CN104101932B - 一种消除半波孔的短波通滤光片 - Google Patents

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Abstract

本发明属于薄膜光学领域，具体涉及一种消除半波孔的短波通滤光片，主要针对短波通滤光片中影响半波孔的一个关键因素——材料非均质性。膜系设计包含两部分：薄膜周期结构和与基板和空气的导纳匹配层。薄膜由H和L组成，H,L分别表示光学厚度为1/4参考波长的高、低折射率膜层。膜系基本周期结构为（0.5LH0.5LHL），周期为N，参考波长为高反射带中心波长。采用常规薄膜设计软件，在基板与薄膜周期结构之间，空气与薄膜周期结构之间分别添加匹配层，得到消除半波孔的膜系设计。该发明将薄膜基本周期结构的导纳误差降到近似为零，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

一种消除半波孔的短波通滤光片
技术领域
本发明属于光学薄膜领域，具体涉及一种消除半波孔的短波通滤光片。
背景技术
在光学薄膜中,短波通截止滤光片是经常用到的一种膜系,它要求在长波截止,短波透过；它的基本周期结构为（0.5LH0.5L），其中H、L分别表示光学厚度为1/4参考波长的高、低折射率膜层。在短波通滤光片的实际制备中往往会在通带区域,即反射带中心波长的一半处出现一个反射峰，我们称之为半波孔，也有称它为滤光片的半波跌落。它的出现极大地影响了短波通滤光片的光，谱性能,甚至可能根本无法使用。
对于产生半波孔的原因,国内外许多专家学者进行了广泛研究。普遍认为薄膜折射率的非均质性是造成短波通半波孔的一个重要原因。对于常规的薄膜设计软件，其设计参数主要包含折射率和膜层厚度等，但不包含折射率非均质性，因此，在设计薄膜时，无法解决由折射率非均质性引起的半波孔问题，也因此无法制备出消除半波孔的短波通滤光片。
发明内容
本发明利用常规薄膜设计软件，提供了一种可消除半波孔的简单设计方法，由此可制备出消除半波孔的短波通滤光片。
本发明提出的消除半波孔的短波通滤光片，所述滤光片包括基板、薄膜周期结构和导纳匹配层，所述薄膜周期结构为0.5LH0.5LHL，周期为N，参考波长为高反射带中心波长，其中：H,L分别表示光学厚度为1/4参考波长的高、低折射率膜层；采用常规薄膜设计软件，在基板与薄膜周期结构之间，空气与薄膜周期结构之间分别添加匹配层；基本周期的总厚度为参考波长的一个波长光学厚度。
对于H0.5LH，设高折射率材料H、低折射率材料L和基板在半波处的折射率分别为nH,nL和nS，则新结构导纳为：
结果中不含与H相关的因子，同时由于我们常用的低折射率材料为SiO2,其非均质性很小，可忽略，这意味着，无论H是否有非均质性，导纳的轨迹都是一个封闭的圆。
对于常规基本周期结构（0.5LH0.5L），理想情况下基本周期在半波长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为零。当薄膜，通常是高折射率薄膜，具有非均质性时，导纳轨迹不再是一个封闭的曲线，终点与起点之间的距离不再为零，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。
本发明通过将常规基本周期（0.5LH0.5L）结构改为（0.5LH0.5LHL），可消除由高折射率薄膜非均质性引起的导纳偏差。这是本发明的核心。
因此，结构（0.5LH0.5LHL）在半波位置的导纳轨迹也将是一个封闭的圆，见图3所示，基本周期的总厚度为参考波长的一个波长光学厚度，由此，在参考波长处将满足高反射膜的条件。综上所述，非均质性引起的导纳偏差都会被新的基本周期结构抑制，最终保持半波附近的透射率对非均质性不敏感，从而可以制备出不受非均质性影响的消除了半波孔的短波通滤光片。
本发明具有以下的技术效果：
1.可有效消除非均质性对半波孔的影响。相比与常规膜系，无论高折射率薄膜是否有非均质性，半波孔都将不会出现，表明非均质性与光谱不相关；
2.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；
3.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本发明单个基本周期的膜系结构示意图。
图2本发明短波通滤光片结构示意图。
图3本发明单个周期的膜系结构导纳示意图。
图4垂直入射时，(a)HfO2/SiO2常规膜系(0.5LH0.5L)^15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)HfO2/SiO2本发明膜系(0.5LH0.5LHL)^15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5垂直入射时，(a)ZrO2/SiO2常规膜系(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)ZrO2/SiO2本发明膜系(0.5LH0.5LHL)^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。
图中标号：1为空气，2为导纳匹配层，3为薄膜周期结构，4为基板。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图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短波通滤光片，要求基频高反射，倍频高透射。
膜系设计可以通过如下方法求得：
用L代表SiO2，折射率设为1.46，H为HfO2，其平均折射率为1.95,线性非均质性为-4%。此处不考虑薄膜和基底的吸收。常规膜系周期结构为：（0.5LH0.5L），周期15，利用常规薄膜设计软件添加周期结构与基板和空气的导纳匹配层，如图4(a）中光谱。本发明膜系周期结构为：（0.5LH0.5LHL），周期15，利用常规薄膜设计软件添加周期结构与基板和空气的导纳匹配层，可得到消除半波孔的设计，如图4(b)中光谱。
通过对比光谱发现，更改基本周期后的光谱，半波孔消失了，且有非均质性的设计光谱与无非均质性的设计光谱基本重合，说明非均质性对新的周期结构膜系没有影响。综上，相对常规膜系，本发明膜系是一种对非均质性不敏感的膜系设计。
实施例2：
制备强激光系统中常用的ZrO2/SiO2短波通滤光片，要求基频高反射，倍频高透射。
膜系设计可以通过如下方法求得：
用L代表SiO2，折射率设为1.46，H为ZrO2，其平均折射率为1.9,线性非均质性为-4%。此处不考虑薄膜和基底的吸收。常规膜系周期结构为：（0.5LH0.5L），周期17，利用常规薄膜设计软件添加周期结构与基板和空气的导纳匹配层，如图5(a）中光谱。本发明膜系周期结构为：（0.5LH0.5LHL），周期17，利用常规薄膜设计软件添加周期结构与基板和空气的导纳匹配层，可得到消除半波孔的设计，如图5(b)中光谱。
通过对比光谱发现，更改基本周期后的光谱，半波孔消失了，且有非均质性的设计光谱与无非均质性的设计光谱基本重合，说明非均质性对新的周期结构膜系没有影响。综上，相对常规膜系，本发明膜系是一种对非均质性不敏感的膜系设计。

Claims (1)

1.一种消除半波孔的短波通滤光片，其特征在于所述滤光片包括基板、薄膜周期结构和导纳匹配层，薄膜基本周期结构为0.5LH0.5LHL，周期为N，参考波长为高反射带中心波长，其中：H,L分别表示光学厚度为1/4参考波长的高、低折射率膜层；采用常规薄膜设计软件，在基板与薄膜周期结构之间，空气与薄膜周期结构之间分别添加导纳匹配层；基本周期结构的总厚度为参考波长的一个波长光学厚度。
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