CN104597550B - 一种线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法，通过在离子束出射窗口和待加工样片之间垂直于离子束出射方向放置开三角形窗口的挡板，沿离子束出射方向三角形顶部与样片一端重合，离子束刻蚀时，样片以某一恒定速率来回运动，经过一定的刻蚀遍数后，可获得垂直于样品运动方向上的厚度差异，获得设计的楔形间隔层。离子束刻蚀之前需先标定中间层介质材料的刻蚀速率，通过调节离子束刻蚀的参数在一定范围内调节获得合适的材料刻蚀速率。相对于现有楔形谐振腔层腔制备方法具有制作过程简易、工艺操作简单、成品率高、膜厚控制较为精确、可批量生产等优点，有利于降低以线性渐变滤光片为核心分光组件的微型光谱仪的生产成本。

Description

一种线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光学滤光片制备方法，特别涉及一种线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法。

背景技术

传统的分光组件主要有棱镜和光栅两种。棱镜的分光原理是利用不同波长光的折射率不同，当它们通过棱镜时，传播方向会发生不同程度偏折，因而光通过棱镜后便被分离开来，达到分光目的。不过，棱镜也有其固有缺点，棱镜的工作波长范围受到所用的光学材料限制、的光束带宽较宽、分辨率较低。光栅分光则是根据光栅公式d sin θ＝kλ,其中d为光栅的缝间间距，θ为衍射角，k为衍射级次，当不同波长的光经过光栅后，由于衍射角θ不同就会被分离开来。光栅的缝间间距d越小，不同波长之间的光就分的越开。由于光栅的高色散能力以及工作波段较宽等优点，已逐渐取代棱镜成为常用光谱仪的核心分光组件。

然而，不管是棱镜光谱仪还是光栅光谱仪，均存在体积和质量较大、机械结构复杂等问题，使其难以应用到航天航空领域。因此，上世纪80年代研究人员提出了一种基于法布里-珀罗谐振腔原理的线性渐变滤光片。对于法布里-珀罗干涉滤光片，其透射峰波长由公式λ＝给出，可以看出，一定的谐振腔间隔层厚度对应着一定的透射峰波长，若间隔层厚度沿某一方向线性变化，则相应级次对应的透射峰波长也成线性变化，这便是线性渐变滤光片的基本原理，可以实现沿间隔层厚度变化方向不同位置具有不同的透射峰波长。

与近年发展的一些多通道带通滤光片相比，线性渐变滤光片具有不需拼接、制作工艺相对简单的优点。目前，线性渐变滤光片已经作为分光组件应用到微型光谱仪里，但并未得到广泛的推广和应用，主要原因在于难以批量获得理想的中间楔形谐振腔层。现有的制备中间楔形谐振腔层方法有利用自行设计制作的膜厚修正挡板机构进行真空蒸发镀膜，光刻胶流动获得楔形层后离子束刻蚀等方法。这些方法存在膜厚难以精确控制、制备过程繁琐、制备效率低，成品率低等缺点，难以批量制备出符合设计要求的楔形谐振腔层。

发明内容

本发明是针对线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层批量生产成品率低的问题，提出了一种线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法，能够制备厚度呈线性变化的中间谐振腔层，配合膜系设计和镀膜技术，制作出具有一定工作波段范围的线性渐变滤光片。

本发明的技术方案为：一种线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法，所述线性渐变滤光片由上下两层反射膜系以及中间楔形谐振腔构成，制备方法具体包括如下步骤：

1)在基片上通过热蒸发或者磁控溅射镀膜方式获得下层反射膜系以及平整谐振腔层；

2)对谐振腔层材料的刻蚀速率进行标定，获得谐振腔层材料在离子刻蚀条件下的蚀刻速率ν；

3)将步骤2)获得的样品，和无法穿透离子束的挡板平行放置，平整的谐振腔层面向挡板，挡板中间开出三角形窗口，三角形底边与样品底部在一平面，三角形的顶点与样品的顶部同高，在挡板的另一边离子束垂直入射挡板，离子束出射穿过三角形，到样品面上进行刻蚀，样品在样品台的带动下，在保持与挡板等距离并与离子束垂直面来回匀速运动，完整整个刻蚀，形成楔形谐振腔层；

4)步骤3)刻蚀后的样品在楔形谐振腔层的楔形面镀制上层膜系，即完成线性渐变滤光片的制作。

所述挡板为陶瓷板。

所述三角形为等腰三角形，底边长度为L，高为H，沿样品台运动方向不同高度对应的三角形开口宽度为D，对应开口宽度的高为h，则D关于h的函数为：

D(h)＝L(1-h/H)

不同高度对应的蚀刻深度:

W(h)＝DνN/V＝νLN(1-h/H)/V

其中V为样品台的运动速率,N为来回刻蚀的遍数。

本发明的有益效果在于：本发明线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法，相对于现有楔形谐振腔层腔制备方法具有制作过程简易、工艺操作简单、成品率高、膜厚控制较为精确、可批量生产等优点，有利于降低以线性渐变滤光片为核心分光组件的微型光谱仪的生产成本，促进其产业化发展。

附图说明

图1为线性渐变滤光片的结构示意图；

图2为本发明楔形谐振腔层加工示意图；

图3为本发明楔形谐振腔层加工各个参数关系示意图；

图4为本发明楔形谐振腔层加工前后对比图。

具体实施方式

法布里-珀罗线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法。通过在离子束出射窗口和待加工样片之间垂直于离子束出射方向放置开三角形窗口的挡板，沿离子束出射方向三角形顶部与样片一端重合，离子束刻蚀时，样片以某一恒定速率来回运动，经过一定的刻蚀遍数后，可获得垂直于样品运动方向上的厚度差异，获得设计的楔形间隔层。离子束刻蚀之前需先标定中间层介质材料的刻蚀速率，通过调节离子束刻蚀的参数在一定范围内调节获得合适的材料刻蚀速率。

如图1为典型的线性渐变滤光片的结构示意图，滤光片由上下两层反射膜系以及中间楔形谐振腔构成。通过热蒸发或者磁控溅射镀膜方式获得下层反射膜系以及平整的谐振腔层。在离子束蚀刻之前，首先对谐振腔层材料的刻蚀速率进行标定，获得该种材料在常规氩离子刻蚀条件下的蚀刻速率ν。

图2给出楔形谐振腔层加工示意图，其中挡板是预先设计和加工的陶瓷板，中间开出三角形窗口，图中为等腰三角形，样品为获取的下层反射膜系以及平整的谐振腔层，样品和挡板平行放置，平整的谐振腔层面向挡板，三角形底边与样品底部在一平面，三角形的顶点与样品的顶部同高，即样品的高度等于三角形的高度，在挡板的另一边离子束垂直入射挡板，离子束出射穿过三角形，到样品面上进行刻蚀，样品在样品台的带动下，在保持与挡板等距离并与离子束垂直面来回运动，完成整个刻蚀工艺。

如图3所示楔形谐振腔层加工各个参数关系示意图，三角形底边长度为L，三角形的高为H，沿样品台运动方向不同高度对应的开口宽度为D，对应的高为h，则D是关于h的函数为：

D(h)＝L(1-h/H)

不同高度对应的蚀刻深度可由以下公式给出:

W(h)＝DνN/V＝νLN(1-h/H)/V

式中ν为介质材料在特定蚀刻条件下的蚀刻速率，V为样品台的运动速率,N为来回刻蚀的遍数。根据设计的蚀刻深度要求以及标定的材料刻蚀速率，计算出需要来回刻蚀的遍数。在离子束刻蚀机中设定好相关参数，刻蚀后即可获得预期的楔形谐振腔层。如图4所示刻蚀前后的示意图，加工后的样片只需再镀制上层膜系，即可完成线性渐变滤光片的制作。

Claims (1)

1.一种线性渐变滤光片中间楔形谐振腔层的制备方法，所述线性渐变滤光片由上下两层反射膜系以及中间楔形谐振腔构成，其特征在于，制备方法具体包括如下步骤：

1）在基片上通过热蒸发或者磁控溅射镀膜方式获得下层反射膜系以及平整谐振腔层；

2）对谐振腔层材料的刻蚀速率进行标定，获得谐振腔层材料在离子刻蚀条件下的蚀刻速率ν；

3）将步骤2）获得的样品，和无法穿透离子束的挡板平行放置，平整的谐振腔层面向挡板，挡板中间开出三角形窗口，三角形底边与样品底部在一平面，三角形的顶点与样品的顶部同高，在挡板的另一边离子束垂直入射挡板，离子束出射穿过三角形，到样品面上进行刻蚀，样品在样品台的带动下，在保持与挡板等距离并与离子束垂直面来回匀速运动，完成整个刻蚀，形成楔形谐振腔层；

4）步骤3）刻蚀后的样品在楔形谐振腔层的楔形面镀制上层膜系，即完成线性渐变滤光片的制作；

所述挡板为陶瓷板，所述三角形为等腰三角形，底边长度为L，高为H，沿样品台运动方向不同高度对应的三角形开口宽度为D，对应开口宽度的高为h，则D关于h的函数为：

D（h）=L（1-h/H）

不同高度对应的蚀刻深度:

W（h）=D ν N/V=ν LN（1-h/H）/V

其中V为样品台的运动速率,N为来回刻蚀的遍数。