CN103235355B - 一种抑制半波孔的倍频分束薄膜 - Google Patents
一种抑制半波孔的倍频分束薄膜 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103235355B CN103235355B CN201310108420.7A CN201310108420A CN103235355B CN 103235355 B CN103235355 B CN 103235355B CN 201310108420 A CN201310108420 A CN 201310108420A CN 103235355 B CN103235355 B CN 103235355B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- wave
- thickness
- refractive index
- double
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Optical Filters (AREA)
Abstract
本发明属于薄膜光学领域，具体涉及一种抑制半波孔的倍频分束薄膜，主要针对倍频分束镜中影响半波孔的两个关键因素——薄膜厚度误差和材料非均质性，通过在高低折射率材料之间增加导纳匹配层，抑制薄膜厚度误差和材料非均质性对半波孔的影响；导纳匹配层可以用矢量法很容易的得到。常规薄膜设计软件无法设计和分析非均质性薄膜，加上厚度误差无法避免，因此当前设计倍频分束薄膜的主流方法是回避半波孔。该发明将非均质性薄膜的厚度优化计算转换成均匀薄膜的厚度优化计算，利用常规薄膜设计软件即可完成设计；该发明直接针对半波孔进行设计和优化，不再回避半波孔，具有理想的透射带宽。该发明具有针对性强、品质高、简单易行的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜领域，具体涉及一种可抑制半波孔的倍频分束薄膜。
背景技术
倍频分束镜是光学系统中普遍使用的一种薄膜，它的基本周期结构为0.5L/H/0.5L，其中HL分别指高低折射率材料的四分之一波长光学厚度。半波孔，指倍频分束镜在二倍频处出现的一个反射峰，或称为滤色片的半波跌落，它的存在极大地影响了倍频分束镜的光谱特性。
对于倍频分束镜半波孔产生的原因，国内外许多光学薄膜专家进行了深入研究。Maclod认为镀膜材料的折射率非均质性是造成半波孔的一个重要原因(参见：H.A.Maclod.″Half wave holes，leaks and the other problems″.in Proceedings of the 39th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters，J.N.Lingscheit and A.A.Bromfield，eds.(Society of Vacuum Coaters，Washington，D.C.)，1996，p.193～198)；顾培夫认为镀膜过程中膜厚控制误差积累也是造成半波孔的一个重要原因(顾培夫.薄膜技术.浙江大学出版社，1993，p.162)。
在实际制备中，影响半波孔最重要的两个因素就是膜层的厚度误差和薄膜材料的非均质性。在实际镀膜中，无法完全消除各种因素造成的厚度误差；常用薄膜设计软件往往针对的是折射率沿厚度方向均匀分布的薄膜，因而在设计膜层具有非均质性且光谱受非均质性影响敏感的倍频分束镜时，便显得不够有效。半波孔成为薄膜制备中无法避免的一个问题。当前的薄膜工作者通常采用回避半波孔的方法来设计膜系，这样带来的结果就是牺牲了半波处高透射区的宽度。
发明内容
本发明从薄膜厚度误差和非均质性影响半波孔的根本原因入手，提供了一种抑制半波孔的倍频分束镜薄膜，不再回避半波孔。
本发明提出的抑制半波孔的倍频分束镜薄膜，薄膜的基本周期结构为：aL/AR1/bH/AR2/cL，其中：AR1为L/H薄膜界面（即L层在H层开始生长的界面）的导纳匹配层，AR2 为H/L薄膜界面（即H层在L层开始生长的界面）的导纳匹配层；H、L分别代表高低折射率材料在基频波长的四分之一光学厚度，a、b、c为四分之一波长光学厚度的倍数;基本周期的总厚度为基频的半波光学厚度；L/H薄膜界面的导纳匹配层和H/L薄膜界面的导纳匹配层制得方法相同，AR1的制备方法为：将与AR1相邻的L膜层界面的折射率标为nL，H膜层界面的折射率标为nH。以折射率为nL的介质为入射介质，折射率为nH的介质为出射介质，利用矢量法（具体方法参照《现代光学薄膜技术》，作者：唐晋发，顾培夫，刘旭，李海峰，浙江大学出版社），可以得到AR1，使得光从入射介质穿过AR1和出射介质后，能量不损失,即透射率为100%。
