CN105629355A - 一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，首先基于介质-金属-介质结构的膜堆组合，通过光学导纳技术来确定初步的光学薄膜设计；通过光学薄膜设计软件进行膜系微调和优化，使膜系结构方便监控制作；对基片进行清洗和镀前处理，采用蒸发或溅射方法进行薄膜沉积；采用反射式光学监控系统进行半直接监控，每个膜堆采用一个监控片；完成所有膜堆的沉积，输出成品。本发明可以制作高精度的低偏振灵敏度分色膜，分色光谱性能优异，同时保持透光波段的低偏振灵敏度。

Description

一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术，具体涉及一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法。

背景技术

分色片在光学系统、特别是多波段探测的光学系统中有着非常广泛的应用。为了实现宽光谱范围的分色，例如实现可见光近红外光与中长波红外光的分离，分色片的分色膜系常采用介质-金属-介质的结构，典型的例子为硫化锌-银-硫化锌结构。由于分色片通常是工作在倾斜入射的情况，由此会带来光的偏振光谱分离。对于一些遥感光学系统来说，入射光存在偏振状态变化，这会引起系统接收的光电信号变化，形成探测值和数据反演的误差，因而对系统及光学元件提出了降低偏振灵敏度的要求。对于所探讨的分色片，其偏振灵敏度定义为透射的P光与S光的透射率之差的绝对值除以两者的和。传统硫化锌-银-硫化锌结构很难实现透射光宽波段的低偏振灵敏度控制，且由于硫化锌在蓝光区有吸收，采用多个膜堆组合压缩光谱过渡区时也将极大降低透光波段的能量。针对于此，我们在题为《Designofnon-polarizingcut-offfiltersbasedondielectric-metal-dielectricstacks》一文中，提出了一种利用两种介质-金属-介质结构的膜堆来组合设计低偏振灵敏度分色片的方法，见OpticsExpress第21卷16期19163-19172页的记载。但该方法设计的膜堆较多，且每个膜堆都需严格匹配特定的光学导纳方式，传统的光学薄膜制作方法制备的误差较大，很难保证低偏振灵敏度的实现。

发明内容

本发明提出了一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，其目的在于通过严格的光学监控方式来严格匹配膜堆的光学导纳，从而高精度地制备介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜，实现透射光宽波段的低偏振灵敏度控制。

一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，包括以下步骤：

1)根据低偏振灵敏度分色膜(4)的技术要求，选择介质膜材料和金属膜材料，用于形成两种介质-金属-介质结构，通过光学导纳匹配方法进行组合，初步确定膜系结构；

所述低偏振灵敏度分色膜系(4)为2种介质-金属-介质结构的组合，膜系结构为基底/(D′₁M′D″₁)^xD₁MD₂/空气，其中，D′₁、D″₁和D₁表示第一种介质膜但厚度不同，M′和M表示同一种金属膜但厚度不同，D₂表示第二种介质膜，x为自然数，表示膜堆重复次数。介质可为Ta₂O₅，Al₂O₃，SiO₂，Nb₂O₅，MgF₂等，金属采用透光波段折射率n近似为零的材料，如Al，Ag，Au等金属。

所述导纳匹配方法为：当所有膜层的厚度变成其折射角的余弦值倍数时，设计用参考单色光为垂直入射，基底/(D′₁M′D″₁)^x的导纳近似为基底折射率，基底/D₁MD₂的导纳近似为空气折射率。

2)利用EssentialMacleod等薄膜设计软件对膜系结构进行微调和优化，进一步降低透射光谱的偏振灵敏度，同时使膜系结构方便监控制作；

所述微调和优化过程：调节D′₁M′D″₁膜层厚度成近似对称结构，使在监控波长位置，膜堆D′₁M′D″₁形成闭合导纳图；调节D₁MD₂膜层厚度，使M的导纳曲线沿实轴对称分布，使整个膜系的偏振灵敏度达到最低。

