CN104237979A - 一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种激光波长用减反射薄膜的设计方法。包括以下步骤：1)利用椭圆偏振仪测量H层和L层的折射率；2)在理想设定情况下计算H层和L层的物理厚度；3)设定H层的物理厚度空间为[(1-︱δH︱)dH，(1+︱δH︱)dH]，L层的物理厚度空间分别为[(1-︱δL︱)dL，(1+︱δL︱)dL]；4)将H层和L层进行均匀化分层；5)将H层和L层折射率按照设定的层数离散化；6)在H层和L层物理厚度空间矩阵化，根据沉积设备的控制精度确定步长；逐点计算物理厚度空间内的剩余反射率；7)在物理厚度矩阵空间内搜索确定剩余反射率最低点，其对应的H层和L层的物理厚度值即为设计的结果。

Description

一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法
技术领域
本发明属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种激光减反射薄膜的设计方法。
背景技术
在激光系统中使用的单波长减反膜，一般采用两层高、低折射率材料光学厚度匹配的结构。如果将减反膜的剩余反射率控制在0.01%以下，即当透过率达到99.99%以上时，一般采用离子束溅射沉积技术。该技术制备的光学薄膜具有吸收小、膜层体散射小、致密度高、改善基板表面粗糙度等优点，被广泛用于激光薄膜的制备。
但是，基于离子束溅射沉积方法制备的薄膜，其折射率的非均匀性较为明显，在非平衡物理过程下生长的光学薄膜，一般在厚度生长方向上具有一定的折射率非均匀性，这个非均匀性的大小与沉积方法、沉积工艺参数、基底的表面特性密切相关。尽管在工艺过程可以将折射率非均匀性最小化，但是不能完全消除，薄膜折射率的非均匀性直接影响到成膜后的光谱性能。不考虑折射率非均匀性时仅能将剩余反射率控制在0.01%以下，所以在设计时必须考虑膜层折射率的非均匀性对光谱的影响，以实现设计与工艺的完整匹配性。
因此，亟需研制一种膜层具有折射率非均匀性的情况下减反膜的设计方法，通过在设计阶段充分考虑膜层的特征,实现超低剩余反射率的减反膜制备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对激光减反膜进行数值设计，通过考虑膜层材料的折射率非均匀性设计，达到设计与工艺匹配的目的，该方法可以适用于任何折射率非均匀性下的激光减反膜的膜系设计。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法，激光减反膜主要包括基底、高折射率膜层即H层、低折射率膜层即L层，包括以下步骤：
1)利用椭圆偏振仪测量H层和L层在激光波长点的折射率；
测量H层和L层在激光波长点的折射率非均匀性δH和δL；
测量H层和L层在近基底端和远基底端的折射率；
2)假定膜层材料折射率均匀，在此理想设定情况下计算H层和L层的物理厚度，分别记为dH和dL；
3)设定H层的物理厚度空间为[(1-︱δH︱)dH，(1+︱δH︱)dH]，
L层的物理厚度空间分别为[(1-︱δL︱)dL，(1+︱δL︱)dL]；
4)将H层和L层进行均匀化分层：
将H层分为N层，N是与dH/2nm相邻的整数，N≥dH/2nm；
将L层分为M层，M是与dH/2nm相邻的整数，M≥dL/2nm；
5)将H层和L层折射率按照设定的层数离散化：
根据步骤1）中测量的H层和L层在近基底端和远基底端的折射率和步骤4）中确定的层数，均匀化离散每层的折射率；
6)在H层和L层物理厚度空间矩阵化，根据沉积设备的控制精度确定步长；逐点计算物理厚度空间内的剩余反射率；
7)在物理厚度矩阵空间内搜索确定剩余反射率最低点，其对应的H层和L层的物理厚度值即为设计的结果。
进一步的，如上所述的一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法，步骤6)中，在H层和L层物理厚度空间矩阵化的步长为0.1nm。
进一步的，如上所述的一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法，H层和L层的薄膜材料分别为Ta2O5和SiO2，激光减反膜的设计波长为632.8nm，入射角度为0°。
本发明技术方案提供了一种膜层具有折射率非均匀性的情况下减反膜的设计方法，通过在设计阶段充分考虑膜层的特征,实现了设计与工艺的完整匹配性和超低剩余反射率的减反膜设计，从而广泛应用于目前的所有高精度激光减反膜的制备中。
附图说明
图1是本发明方法中激光减反膜的理想物理模型；
图2是本发明方法中膜层具有折射率非均匀性时的激光减反膜物理模型；
图3是本发明方法中物理厚度空间剩余反射率计算流程图；
图4是本发明方法中物理空间剩余反射率计算结果。
图中：1-低折射率膜层/L层，2-高折射率膜层/H层，3-基底，4-入射介质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
在本具体实施例中，一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法，激光减反膜主要包括基底、高折射率膜层即H层、低折射率膜层即L层，选择H层和L层的薄膜材料分别为Ta2O5和SiO2，减反膜的理想物理模型如图1所示。包括以下步骤：
1）利用椭圆偏振仪测量H层和L层在激光波长点的折射率；
测量H层和L层在激光波长点的折射率非均匀性δH和δL；
测量H层和L层在近基底端和远基底端的折射率；
具体的是：设计波长选择为632.8nm，入射角度为0°；利用椭圆偏振仪测量H层和L层薄膜的折射率分别为2.10和1.47，折射率非均匀性δH=-0.08，δL=0.05。
2)假定膜层材料折射率均匀，在此理想设定情况下计算H层和L层的物理厚度，分别记为dH和dL；
具体的是：计算理想设计的H层和L层的物理厚度分别为dH=26.5nm和dL=142.2nm。
3)设定H层的物理厚度空间为[(1-︱δH︱)dH，(1+︱δH︱)dH]，
L层的物理厚度空间分别为[(1-︱δL︱)dL，(1+︱δL︱)dL]；
计算结果是H层和L层的物理厚度空间分别为[24.3828.62]和[135.09149.31]。
4)将H层和L层进行均匀化分层：
将H层分为N层，N是与dH/2nm相邻的整数，N≥dH/2nm；
将L层分为M层，M是与dH/2nm相邻的整数，M≥dL/2nm；
具体如图2所示，将H层和L层均匀化分层并离散化折射率，层数设定分别为14层和和72。
5)将H层和L层折射率按照设定的层数离散化：
根据步骤1）中测量的H层和L层在近基底端和远基底端的折射率和步骤4）中确定的层数，均匀化离散每层的折射率；
具体的是：将折射率非均匀性考虑在内，将H层和L层折射率分层化，确定H层折射率从2.225到2.057，L层折射率从1.458到1.532。
6)在H层和L层物理厚度空间矩阵化，步长选择为0.1nm；利用MTALAB编写计算程序，计算流程如图3所示，逐点计算物理厚度空间内的三维剩余反射率，计算结果如图4所示。
7)在物理厚度矩阵空间内搜索到剩余反射率最低点，其对应的H层和L层的物理厚度值物理厚度分别为28.1nm和136.7nm，与不考虑折射率非均匀性情况下的设计相比，高折射率膜层要厚1.6nm，低折射率膜层厚度要薄5.5nm。

