CN111766655B - 一种超宽通带短波通滤光膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽通带短波通滤光膜及其制备方法，属于光学薄膜加工技术领域，解决了现有技术中光学玻璃透明区常用波段选择、分离困难，光学系统集成困难的问题。本发明超宽通带短波通滤光膜，有57层薄膜，其中奇数层为SiO₂层，偶数层为Ta₂O₅层。本发明滤光膜透过0.4μm～1.2μm波，反射1.49μm～1.69μm波，可使光学系统对多个波段进行分离、选择，实现不同光谱波段有效使用的效果。

Description

一种超宽通带短波通滤光膜及其制备方法

技术领域

本发明属于光学薄膜加工技术领域，特别涉及一种超宽通带短波通滤光膜及其制备方法。

背景技术

电磁波在大气中传输时随波长的不同会有不同程度的衰减。在可见光波段，引起电磁波衰减的主要原因是分子散射，在紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收。依据大气光谱传输特性和探测器的光谱敏感特性，光学成像系统可以工作在多个光谱区。0.4μm～0.7μm为可见光区，能为人眼直接观察，0.7μm～1.1μm为近红外光谱区，除了不能为人眼直接观察外，该区域成像所需要的光学材料、探测器类型与可见光基本相同，低亮度电视、像增强器、星光望远镜、夜视镜以及许多数码相机提供的红外拍摄功能等工作在该区域，1.1μm～2.5μm为短波红外光谱区，主要用于探测地表物体的反射，可以获得土壤类型、水体特性、植被分布及军事装备、军队部署等信息。由于水蒸气在1.38μm和1.87μm附近有较强的吸收，因此该波段通常分为1.4μm～1.9μm和2.0μm～2.5μm两个窗口，其中1.45μm～1.75μm透过率较高，白天夜间都可以应用。

随着科学技术的进步，先进的光谱接受器件、红外探测器件不断的集成应用到同一个光学系统中。这样的光学系统必然需要对多个波段进行分离、选择，实现不同光谱波段的有效使用。

光学玻璃透明区0.35μm～2.2μm，包含可见、微光、近红外激光、短波红外激光等几个常用区域。利用光学玻璃设计功能新颖、性能优良、多光谱区域共享的光学镜头已经是一种发展趋势。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种超宽通带短波通滤光膜及其制备方法，本发明滤光膜在光学玻璃透明区0.35μm～2.2μm的波长范围内，透过0.4μm～1.2μm波，反射1.49μm～1.69μm波，可使光学系统对多个波段进行分离、选择，实现不同光谱波段有效使用的效果，促进先进的光谱接受器件、红外探测器件不断的集成应用到同一个光学系统。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种超宽通带短波通滤光膜，滤光膜有57层薄膜，其中奇数层为SiO₂层，偶数层为Ta₂O₅层。

在一种可能的设计中，薄膜每层物理厚度如下表：

本发明还提供了一种超宽通带短波通滤光膜的制备方法，包括以下步骤：

选定光学玻璃基板材料和光学薄膜材料；

选定膜系初始结构；

在膜系初始结构基础上进行优化合并薄膜层数，选定膜系厚度；

采用选定的光学玻璃基板材料和光学薄膜材料根据优化后的薄膜结构镀制膜系，得到滤光膜。

在一种可能的设计中，光学薄膜材料的高折射率膜层为五氧化二钽，低折射率膜层为二氧化硅。

在一种可能的设计中，膜系初始结构为拥有等效折射率的对称结构：

Sub/(0.018H0.469L0.153H0.151L1.005H0.151L0.153H0.469L0.018H)^S/Air；

其中Sub为光学玻璃基板，Air为空气，H为高折射率膜层五氧化二钽，L为低折射率膜层二氧化硅SiO₂，S为对称结构循环次数，10≤S≤15。

在一种可能的设计中，在膜系初始结构基础上进行优化合并薄膜层数：

是单层薄膜特征矩阵；

其中

λ是中心波长，n是薄膜折射率，d是薄膜厚度，θ是薄膜中光线折射角，η是薄膜导纳，对P偏振光η＝n/cosθ，对S偏振光η＝ncosθ；

对于镀制在介质n_k+1上的K层多层膜系，连续特征矩阵为：

则膜系透射率为:

式中η₀是入射介质导纳，η_K+1是出射介质导纳；

通过上述公式计算出不同波长处透射率；

优化时，令通带区透射目标值为100％，截止带反射目标值为0，更改迭代膜系中厚度，令评价函数取得极小值，得到所需厚度；

评价函数:

式中w是所取波长处权重，T_i是所取波长处透射率，T₀是所取波长处目标值，i、L为起始、终止波长。

在一种可能的设计中，优化后的膜系厚度结构为：

Sub/

1.05L0.09H0.19L0.18H0.07L0.83H0.13L0.14H1.03L0.13H

0.13L0.91H0.13L0.13H1.06L0.14H0.15L0.99H0.15L0.13H

1.04L0.13H0.14L0.94H0.14L0.13H1.01L0.13H0.14L0.95H

0.15L0.14H1.13L0.14H0.16L0.95H0.14L0.11H0.93L0.13H

0.14L1.01H0.16L0.14H1.09L0.14H0.13L0.87H0.13L0.13H

1.08L0.15H0.15L0.52H0.06L0.28H0.49L/Air。

其中中心波长选择1.37μm，Sub为光学玻璃基板，Air为空气，H为高折射率膜层五氧化二钽Ta₂O₅，L为低折射率膜层二氧化硅SiO₂。

在一种可能的设计中，每层实际物理厚度计算公式：

Thickness＝αλ/4n

α为四分之一中心波长光学厚度倍数，λ为中心波长，n为膜层折射率。

在一种可能的设计中，镀制膜系采用热蒸发方式、离子源辅助蒸发方式或离子束溅射方式。

在一种可能的设计中，采用离子束溅射方式镀制膜系包括以下步骤：

步骤1.当双离子束溅射镀膜机真空度6×10^-2Pa～9×10^-2Pa时，对光学玻璃基板进行100℃～120℃烘烤，恒温30min～40min，继续抽真空；

步骤2.当真空度2×10^-3Pa～3×10^-3Pa时，采用离子源对Ta₂O₅、SiO₂靶材和光学玻璃基板进行清洗；

步骤3.循环溅射沉积SiO₂和Ta₂O₅，直至膜层结束。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明的技术方案中，基于等效折射率法设计的初始膜系结构在可见光、微光、近红外激光高透射，短波红外激光高反射，在初始膜系基础上优化合并膜层可得到薄膜层数较少、膜层总厚度较小，工艺易于实现的膜系厚度，所制备的超宽通带短波通滤光膜在波长区0.4μm～1.2μm平均透射率大于95％，波长区1.49μm～1.69μm反射率大于95％，实现了可见光、微光、1.064μm激光与1.57μm激光波段区域的光谱分离效果。实现不同光谱波段有效使用的效果，有效促进先进的光谱接受器件、红外探测器件不断的集成应用到同一个光学系统。

2)光学薄膜材料选定五氧化二钽(Ta₂O₅)、二氧化硅(SiO₂)匹配用于制作超宽通带短波通滤光膜。这两种膜料化学稳定性高、机械强度好，可见光光谱透明性大吸收小，有利于提升薄膜整体耐酸、耐碱、耐腐蚀性及通带区整体透射率，同时这两种膜料折射率差异大，有利于膜系设计中薄膜层数及厚度的减少。

3)本发明滤光膜制备方法通过对对称结构膜系进行优化合并，确定膜层厚度，令在通带区域膜系导纳与界面导纳完全匹配，达到高效透射，无剩余反射的目的，同时控制厚度最薄层大于10纳米，减小薄膜制备难度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1为本发明工艺流程图；

图2为本发明离子束溅射示意图；

图3为超宽通带短波通滤光膜光谱特性图；

图4为实施例1实测光谱曲线。

附图标记：

1-溅射离子源；2-辅助离子源；3-中和器；4-靶材；5-光学玻璃基板。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种超宽通带短波通滤光膜及其制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明提供了一种基于等效折射率法的超宽通带短波通滤光膜，滤光膜有57层，其中奇数层为SiO₂层，偶数层为Ta₂O₅层，薄膜每层物理厚度如表1所示：

表1滤光膜薄膜每层物理厚度

本发明滤光膜在波长区0.4μm～1.2μm平均透射率大于95％，波长区1.49μm～1.69μm反射率大于95％，实现了可见光、微光、1.064μm激光与1.57μm激光波段区域的光谱分离效果。可使光学系统实现对光学玻璃透明区0.35μm～2.2μm几个常用波段区域的分离、选择，实现不同光谱波段有效使用的效果，促进先进的光谱接受器件、红外探测器件不断的集成应用到同一个光学系统。

本发明还提供了一种超宽通带短波通滤光膜的制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

选定光学玻璃基板材料和光学薄膜材料；

选定膜系初始结构；

在膜系初始结构基础上进行优化合并薄膜层数，选定膜系厚度；

采用选定的光学玻璃基板材料和光学薄膜材料根据优化后的薄膜结构镀制膜系，得到所述滤光膜。

1.选定光学玻璃基板材料

光学玻璃基板选择国内成都光明光电股份有限公司生产的K9冕牌光学玻璃。光学玻璃表面无变质层、破点及路子，符合GB/T 1185-2006中3×0.1要求。基板表面质量越好，成膜质量越高。