3)对沉积用基片进行清洗和沉积前处理，包括离子源轰击激活或预沉积，确定沉积工艺，采用蒸发或溅射等方法进行薄膜沉积；

4)采用反射式光学监控系统进行反射率监控，采用半直接监控方式，每个膜堆采用一个监控片，三层膜沉积监控方式分别为：第一层为介质膜，沉积在新的监控片上，采用光强值法监控，当反射率达到设计值后进入下一层沉积；第二层为金属层，反射率随沉积先变小后变大，当反射率再次达到沉积初始的反射率值后进入第三层沉积，第三层为介质层，反射率随沉积过程变小，当达到极值时暂停沉积；

所述监控方法采用的波长为膜堆D′₁M′D″₁形成闭合导纳图的波长。

5)判断当前膜堆是否为最后一个膜堆，如果是，继续沉积，直到反射率达到设计值；如果不是，更换监控片，进入下一个膜堆的沉积，重复步骤4)；

6)完成所有膜层的沉积，输出成品。

本发明优点在于：每个介质-金属-介质结构均遵循严格的导纳匹配方式进行制作，膜系设计与监控制作相互联系，能有效防止制作误差累积放大，能确实保证设计功能的实现，完成高精度的低偏振灵敏度分色片的制作。

附图说明

图1是所述介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的工作状态示意图，1为包含紫外到长波红外的入射光，2为反射的中长波红外光，3为透射的紫外可见近红外光，4为介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜，θ为入射角度。

图2是所述介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作流程图。

图3为示范实例初始设计膜系为石英/(38.9nmTa₂O₅/9.4nmAg/39.2nmTa₂O₅)²(28.1nmTa₂O₅/7.4nmAg/81.1nmSiO₂)/空气在45°入射情况的透射偏振光谱情况。5为P光的透射率，6为S光的透射率。

图4为示范实例最终设计膜系为石英/(36.0nmTa₂O₅/7.9nmAg/37.0nmTa₂O₅)²(23.0nmTa₂O₅/6.3nmAg/81.4nmSiO₂)/空气在45°入射情况的透射偏振光谱情况。7为P光的透射率，8为S光的透射率。

图5为示范实例中两种膜堆(36.0nmTa₂O₅/7.9nmAg/37.0nmTa₂O₅)(9)和(23.0nmTa₂O₅/6.3nmAg/81.4nmSiO₂)(10)的反射率监控曲线。

图6为示范实例低偏振灵敏度分色膜在45°入射情况的透射偏振灵敏度分布情况，11为设计值，12为实际值。

具体实施方式

下面根据实例和附图，来说明本发明的具体实施方式。

以工作在空气环境中在45°入射情况的低偏振灵敏度分色膜系的制作为例，该膜系要求反射波长大于2000nm的所有波段，透射400-700nm的可见光，同时要求透射光波段保持偏振灵敏度小于1％。基片采用熔石英材料，传统的ZnS-Ag-ZnS膜系结构是不能满足低偏振灵敏度要求的，若镀膜材料分别选择Ta₂O₅、Ag和SiO₂，采用本发明提出的制作方法，可以满足低偏振灵敏度的控制要求，具体实施如下：

1)按所述导纳匹配方式，设计的初步膜系结构为石英/(38.9nmTa₂O₅/9.4nmAg/39.2nmTa₂O₅)²(28.1nmTa₂O₅/7.4nmAg/81.1nmSiO₂)/空气，从偏振光谱图(图3)可以看到除了400nm附近的偏振光谱分离较大，因此需要对膜系结构进行微调，以消除这个偏振分离；

2)利用薄膜设计软件EssentialMacleod对膜系结构进行微调和优化，调节D′₁M′D″₁膜厚成近似对称结构，使在监控波长565nm位置形成闭合导纳图；调节D₁MD₂膜厚，使M的导纳曲线沿实轴对称分布，使整个膜系的偏振灵敏度达到最低，最后出来的膜系结构为石英/(36.0nmTa₂O₅/7.9nmAg/37.0nmTa₂O₅)²(23.0nmTa₂O₅/6.3nmAg/81.4nmSiO₂)/空气，从偏振光谱图(图4)可以看到400-700nm波段的偏振光谱分离极小。

