CN103217730A - 一种渐变光学厚度窄带负滤光片膜系 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学滤波的渐变光学厚度负滤光片膜系。该膜系应用光学厚度呈函数渐变的主膜系及匹配膜系构建了窄带高反射、两侧宽带高透射的高性能负滤光片。本发明提出的膜系结构采用两种折射率材料，各膜层光学厚度适合常规薄膜监控方式，相比原有渐变折射率及等效层负滤光片具有更高的可制备性。由本发明构建的窄带负滤光片具有材料选择范围广、能实现频带宽、制作成本低、易于推广等优点，在光电探测器、激光防护、光谱学等领域具有广泛应用前景。

Description

一种渐变光学厚度窄带负滤光片膜系

技术领域

本发明涉及光学薄膜领域, 尤其涉及一种渐变光学厚度窄带负滤光片膜系。

背景技术

在光学薄膜领域，从某一波段光谱中去除某一波带的滤光片，称为负滤光片，通常是某一光谱范围高反射率、其他光谱范围高透射，这种滤光片在光电探测系统、光通讯、激光防护、空间探测等方面具有重要应用。目前负滤光片的膜系结构主要采用渐变折射率的方式实现，但实现渐变折射率的薄膜结构难度极大，同时这种膜系厚度很大，给薄膜的制备带来了难度。负滤光片也可以采用两种折射率的膜系结构，利用等效层或高、低折射率光学厚度失配的方法实现，专利（CN2010237823.8）公开了一种树脂基板窄带负滤光膜膜系，采用了两种折射率材料光学厚度失配的Sub（0.35HL）n1.5H0.75L结构，这种膜系结构光学性能较差，并且实现更窄反射带宽时容易出现较薄的膜层，难以精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学厚度渐变的窄带负滤光片膜系，利用膜层光学厚度的逐渐变化来得到反射带宽小、反射率高、透射带波纹小的窄带负滤光片，并且在空气和基板两侧加上匹配膜系，可以进一步压缩通带波纹。该膜系结构膜层厚度均接近1/2工作波长，可以用常规光学监控的方式精确控制，具有较高的可制备性，便于推广。

本发明提供一种渐变光学厚度的窄带负滤光片膜系，自下而上包括基板1、沉积在基板1上的第一薄膜2、位于第一薄膜2上的第二薄膜3以及位于第二薄膜3上的第三薄膜4，第一薄膜2为基板侧匹配薄膜，第三薄膜4为空气侧匹配薄膜，第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4均由高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替构成，第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4连接处为高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置，第一薄膜2的低折射率材料膜层L位于基板1上方，第三薄膜4的最后一层为低折射率材料膜层L，其中：第二薄膜3的高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L光学厚度分别呈相反趋势逐渐变化，用函数表示为：                                                

，其中A代表最大的光学厚度差，s为总膜层数，l为膜层序数，λ为反射带中心波长。

本发明中，所述基板为玻璃。

本发明中，所述高折射率材料膜层为HfO₂，Ta2O₅或TiO₂中任一种，低折射率材料膜层为MgF₂或SiO₂中任一种。

本发明中，所述第二薄膜3中高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L光学厚度分别呈相反趋势逐渐变化，可以采用线性或其他非线性的形式表示，随着膜层序数增大，H（或L）膜层光学厚度从λ/2增大到λ/2*(1+A)，随后减小到λ/2，而相应的L（或H）膜层光学厚度从λ/2减小到λ/2*(1-A)，随后增大到λ/2。

本发明中，所述第一薄膜2的高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L的光学厚度在0.45λ~0.55λ范围内。

本发明中，所述第三薄膜4的高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L的光学厚度在0.4λ~0.5λ范围内，为了抑制透射带的波纹，最后一层低折射率材料膜层L光学厚度在0.2λ~0.25λ范围内。

本发明的有益效果：本发明采用渐变光学厚度的膜系结构，同时选择合适的匹配膜系抑制通带波纹，实现了窄带高反射、两侧宽带高透射的性能，相比现有的渐变折射率负滤光膜系及等效层膜系，极大降低了对薄膜制备精度的要求，可以用常规的镀膜设备进行制备。本发明可以降低制作成本，提高负滤光膜可制备性，并且根据反射带宽、中心波长要求可调整结构或者材料参数，适用于可见和近红外光波段激光系统。

