CN107479191A - 一种可见光深截止的激光矩形滤光片及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种可见光波段深截止的激光矩形滤光片及设计方法。本发明提出的激光矩形滤光片设计方法，将多腔滤光薄膜分成对称两个部分同时沉积在胶合基底的内表面，避免了多腔滤光片的制备误差累计问题。通过调整两个基底外表面的长波通和短波通截止滤光薄膜的周期数，可以控制截止带的截止深度。该设计方法提供的滤光元件，适用于熔融石英基底和玻璃基底基底，可实现在532nm激光波长达到95％以上的透过率，带宽小于1.5nm，截止深度小于1×10^‑4。

Description

一种可见光深截止的激光矩形滤光片及设计方法

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，特别是滤光光学元件的设计与制备技术，具体涉及一种带宽小于1.5nm、截止深度小于1×10^-4的可见光波段深截止的激光矩形滤光片及设计方法。

背景技术

随着激光器件与探测技术的发展，基于主动激光的光电系统得到广泛的应用，涌现出激光雷达、激光引信、激光测高仪、激光测距、激光信标、激光通信等各类激光应用系统，推进了现代光电技术的发展。诸如激光雷达技术，已经发展了大气探测激光雷达、海洋探测激光雷达、空中交会对接激光雷达、避障激光雷达、空间高分辨率对地观测、化学成分探测激光雷达等。无论在哪种领域内应用，激光回波探测的精度和灵敏度一直是提高激光系统工作精度的关键。

激光回波探测的关键是提高信噪比和窄线宽，滤光片则是激光系统中的核心元件。由于目标背景杂散光的存在，提高信噪比的关键是提高滤光片的抑制比，即提高激光波长的透过率和降低旁带的透过率，因此对滤光片提出了宽波段深截止、窄带高透过率的需求。

常用的窄带滤光片结构为法布里-珀罗型，中间耦合层+两侧反射膜实现干涉滤光，但是单腔的滤光片通带为近似三角形，利用低折射率膜层串接多腔的方法可以有效改善通带的形状。按照串接腔的数量，主要有双腔滤光片、三腔滤光片或者多腔滤光片。通过串接多腔可以将通带改善为矩形。以光通信领域的DWDM滤光片为代表的产品，其中200GHz窄带滤光片已经成熟，100GHz滤光片也研制成功，所有滤光片均是全介质滤光薄膜制作而成。尽管滤光片的带宽已经达到1nm以下，但是制作成本高而且并未实现其余波段的宽带截止。因此对于压缩线宽和宽旁带的透过率同步实现，仍具有一定的难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种可见光深截止的激光矩形滤光片及设计方法，以解决如何对于特定波长激光能够高度透过且具有小通带带宽，而在其余波段具有深度截止的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种可见光深截止的激光矩形滤光片设计方法，该设计方法包括如下步骤：

确定滤光片的基本结构；其中，滤光片由两个基底胶合而成，其中第一基底外表面具有长波通截止滤光薄膜，第二基底外表面具有短波通截止滤光薄膜，第一基底和第二基底之间用于胶合的内表面均具有窄带通滤光薄膜；

