的难题。提出了一种新的设计方法,对最常用的45°入射角,实现了长波通和短波通两种截止滤光片的完全消偏振, 在透射率为50%处,其偏振分离分别为0.3 nm和 0.1 nm。基本的设计方法是采用宽带法布里珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通截止滤光片的初始膜系,然后经过适当的优化以提高透射带的透射率。宽带干涉滤光片的间隔层常由半波长厚度的高、低折射率混合膜层组成,如2H2L2H或2L2H2L。由于这种设计的截止区和透射带带宽常嫌不足,故提出了展宽截止区和透射带的方法。对一个典型的短波通截止滤光片,在波长1550 nm,截止区和透射带宽均达到了200 nm。这种设计方法不仅简单、性能优良,而且膜厚控制容差较大,故易于制造。