Claims (3)

1.一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法，激光减反膜主要包括基底、高折射率膜层即H层、低折射率膜层即L层，其特征在于:包括以下步骤：
1)利用椭圆偏振仪测量H层和L层在激光波长点的折射率；
测量H层和L层在激光波长点的折射率非均匀性δH和δL；
测量H层和L层在近基底端和远基底端的折射率；
2)假定膜层材料折射率均匀，在此理想设定情况下计算H层和L层的物理厚度，分别记为dH和dL；
3)设定H层的物理厚度空间为[(1-︱δH︱)dH，(1+︱δH︱)dH]，
L层的物理厚度空间分别为[(1-︱δL︱)dL，(1+︱δL︱)dL]；
4)将H层和L层进行均匀化分层：
将H层分为N层，N是与dH/2nm相邻的整数，N≥dH/2nm；
将L层分为M层，M是与dH/2nm相邻的整数，M≥dL/2nm；
5)将H层和L层折射率按照设定的层数离散化：
根据步骤1）中测量的H层和L层在近基底端和远基底端的折射率和步骤4）中确定的层数，均匀化离散每层的折射率；
6)在H层和L层物理厚度空间矩阵化，根据沉积设备的控制精度确定步长；逐点计算物理厚度空间内的剩余反射率；
7)在物理厚度矩阵空间内搜索确定剩余反射率最低点，其对应的H层和L层的物理厚度值即为设计的结果。
2.如权利要求1所述的一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法，其特征在于：步骤6)中，在H层和L层物理厚度空间矩阵化的步长为0.1nm。
3.如权利要求1所述的一种膜层具有折射率非均匀性的激光减反膜设计方法，其特征在于：H层和L层的薄膜材料分别为Ta2O5和SiO2，激光减反膜的设计波长为632.8nm，入射角度为0°。
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