CN102540308B - 一种温度敏感窄带通滤光片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种温度敏感窄带通滤光片，其特征在于：它首次将二氧化钒薄膜作为微腔层构建其中，包括由上至下依次层叠的顶层有序薄膜系、缺陷层薄膜和底层有序薄膜系，其中，缺陷层薄膜为二氧化钒薄膜，顶层有序薄膜系与底层有序薄膜系的层叠结构以缺陷层薄膜为对称轴上下对称分布。本发明膜系可应用于针对某一窄带宽范围，可规避其他波段光线的干扰，并且大大提高了滤光片的使用时效。与传统介质滤光片相比，本发明膜系具有对温度敏感这一特点。经过对两边对称膜系厚度及缺陷层厚度设计，可将对称膜系厚度减薄，从而在工艺上减少了加工时间。

Description

一种温度敏感窄带通滤光片
技术领域
 本发明涉及一种温度敏感窄带通滤光片器件。
背景技术
干涉带通滤光片是一种应用非常广泛的薄膜元件。就目前为止，其应用主要表现在：天文，等离子体检测，空间探测，激光探测，化学分析，间接温度测量，有害气体分析，颜色测量，光通讯系统等等。目前应用较多的全介质滤光片制备中采用高低折射率相间的介质材料按1/4个光学厚度组成，间隔层是由偶数个半波层组成。这种结构可以达到比较理想的窄带通，但就针对温度改变，窄带通滤光片透射率、半高宽等性能随之改变的滤光片目前还没有涉及。
近年来，热致相变材料已经引起了广泛的关注。这类材料具有在红外区透过率随温度升高而明显下降的特性。VO2是一种热致变色材料，当晶体温度升至68°C(341K)后，其晶态结构由单斜结构变成四方结构，其本身性质由半导体态变到金属态，并且这种相变过程是可逆的。当温度降低时，晶体又会从金属态变回半导体态。伴随相变的发生，材料的电学、磁学、光学性能都有较大的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种窄带通滤光片，该滤光片的光学性能能够随温度变化而发生改变。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种温度敏感窄带通滤光片，其特征在于：包括由上至下依次层叠的顶层有序薄膜系、缺陷层薄膜和底层有序薄膜系，其中，缺陷层薄膜为二氧化钒薄膜，顶层有序薄膜系与底层有序薄膜系的层叠结构以缺陷层薄膜为对称轴上下对称分布。
优选地，所述顶层薄膜系、缺陷层薄膜和底层薄膜系的总层数至少为13层。
优选地，所述顶层薄膜系及所述底层薄膜系的中心波长大于1μm。
优选地，所述顶层有序薄膜系由顶层硫化锌薄膜与顶层锗薄膜相互交替层叠而成。
优选地，所述底层有序薄膜系由底层锗薄膜与底层硫化锌薄膜相互交替层叠而成。
与传统VO2薄膜材料的应用相比，本发明膜系可应用于针对某一窄带宽范围，可规避其他波段光线的干扰。同时因VO2薄膜材料不稳定，在空气中会发生缓慢氧空位变化，从而影响其光学性能，在本发明中，薄膜作为缺陷层处于间隔层之中，这样有效的隔绝了VO2薄膜与空气的接触，从而大大提高了滤光片的使用时效。
与传统介质滤光片相比，本发明膜系具有对温度敏感这一特点，同时因加入VO2作为缺陷层，从而与传统介质层相比中心波长向右产生偏移。经过对两边对称膜系厚度及缺陷层厚度设计，可将对称膜系厚度减薄，从而在工艺上减少了加工时间。
附图说明
图1A为设计膜系总体基本构成图；
图1B为设计膜系的顶层有序薄膜系构成图；
图1C为设计膜系的底层有序薄膜系构成图
图2为设计膜系在30℃下与75℃下的透射光谱图；
图3为不同温度下生长在Al2O3基底下的VO2薄膜透射光谱图；
图4为设计膜系与不含缺陷层的窄带通滤光片透射光谱图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明提出的光学薄膜膜系首次将二氧化钒薄膜作为微腔层构建其中，可分解成由下至上依次层叠的三部分：底层有序薄膜系3、缺陷层薄膜2和顶层有序薄膜系1。其中，缺陷层薄膜2为VO2薄膜。顶层有序薄膜系1及底层有序薄膜系3的具体结构图如图1B及图1C所示。顶层有序薄膜系1由低折射率的顶层ZnS薄膜4与高折射率的顶层Ge薄膜5组成，顶层ZnS薄膜4与顶层Ge薄膜5交替叠层10次。底层有序薄膜系3由高折射率的底层Ge薄膜6与低折射率的底层ZnS薄膜7组成，底层Ge薄膜6与底层ZnS薄膜7交替叠层10次。各层厚度如下表所示，其中薄层序号是从顶层的最上层的顶层ZnS薄膜4起计算，随着薄层向底层薄膜方向记数，序号增大。
序号 材料 折射率 消光系数 厚度（nm）