3)监控片采用熔石英片，单面抛光，抛光面为镀膜面。基片采用熔石英片，沉积前进行离子源轰击激活，在5.0×10^-4Pa的真空环境中进行膜层沉积，采用电子束蒸发进行Ta₂O₅和SiO₂沉积，采用电阻加热蒸发进行Ag沉积，沉积速率分别为0.3nm/s，0.6nm/s和0.5nm/s。

4)采用反射式光学监控系统进行反射率监控，采用半直接监控方式，每个膜堆采用一个监控片，其在565nm波长的反射率监控曲线如图5所示，可以看到监控信号明确：对于第一个膜堆(36.0nmTa2O₅/7.9nmAg/37.0nmTa₂O₅)的监控曲线(9)，36.0nmTa₂O₅的判停条件为反射率达到18.5％，7.9nmAg的判停条件为反射率再次达到18.5％，37.0nmTa₂O₅的判停条件为反射率达到极小值；对于第二个膜堆(23.0nmTa₂O₅/6.3nmAg/81.4nmSiO₂)的监控曲线(10)，23.0nmTa₂O₅的判停条件为反射率达到11.2％，6.3nmAg的判停条件为反射率再次达到11.2％，81.4nmSiO₂的判停条件为反射率达到极小值后再增加0.7％。

5)完成所有膜层的沉积后，输出成品，完成的400-700nm波段的偏振灵敏度控制如图6所示。

Claims (1)

1.一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据分色膜的技术要求，选择介质膜材料和金属膜材料，用于形成两种介质-金属-介质结构，通过光学导纳匹配方法进行组合，初步确定膜系结构：膜系结构为基底/(D′₁M′D″₁)^xD₁MD₂/空气，其中，D′₁、D″₁和D₁表示第一种介质膜但厚度不同，M′和M表示同一种金属膜但厚度不同，D₂表示第二种介质膜，x为自然数，表示膜堆重复次数；介质可为Ta₂O₅，Al₂O₃，SiO₂，Nb₂O₅或MgF₂，金属采用透光波段折射率n近似为零的Al，Ag或Au材料；导纳匹配方法为：当所有膜层的厚度变成其折射角的余弦值倍数时，设计用参考单色光为垂直入射，基底/(D′₁M′D″₁)^x的导纳近似为基底折射率，基底/D₁MD₂的导纳近似为空气折射率；

2)利用EssentialMacleod等薄膜设计软件对膜系结构进行微调和优化，进一步降低透射光谱的偏振灵敏度，同时使膜系结构方便监控制作：调节D′₁M′D″₁膜厚成近似对称结构，使在监控波长位置，膜堆D′₁M′D″₁形成闭合导纳图；调节D₁MD₂膜厚，使M的导纳曲线沿实轴对称分布，使整个膜系的偏振灵敏度达到最低；

3)对沉积用基片进行清洗和沉积前处理，包括离子源轰击激活或预沉积，确定沉积工艺，采用蒸发或溅射等方法进行薄膜沉积；

4)采用反射式光学监控系统进行反射率监控，采用半直接监控方式，每个膜堆采用一个监控片，三层膜沉积监控方式分别为：第一层为介质膜，沉积在新的监控片上，采用光强值法监控，当反射率达到设计值后进入下一层沉积；第二层为金属层，反射率随沉积先变小后变大，当反射率再次达到沉积初始的反射率值后进入第三层沉积，第三层为介质层，反射率随沉积过程变小，当达到极值时暂停沉积；

5)判断当前膜堆是否为最后一个膜堆，如果是，继续沉积，直到反射率达到设计值；如果不是，更换监控片，进入下一个膜堆的沉积，重复步骤4)；

6)完成所有膜层的沉积，输出成品。