本发明中，薄膜的基本周期结构的总厚度为基频波长的半波长光学厚度。
本发明中，对基本周期结构进行优化计算时，只优化基本周期结构两侧临近空气和基板的膜层物理厚度；进行优化计算时认为膜层的折射率不具有非均质性。
本发明在薄膜基本周期的高低材料的界面之间增加导纳匹配层，可抑制由厚度误差和非均质性引起的导纳偏差。对于常规基本周期结构0.5LH0.5L，理想情况下基本周期在二倍频的导纳曲线是一系列封闭的整圆，相当于虚设层，此时导纳起点和终点的距离，设为D，为零。当薄膜厚度出现误差，或高折射率材料具有非均质性时，导纳曲线不再是一个封闭的曲线，终点与起点之间的距离，设为D’，不再为零。从而破坏了基本周期与空气和基板原有的匹配，产生半波孔。分别在两个界面之间加入AR1膜和AR2膜后，单个周期的导纳起点和终点的距离E，因厚度误差和非均质性影响而变为E’，但D和D’的偏差| D-D’|远大于| E-E’|。即加入导纳匹配层的薄膜，对基本周期与空气和基板原有的匹配破坏远小于常规结构，产生的半波孔也远小于常规结构。随着基本周期的增加，这种趋势会愈加明显。综上所述，厚度误差和非均质性引起的导纳偏差都会被加入的导纳匹配层抑制，最终保持半波附近的透射率对厚度误差和非均质性不敏感。
本发明具有以下的技术效果：
1. 可有效降低厚度对半波孔的影响。相比与常规膜系，大角度入射时半波孔处透射率掉落较少，表明对厚度误差敏感性更小；
2. 可有效降低非均质性对半波孔的影响。相比与常规膜系，垂直入射时半波孔处透射率与考虑非均质性时相比差异较小，表明对非均质性敏感性更小；
3. 本发明方法简单易行。利用计算机，借助于常规薄膜设计软件即可完成；
4. 本发明方法针对性强、品质高。此方法直接针对影响半波孔最关键的两个因素而对薄膜设计进行改善处理，针对性强，可大幅度提升产品的良品率。
附图说明
图1 本发明单个周期的膜系结构示意图。
图2 垂直入射时，非均质性对常规薄膜和本发明薄膜的影响。其中：（a）为常规结构（0.5LH0.5L）^17优化后，考虑非均质性inh-4%和不考虑非均质性inh-0时的透射率光谱。（b）为本发明薄膜(0.3214L0.1786H0.1581L0.67H0.1719L0.1515H0.3485L)^17优化后，考虑非均质性inh-4%和不考虑非均质性inh-0时的透射率光谱。
图3大角度入射时，非均质性对常规薄膜和本发明薄膜的影响。其中：（a）为45度入射，不考虑非均质性时，常规结构（0.5LH0.5L）^17优化后的透射率光谱，(b)本发明薄膜(0.3214L0.1786H0.1581L0.67H0.1719L0.1515H0.3485L)^17优化后的透射率光谱。
具体实施方式
通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
制备强激光系统中常用的HfO2/SiO2倍频分束镜，要求基频高反射，倍频高透射。
薄膜结构可以通过如下方法求得：
用L代表SiO2，折射率设为1.45，H为HfO2，其平均折射率为1.9,线性非均质性为-4%，由此得到H两个表面的折射率分别为1.938和1.862。此处不考虑薄膜和基底的吸收。
分别对L/H界面和H/L界面求解导纳匹配层。以L/H界面为例，求解导纳匹配层可以理解为：入射介质为L，出射介质为折射率为1.938（H膜层的初始折射率）的透明介质，以H和L为材料，求一增透膜的解，使基底的透射率在半波处为100%，利用矢量法，很容易求得一组解为：0.1786H0.1581L。同样可求得H/L界面的导纳匹配层为：0.1719L0.1515H。
常规膜系的基本结构为0.5L/1H/0.5L，增加导纳匹配层后则基本周期变为：
（0.5-0.1786）L/0.1786H0.1581L/（1-0.1581-0.1719）H/0.1719L0.1515H/(0.5-0.1515)L。
即：0.3214L/0.1786H0.1581L/0.67H/0.1719L0.1515H/0.3485L。
对靠近空气和基底的若干层薄膜厚度进行优化后，即可得到理想的倍频分束薄膜。
HfO2薄膜的非均质性为-4%，将得到的光谱曲线与常规膜系相比。发现本发明设计的薄膜，考虑非均质性后，半波孔的变化远小于常规膜系，说明本发明的薄膜对非均质性的敏感度远小于常规膜系，见图1； 45度入射时新膜系光谱的半波孔也小于常规膜系，说明本发明的薄膜对膜厚系统误差的敏感性也更小，见图2。综上，相对常规膜系，本发明的倍频分束薄膜是一种对非均质性和膜厚误差不敏感的薄膜。
实施例2：
制备常用的HfO2/SiO2倍频分束镜，要求基频高反射，倍频高透射。
薄膜结构可以通过如下方法求得：
用L代表SiO2，折射率设为1.45，H为HfO2，薄膜均匀，没有非均质性，折射率为1.938。此处不考虑薄膜和基底的吸收。