选定滤光片的参考波长λ₀，选择膜系结构中使用的基底材料Sub、高折射率材料H和低折射率材料L；

将第一基底外表面的长波通截止滤光薄膜的第一初始膜系结构，按照下式进行设计：

Sub|α_A(1H 1L)^m_Aβ_AH|Air

其中，α_A和β_A分别代表第一初始膜系结构每层膜的光学厚度系数，m_A为基本周期(1H 1L)的周期数，单位光学厚度为λ₀/4；

设定波长范围λ₀±20nm的透过率为最大值，对第一初始膜系结构进行优化，优化后的第一膜系结构为：

Sub|x₁H x₂L x₃Hα_ALα_A(1H 1L)^(m_A-3)x₄H x₅L x₆H|Air

其中，x₁～x₆为优化后第一膜系结构薄膜的光学厚度系数；

通过选择不同的周期数m_A，调整长波通截止滤光薄膜在入射光λ＜λ₀区域截止带的截止深度；

将第一基底和第二基底之间用于胶合的内表面的窄带通滤光薄膜的第二初始膜系结构，按照下式进行设计：

Sub|(1H 1L)^5 2H(1L 1H)^5 1L(1H 1L)^5 6H(1L 1H)^5 1L(1H1L)^6 2H(1L1H)^6 0.5L|Air

其中，单位光学厚度为λ₀/4；

将第二基底外表面的短波通截止滤光薄膜的第三初始膜系结构，按照下式进行设计：

Sub|α_BLα_BHα_BLα_B(1H 1L)^m_Bα_BHβ_BL|Air

其中，α_B和β_B分别代表第三初始膜系结构每层膜的光学厚度系数，m_B为基本周期(1H 1L)的循环次数，单位光学厚度为λ₀/4；

设定波长范围λ₀±20nm的透过率为最大值，对第三初始膜系结构进行优化，优化后的第三膜系结构为：

Sub|y₁L y₂H y₃Lα_B(1H 1L)^(m_B-1)α_BH y₄L y₅H y₆L|Air

其中，y₁～y₆为优化后第三膜系结构薄膜的光学厚度系数；

通过选择不同的周期数m_B，调整短波通截止滤光薄膜在入射光λ＞λ₀区域截止带的截止深度；

将第一基底和第二基底的内表面胶合在一起，获得完整的可见光深截止的激光矩形滤光片。

进一步地，基底材料为熔融石英或玻璃；高折射率材料为Ta₂O₅或TiO₂；低折射率材料为SiO₂。

进一步地，参考波长λ₀为532nm。

此外，本发明还提出一种可见光深截止的激光矩形滤光片，采用上述设计方法得到，该滤光片的基底材料为熔融石英；高折射率材料为Ta₂O₅；低折射率材料为SiO₂；λ₀为532nm；

优化后的第一膜系结构为：

Sub|0.5791H 0.8431L 0.5929H 0.82L 0.82(1H 1L)^25 0.6409H1.0528L0.3306H|Air

优化后的第三膜系结构为：

Sub|0.5791H 0.8431L 0.5929H 0.82L 0.82(1H 1L)^25 0.6409H1.0528L0.3306H|Air。

进一步地，该滤光片在可见光400nm-700nm波段范围内，对于532nm波长的透过率大于95％，带宽小于1.5nm，截止深度小于1×10^-4。

(三)有益效果

本发明提出的激光矩形滤光片设计方法，将多腔滤光薄膜分成对称两个部分同时沉积在胶合基底的内表面，避免了多腔滤光片的制备误差累计问题。通过调整两个基底外表面的长波通和短波通截止滤光薄膜的周期数，可以控制截止带的截止深度。该设计方法提供的滤光元件，适用于熔融石英基底和玻璃基底基底，可实现在532nm激光波长达到95％以上的透过率，带宽小于1.5nm，截止深度＜1×10^-4。

附图说明

图1为本发明实施例滤光片基本结构示意图；

图2为本发明实施例熔融石英基底的光学常数；

图3为本发明实施例Ta₂O₅薄膜的光学常数；

图4为本发明实施例SiO₂薄膜的光学常数；

图5为本发明实施例长波通截止滤光薄膜的光谱透过率；

图6为本发明实施例基底内表面胶合后的光谱透过率；

图7为本发明实施例短波通截止滤光薄膜的光谱透过率；

图8为本发明实施例滤光片总体光谱透过率。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种可见光深截止的激光矩形滤光片的设计方法及由此得到的滤光片，其中该设计方法包括如下步骤：

(1)确定滤光片的基本结构，如图1所示。其中，滤光片由两个基底胶合而成，其中第一基底外表面A具有长波通截止滤光薄膜，第二基底外表面D具有短波通截止滤光薄膜，第一基底和第二基底之间用于胶合的内表面B和C均具有窄带通滤光薄膜。

(2)选定滤光片的参考波长λ₀为532nm。选择膜系结构中使用的基底材料Sub为熔融石英，其光学常数如图2所示。高折射率材料H为Ta₂O₅，其光学常数如图3所示。低折射率材料L为SiO₂，其光学常数如图4所示。

(3)将第一基底外表面A的长波通截止滤光薄膜的第一初始膜系结构，按照下式进行设计：

Sub|0.82(1H 1L)^28 0.82H|Air

其中，基本周期(1H 1L)的周期数m_A＝28，每层膜的单位光学厚度为λ₀/4。

(4)设定波长范围532±20nm的透过率为1，容差为0.005，对第一初始膜系结构进行优化，选择靠近第一基底表面三层和空间空气的三层，优化后的第一膜系结构为：

Sub|0.5791H 0.8431L 0.5929H 0.82L 0.82(1H 1L)^25 0.6409H1.0528L0.3306H|Air

优化后第一基底外表面A的长波通截止滤光薄膜的光谱透过率，如图5所示。

(5)将第一基底和第二基底之间用于胶合的内表面B和C的窄带通滤光薄膜的第二初始膜系结构分别为六腔滤光片的一半。

两个基底胶合后的膜系结构为：

Sub|(1H 1L)^5 2H(1L 1H)^5 1L(1H 1L)^5 6H(1L 1H)^5 1L(1H1L)^6 2H(1L1H)^6 0.5L 0.5L(1H 1L)^6 2H(1L 1H)^6 1L(1H 1L)^56H(1L 1H)^5 1L(1H 1L)^5 2H(1L1H)^5|Sub