1 ZnS 2.2 0 360
2 Ge 4.375 0 180
3 ZnS 2.2 0 360
4 Ge 4.375 0 180
5 ZnS 2.2 0 360
6 Ge 4.375 0 180
7 ZnS 2.2 0 360
8 Ge 4.375 0 180
9 ZnS 2.2 0 360
10 Ge 4.375 0 180
11 VO2(30℃/75℃) 2.396/4.402 0.358/2.738 82
12 Ge 4.375 0 180
13 ZnS 2.2 0 360
14 Ge 4.375 0 180
15 ZnS 2.2 0 360
16 Ge 4.375 0 180
17 ZnS 2.2 0 360
18 Ge 4.375 0 180
19 ZnS 2.2 0 360
20 Ge 4.375 0 180
21 ZnS 2.2 0 360
   注：表中引用折射率与消光系数数据为该材料在3.5μm波段数据。
采用这一无序型膜系获得的透射光谱如图2所示。在图2 中，采用Al2O3作为基底8，其上长有如上表所示膜系。在实际膜系应用中，尽量采用透过率较好的材料作为基底，但不能使用已经作为膜系高低折射率材料的材料作为基底。图2中实线代表在温度为75℃下膜系产生的透射谱，虚线代表在温度为30℃下膜系产生的透射谱。由图2可见低温状态下透射光谱的半高宽约为11nm，最高透过率为67.7%，高温状态下透射光谱的半高宽约为37nm，最高透过率小于7%，膜系在不同温度下中心波长最高透射率有约为61.%的绝对差异。
由于VO2相变温度为68℃左右，其晶态结构由单斜结构变成四方结构的变换很快，因此在60-80℃具有很好的灵敏度。为了更加直观的表述VO2对温度的敏感效果，所采用的VO2薄膜透射光谱如图3所示。从图中可以看出，VO2薄膜对温度比较敏感，温度低于55℃时透射率有微小变化，温度高于75℃后透射率变化不大。
如图4所示，Line1曲线为30℃时本专利所设计膜系透过率曲线，与图2虚线一致。Line2曲线表示设计膜系中去除缺陷层VO2后所得的窄带通滤光片透过率曲线，其中心波长为3.165μm。Line3曲线为将Line2曲线膜系中ZnS与Ge的厚度分别设定为397.73nm与200nm后所得的窄带通滤光片透过率曲线，此时ZnS与Ge的厚度恰好为1/4个光学厚度。由图可得，当含有缺陷层VO2时，其与不含有缺陷层VO2相比中心波长向右移动。为了达到中心波长为3.5μm的设计要求，Line3曲线所构成的ZnS与Ge厚度与Line1曲线相比都有所增加。因设计膜系循环次数较多，对于每层设计膜层厚度的降低对于此滤光片实际操作有积极意义。
本发明通过将热致相变材料VO2引入此膜系，作为其间隔层内的缺陷层，通过合理设计达到针对窄带通随温度变化其光学性能发生改变这一特性，用于光学分析仪器、光学探测仪器、单波长温度传感器等各种光学仪器设计领域中。以3.5微米为中心波长的滤光片为例，本发明的具体制备如下：
采用常规的磁控溅射镀膜机或热蒸发真空镀膜机进行如本发明的表中所列的膜层进行镀膜，在Al2O3基底上，按表中序号次序，从序号最大的第21层开始镀膜，依次镀到第1层。采用硫化锌和锗2种介质的组合来形成本发明提出的对称膜系。当膜层镀膜至12层Ge后，采用溅射氧化耦合法的方式制作VO2薄膜。制作好的膜层可通过四探针检测法测量所形成的VO2薄膜的电学性质，从而可以对其质量进行监控。将合格的VO2薄膜制作完成后，继续按表中序号次序，从第10层开始镀膜，依次镀到第1层。

Claims (3)

1.一种温度敏感窄带通滤光片，其特征在于：包括由上至下依次层叠的顶层有序薄膜系（1）、缺陷层薄膜（2）和底层有序薄膜系（3），其中，缺陷层薄膜（2）为二氧化钒薄膜，顶层有序薄膜系（1）与底层有序薄膜系（3）的层叠结构以缺陷层薄膜（2）为对称轴上下对称分布；
所述顶层有序薄膜系（1）由顶层硫化锌薄膜（4）与顶层锗薄膜（5）相互交替层叠而成；
所述底层有序薄膜系（3）由底层锗薄膜（6）与底层硫化锌薄膜（7）相互交替层叠而成。
2.如权利要求1所述的一种温度敏感窄带通滤光片，其特征在于：所述顶层薄膜系（1）、缺陷层薄膜（2）和底层薄膜系（3）的总层数至少为13层。
3.如权利要求1所述的一种温度敏感窄带通滤光片，其特征在于：所述顶层薄膜系（1）及所述底层薄膜系（3）的中心波长大于1μm。
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