分别对L/H界面和H/L界面求解导纳匹配层。以L/H界面为例，求解导纳匹配层可以理解为：入射介质为L，出射介质为H，以H和L为材料，求一增透膜的解，使基底的透射率在半波处为100%。利用矢量法，很容易求得一组解为：0.1786H0.1581L。同样可求得H/L界面的导纳匹配层为：0.1581L0.1786H。
常规膜系的基本结构为0.5L/1H/0.5L，增加导纳匹配层后则基本周期变为：
（0.5-0.1786）L/0.1786H0.1581L/（1-0.1581-0.1786）H/0.1581L0.1786H/(0.5-0.1786)L。
即：0.3214L/0.1786H0.1581L/0.6633H/0.1581L0.1786H/0.3214L。
对靠近空气和基底的若干层薄膜厚度进行优化后，即可得到理想的倍频分束薄膜。
与常规膜系相比，45度入射时新膜系光谱的半波孔也小于常规膜系，说明本发明的薄膜对膜厚系统误差的敏感性也更小。综上，相对常规膜系，本发明的倍频分束薄膜是一种对膜厚误差不敏感的薄膜。
Claims (2)
1.一种抑制半波孔的倍频分束镜薄膜，其特征在于薄膜的基本周期结构为：aL/AR1/bH/AR2/cL，其中：AR1为L/H薄膜界面的导纳匹配层，AR2 为H/L薄膜界面的导纳匹配层；H、L分别代表高低折射率材料在基频波长的四分之一光学厚度，a、b、c为四分之一波长光学厚度的倍数;基本周期的总厚度为基频的半波光学厚度；L/H薄膜界面的导纳匹配层和H/L薄膜界面的导纳匹配层的求解方法相同，AR1 的求解方法如下：设与AR1相邻的L膜层界面的折射率为n L ，与AR1相邻的H膜层界面的折射率为n H ；n L 和n H 的具体值分别由薄膜材料L和H本身的折射率非均质性决定；以折射率为n L 的介质为入射介质，折射率为n H 的介质为出射介质，利用矢量法，得到AR1，使得光从入射介质穿过AR1和出射介质后，能量不损失，即透射率为 100%；所述薄膜的基本周期结构的总厚度为基频波长的半波长光学厚度。
2.根据权利要求1所述的抑制半波孔的倍频分束镜薄膜，其特征在于对基本周期结构进行优化计算时，只优化基本周期结构两侧临近空气和基板的膜层物理厚度；进行优化计算时认为膜层的折射率不具有非均质性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310108420.7A CN103235355B (zh) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | 一种抑制半波孔的倍频分束薄膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310108420.7A CN103235355B (zh) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | 一种抑制半波孔的倍频分束薄膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103235355A CN103235355A (zh) | 2013-08-07 |
| CN103235355B true CN103235355B (zh) | 2015-07-15 |
Family
ID=48883406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310108420.7A Expired - Fee Related CN103235355B (zh) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | 一种抑制半波孔的倍频分束薄膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103235355B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104101932B (zh) * | 2014-07-16 | 2016-06-22 | 同济大学 | 一种消除半波孔的短波通滤光片 |
| CN107561614B (zh) * | 2017-09-01 | 2020-04-24 | 天津津航技术物理研究所 | 一种大口径均匀性滤光片及其制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4931315A (en) * | 1986-12-17 | 1990-06-05 | Gte Products Corporation | Wide angle optical filters |