其中，每层膜的单位光学厚度为λ₀/4。

第一基底和第二基底的内表面B和C胶合后的光谱透过率，如图6所示。

(6)将第二基底外表面D的短波通截止滤光薄膜的第三初始膜系结构，按照下式进行设计：

Sub|1.2L 1.2H 1.2L 1.2(1H 1L)^20 1.2H 0.8L|Air

其中，基本周期(1H 1L)的循环次数m_B＝28，每层膜的单位光学厚度为λ₀/4。

(7)设定波长范围532±20nm的透过率为1，容差为0.005，对所述第三初始膜系结构进行优化，选择靠近第三基底表面三层和空间空气的三层，优化后的第三膜系结构为：

Sub|8.3105L 1.2973H 1.4789L 1.2(1H 1L)^19 1H 1.4083L1.1271H 0.5702L|Air

优化后第二基底外表面D的短波通截止滤光薄膜的光谱透过率，如图6所示。

(8)将两块平行基底胶合一起形成激光矩形滤光片，滤光片总体的光谱透过率，如图8所示。其中，在可见光400nm-700nm波段范围内，532nm波长处的透过率大于95％，带宽小于1.5nm，截止带深度小于1×10^-4。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可见光深截止的激光矩形滤光片设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：

确定所述滤光片的基本结构；其中，所述滤光片由两个基底胶合而成，其中第一基底外表面具有长波通截止滤光薄膜，第二基底外表面具有短波通截止滤光薄膜，所述第一基底和所述第二基底之间用于胶合的内表面均具有窄带通滤光薄膜；

选定所述滤光片的参考波长λ₀，选择膜系结构中使用的基底材料Sub、高折射率材料H和低折射率材料L；

将所述第一基底外表面的所述长波通截止滤光薄膜的第一初始膜系结构，按照下式进行设计：

Sub|α_A(1H 1L)^m_Aβ_AH|Air

其中，α_A和β_A分别代表所述第一初始膜系结构每层膜的光学厚度系数，m_A为基本周期(1H 1L)的周期数，单位光学厚度为λ₀/4；

设定波长范围λ₀±20nm的透过率为最大值，对所述第一初始膜系结构进行优化，优化后的第一膜系结构为：

Sub|x₁H x₂L x₃Hα_ALα_A(1H 1L)^(m_A-3)x₄H x₅L x₆H|Air

其中，x₁～x₆为优化后所述第一膜系结构薄膜的光学厚度系数；

通过选择不同的周期数m_A，调整所述长波通截止滤光薄膜在入射光λ＜λ₀区域截止带的截止深度；

将所述第一基底和所述第二基底之间用于胶合的内表面的所述窄带通滤光薄膜的第二初始膜系结构，按照下式进行设计：

Sub|(1H 1L)^5 2H(1L 1H)^5 1L(1H 1L)^5 6H(1L 1H)^5 1L(1H1L)^6 2H(1L 1H)^60.5L|Air

其中，单位光学厚度为λ₀/4；

将所述第二基底外表面的所述短波通截止滤光薄膜的第三初始膜系结构，按照下式进行设计：

Sub|α_BLα_BHα_BLα_B(1H 1L)^m_Bα_BHβ_BL|Air

其中，α_B和β_B分别代表所述第三初始膜系结构每层膜的光学厚度系数，m_B为基本周期(1H 1L)的循环次数，单位光学厚度为λ₀/4；

设定波长范围λ₀±20nm的透过率为最大值，对所述第三初始膜系结构进行优化，优化后的第三膜系结构为：

Sub|y₁L y₂H y₃Lα_B(1H 1L)^(m_B-1)α_BH y₄L y₅H y₆L|Air

其中，y₁～y₆为优化后所述第三膜系结构薄膜的光学厚度系数；

通过选择不同的周期数m_B，调整所述短波通截止滤光薄膜在入射光λ＞λ₀区域截止带的截止深度；

将所述第一基底和所述第二基底的内表面胶合在一起，获得完整的可见光深截止的激光矩形滤光片。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基底材料为熔融石英或玻璃；所述高折射率材料为Ta₂O₅或TiO₂；所述低折射率材料为SiO₂。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述参考波长λ₀为532nm。

4.一种可见光深截止的激光矩形滤光片，采用如权利要求1所述的设计方法得到，其特征在于，

所述基底材料为熔融石英；所述高折射率材料为Ta₂O₅；所述低折射率材料为SiO₂；所述参考波长λ₀为532nm；

所述优化后的第一膜系结构为：

Sub|0.5791H 0.8431L 0.5929H 0.82L 0.82(1H 1L)^25 0.6409H 1.0528L 0.3306H|Air

所述优化后的第三膜系结构为：

Sub|0.5791H 0.8431L 0.5929H 0.82L 0.82(1H 1L)^25 0.6409H 1.0528L 0.3306H|Air。

5.如权利要求4所述的滤光片，其特征在于，所述滤光片在可见光400nm-700nm波段范围内，对于532nm波长的透过率大于95％，带宽小于1.5nm，截止深度小于1×10^-4。