附图说明

图1是渐变光学厚度窄带负滤光片膜系的示意图。

图2是HfO₂/SiO₂渐变光学厚度负滤光片膜系结构图。

图3是HfO₂/SiO₂渐变光学厚度负滤光片的透射率曲线图。

图中标号：1是基板，2是第一薄膜，3是第二薄膜，4是第三薄膜，5是低折射率材料膜层L，6是高折射率材料膜层H。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：如图1所示，本发明的膜系结构为在基板1上沉积第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4，低折射率材料膜层L所占膜层为奇数层，高折射率材料膜层H所占的膜层为偶数层，第一薄膜2为基板侧匹配膜系，第二薄膜3为高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L光学厚度分别呈相反趋势逐渐变化的主膜系，第三薄膜4为空气侧匹配膜系。介质材料在应用波段必须全透明，在可见光及近红外区高折射率材料膜层H主要采用TiO₂，Ta₂O₅，HfO₂等透射率较高的材料，低折射率材料膜层L为MgF₂，SiO₂等。

第一薄膜2由高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替构成，各膜层光学厚度接近反射带中心波长的二分之一，能够抑制透射带的波纹，增加膜层数可增大透射率。第二薄膜3中高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L光学厚度分别呈相反趋势渐变，可以用三角函数表示，

，l=1,2,3….

其中A代表最大的光学厚度差，s为总膜层数，λ为反射带中心波长，增加s可以提高反射率，增大或减小A可以相应的改变反射带宽度。

第二薄膜3中高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L光学厚度也可以是线性渐变或其它非线性变化的形式，随着膜层序数增大，H（或L）膜层光学厚度从λ/2增大到λ/2*(1+A)，随后减小到λ/2，而相应的L（或H）膜层光学厚度从λ/2减小到λ/2*(1-A)，随后增大到λ/2。

第三薄膜4由高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替构成，各膜层光学厚度接近λ/2，为了抑制透射带的波纹，最后一层光学厚度约为λ/4。

一种渐变光学厚度的窄带负滤光片膜系结构如图2所示，入射介质为空气，基板1采用K9玻璃，高折射率材料膜层H为HfO₂，低折射率材料膜层L为SiO₂，0度角入射。匹配薄膜2为3层结构，光学厚度分别为260nm/256.4nm/253nm，薄膜3的各膜层光学厚度为：

，l=1,2,3….

中心波长λ为527nm，光学厚度最大变化A为0.45，总膜层数s为43，奇数层为高折射率材料HfO₂，偶数层为低折射率材料SiO₂。空气侧匹配薄膜4为3层，光学厚度分别为228.5nm/233.5nm/117nm。计算得到的光谱曲线在图2中给出，可以看到在507-547nm范围内，反射率大于99%；膜系透射带波纹较小，在400-500nm，550-760nm波段透射率大于95%。

Claims (6)

1.一种渐变光学厚度的窄带负滤光片膜系，其特征在于自下而上包括基板(1)、沉积在基板(1)上的第一薄膜(2)、位于第一薄膜(2)上的第二薄膜(3)以及位于第二薄膜(3)上的第三薄膜(4)，第一薄膜(2)为基板侧匹配薄膜，第三薄膜(4)为空气侧匹配薄膜，第一薄膜(2)、第二薄膜(3)和第三薄膜(4)均由高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替构成，第一薄膜(2)、第二薄膜(3)和第三薄膜(4)连接处为高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置，第一薄膜(2)的低折射率材料膜层L位于基板(1)上方，第三薄膜(4)的最后一层为低折射率材料膜层L，其中：第二薄膜(3)的高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L光学厚度分别呈相反趋势逐渐变化，用函数表示为：                                                

，其中A代表最大的光学厚度差，s为总膜层数，l为膜层序数，λ为反射带中心波长。

2.根据权利要求1所述的渐变光学厚度的窄带负滤光片膜系，其特征在于所述基板为玻璃。

3.根据权利要求1所述的渐变光学厚度的窄带负滤光片膜系，其特征在于所述高折射率材料膜层为HfO₂，Ta₂O₅或TiO₂中任一种，所述低折射率材料膜层为MgF₂或SiO₂。

4.根据权利要求1所述的渐变光学厚度的窄带负滤光片膜系，其特征在于所述第二薄膜（3）中高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L光学厚度分别呈相反趋势逐渐变化，采用线性或其他非线性的形式表示，随着膜层序数增大，高折射率材料膜层H或低折射率材料膜层L光学厚度从λ/2增大到λ/2*(1+A)，随后减小到λ/2，而相应的低折射率材料膜层L或高折射率材料膜层H 光学厚度从λ/2减小到λ/2*(1-A)，随后增大到λ/2。

5.根据权利要求1所述的渐变光学厚度的窄带负滤光片膜系，其特征在于所述第一薄膜（2）的高折射率材料膜层H或低折射率材料膜层L光学厚度在0.45λ~0.55λ范围内。

6.根据权利要求1所述的渐变光学厚度的窄带负滤光片膜系，其特征在于所述第三薄膜（4）的高折射率材料膜层H或低折射率材料膜层L光学厚度在0.4λ~0.5λ范围内，为抑制透射带的波纹，最后一层低折射率材料膜层L光学厚度在0.2λ~0.25λ范围内。

Images