| CN102998731A (zh) * | 2012-12-04 | 2013-03-27 | 长春理工大学 | 用于空间激光通信的三波段光学滤光片 |
-
2013
- 2013-04-01 CN CN201310108420.7A patent/CN103235355B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4931315A (en) * | 1986-12-17 | 1990-06-05 | Gte Products Corporation | Wide angle optical filters |
| CN102998731A (zh) * | 2012-12-04 | 2013-03-27 | 长春理工大学 | 用于空间激光通信的三波段光学滤光片 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 倍频截止干渉滤光片;钱时恒;《激光与红外》;19791231;第69-75页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103235355A (zh) | 2013-08-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107664780B (zh) | 电介质纳米砖阵列结构及其用作高反膜和高透膜的应用 | |
| CN103235355B (zh) | 一种抑制半波孔的倍频分束薄膜 | |
| CN204166153U (zh) | 一种分光膜及分束镜 | |
| CN104035147B (zh) | 以锗为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜 | |
| CN101750676B (zh) | 一种光纤端面的镀膜方法 | |
| CN106679939A (zh) | 一种氟化钇光学薄膜红外光学常数计算方法 | |
| CN104849861B (zh) | 一种用于制备光学薄膜的方法 | |
| Fatehi et al. | Modeling the incidence angle dependence of photovoltaic modules in PVsyst | |
| CN204166157U (zh) | 一种通带波段为430-450nm的带通滤光片及陈米筛选系统 | |
| CN109471211B (zh) | 一种消偏振合束镜薄膜及其设计方法 | |
| CN203385879U (zh) | 一种ZnSe基片的红外宽光谱分光膜 | |
| CN107601919A (zh) | 一种增透射和减反射玻璃的制备方法 | |
| CN104369440A (zh) | 用于激光器的全介质反射膜及其制备方法 | |
| CN103018796B (zh) | 一种光学显示用双膜系pc镜片及其制备方法 | |
| CN104765084A (zh) | 一种激光双波段高反射介质膜及其制备方法 | |
| CN101625431A (zh) | 一种新型高功率偏振分光棱镜的制作方法 | |
| CN203965649U (zh) | 一种以锗为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜 | |
| CN104101932A (zh) | 一种消除半波孔的短波通滤光片 | |
| CN103293577B (zh) | 以ZnSe为基底的4—14.5微米红外宽光谱分光膜 | |
| CN106940476B (zh) | 镀有抗反射膜的衍射光学元件的优化设计方法 | |
| CN106054339B (zh) | 一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法 | |
| Wang et al. | Fabrication of broadband anti-reflective layers by mask-free etching TiO 2 films | |
| CN203773081U (zh) | 一种反射相位延迟镜 | |
| Zhang et al. | Design and fabrication of multilayer dielectric film for combination device spatial filter | |
| CN104777537A (zh) | 1×2高效率反射式光栅 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150715 |