2.选定光学薄膜材料

选定光学薄膜材料五氧化二钽(Ta₂O₅)、二氧化硅(SiO₂)匹配用于制作超宽通带短波通滤光膜。这两种膜料化学稳定性高、机械强度好，可见光光谱透明性大吸收小，有利于提升薄膜整体耐酸、耐碱、耐腐蚀性及通带区整体透射率，同时这两种膜料折射率差异大，有利于膜系设计中薄膜层数及厚度的减少。

3.选定膜系初始结构

单层薄膜特征矩阵

其中

λ是中心波长，n是薄膜折射率，d是薄膜厚度，θ是薄膜中光线折射角，η是薄膜导纳，对P偏振光η＝n/cosθ，对S偏振光η＝ncosθ。

对称结构特征矩阵有如下性质：

式中E代表等效单层导纳，Γ代表等效单层位相厚度。如果在所取波长区域，计算结果，E是实数，则可以等效为单层介质膜，如果E是虚数，则相当于金属膜。光学薄膜设计中对称膜系结构拥有等效折射率，等效折射率为实数的光谱区域，可以等效为介质单层膜，由于介质单层膜透射率高所以属于通带，等效折射率为虚数的光谱区域，相当于金属膜，由于金属膜反射率高所以属于高反射带。

常规Sub/(0.5LH0.5L)^S/Air设计难以抑制高级次反射带即在三分之一波长可见光处为高反射，等效折射率为虚数，不能等效为单层介质膜，使得可见光、微光、1.064μm与1.57μm波长激光分离选择时难以保证可见光区域的高透射选择，因此需要一种能够保证超宽通带的对称结构模型。可以选择可见光、微光、1.064μm激光三个波长处等效折射率为实数，1.57μm激光等效折射率为虚数的对称膜系结构。

本实施例中膜系初始结构选择拥有等效折射率的对称结构：Sub/(0.018H0.469L0.153H0.151L1.005H0.151L0.153H0.469L0.018H)^S/Air，Sub为光学玻璃基板，Air为空气，H为高折射率膜层五氧化二钽Ta₂O₅，L为低折射率膜层二氧化硅SiO₂，高、低折射率膜层一层接一层镀制于光学玻璃基板上，S为对称结构循环次数，10≤S≤15，0.018、0.469、0.153、0.151、0.005为四分之一中心波长光学厚度倍数α，中心波长选择1.37μm，则每层实际物理厚度计算公式：

Thickness＝αλ/4n，α为四分之一中心波长光学厚度倍数，λ为中心波长，n为膜层折射率。

选择对称膜系结构在通带区拥有等效折射率可以等效为单层膜，而且对称膜系结构可以通过调整结构中四分之一中心波长光学厚度倍数大小扩展等效单层膜的通带波段区域宽度，抑制短波通滤光膜高级次反射截止带的产生，调整循环次数提高短波通滤光膜反射带反射率，循环次数越多反射率越大。

4.在初始膜系结构基础上进行优化合并薄膜层数，选定膜系厚度。

由于对称结构的等效单层膜与界面会存在剩余反射率，在通带区域透射率没有达到最大，同时对称结构中存在超薄厚度，薄膜制备中误差会大，所以对称结构膜系需要进行优化膜层厚度，令在通带区域膜系导纳与界面导纳完全匹配，达到高效透射，无剩余反射的目的，同时控制厚度最薄层大于10纳米，减小薄膜制备难度。

单层薄膜特征矩阵:

其中

λ是中心波长，n是薄膜折射率，d是薄膜厚度，θ是薄膜中光线折射角，η是薄膜导纳，对P偏振光η＝n/cosθ，对S偏振光η＝ncosθ。

对于镀制在介质n_k+1上的K层多层膜系，连续特征矩阵为：

式中，j表示第j层，K表示共K层。

则膜系透射率为：

式中η₀是入射介质导纳，η_K+1是出射介质导纳。

通过上述公式可以计算出不同波长处透射率。优化时，可以令通带区透射目标值为100％，截止带反射目标值为0，更改迭代膜系中厚度，令评价函数取得极小值，得到所需厚度。

评价函数：

式中w是所取波长处权重，T_i是所取波长处透射率，T₀是所取波长处目标值，i、L为起始、终止波长。

所得膜层厚度为：

Sub/

1.05L0.09H0.19L0.18H0.07L0.83H0.13L0.14H1.03L0.13H

0.13L0.91H0.13L0.13H1.06L0.14H0.15L0.99H0.15L0.13H

1.04L0.13H0.14L0.94H0.14L0.13H1.01L0.13H0.14L0.95H

0.15L0.14H1.13L0.14H0.16L0.95H0.14L0.11H0.93L0.13H

0.14L1.01H0.16L0.14H1.09L0.14H0.13L0.87H0.13L0.13H

1.08L0.15H0.15L0.52H0.06L0.28H0.49L/Air；

其中中心波长选择1.37μm，Sub为光学玻璃基板，Air为空气，H为高折射率膜层五氧化二钽Ta₂O₅，L为低折射率膜层二氧化硅SiO₂。

计算后薄膜每层物理厚度如下表。

表1薄膜物理厚度

5.镀制膜系，得到所述滤光膜

镀制膜系可以是热蒸发方式、离子源辅助蒸发方式、离子束溅射方式等。

本实施例中选择离子束溅射方式镀制，如图2所示，离子束溅射方式所制备薄膜致密平整、吸收、散射系数极小、膜层机械强度强。

镀制膜系包括以下步骤：

步骤1.当双离子束溅射镀膜机真空度6×10^-2Pa～9×10^-2Pa时，对光学玻璃基板进行100℃～120℃烘烤，恒温30min～40min，继续抽真空。

对光学玻璃基板烘烤、恒温，有利于提升基板表面成膜牢固度。真空度过低、温度过低、恒温时间过短容易造成膜层牢固度差，真空度过高、温度过高、恒温时间过长容易造成膜层结晶颗粒大，散射大。

步骤2.当真空度2×10^-3Pa～3×10^-3Pa时，采用离子源对Ta₂O₅、SiO₂靶材和光学玻璃基板进行清洗。对光学玻璃基板、Ta₂O₅、SiO₂靶材清洗可以去除基板、靶材表面灰尘等污染物减少成膜疵病的产生。

靶材、基片皆有防护板，先采用16cm离子源Ta₂O₅、SiO₂靶材进行清洗，光学玻璃基板防护板保护关闭，然后采用12cm离子源清洗光学玻璃基板，Ta₂O₅、SiO₂靶材防护板保护关闭，最后防护板全部打开，开始沉积。清洗时工艺参数如表2所示。

步骤3.循环溅射沉积SiO₂和Ta₂O₅，直至膜层结束，制得超宽通带短波通滤光膜。

清洗结束后，按表2工艺参数、表1膜层厚度循环溅射沉积二氧化硅(SiO₂)、五氧化二钽(Ta₂O₅)，共计57层，直至膜层结束。如图2所示，双离子束溅射镀膜机中，16cm RF离子源作为溅射离子源1，采用Ar离子束对靶材4进行轰击产生材料，12cm RF离子源作为辅助离子源2，采用Ar、O₂离子束辅助轰击靶材4所产生的材料沉积到光学玻璃基板5上，中和器3采用Ar产生电子束对离子束进行中和。

表2双离子束溅射镀制膜层工艺参数

6.测定膜系光谱曲线

利用光谱仪测量超宽通带短波通滤光膜光谱特性，本实施例实测光谱曲线如图4所示，光谱特性满足图3(图中横坐标表示波长，纵坐标表示透射率)，波长区0.4μm～1.2μm平均透射率大于95％，波长区1.49μm～1.69μm反射率大于95％，实现可见光、微光、1.064μm激光与1.57μm激光波段的光谱分离效果。

实施例1

K9平板光学玻璃基板镀制滤光膜，滤光膜需满足以下要求：光的入射角度45°时，0.4μm～0.9μm的光平均透过率≥95％，1.064μm，透过率≥95％，1.57μm，反射率＞95％，其余参照JB/T8226.8-1999。

首先对光学玻璃基板进行平板表面质量检验，表面无变质层、破点及路子，符合GB/T 1185-2006中3×0.1要求。

其次利用脱脂纱布蘸体积比1:1醇醚混合液清擦光学玻璃基板，哈气法检验光学玻璃基板的清洁程度，如果哈气后，光学玻璃基板表面蒙气均匀则清洁干净，如果蒙气不均或出现斑痕则应进一步擦拭。清洁完成后，装载入美国Veeco双离子束溅射镀膜机，抽真空。

当双离子束溅射镀膜机真空度6×10^-2Pa时，对光学玻璃基板进行100℃烘烤，恒温30min，继续抽真空；当真空度2×10^-3Pa时，16cm离子源对Ta₂O₅、SiO₂靶材进行清洗，12cm离子源对光学玻璃基板进行清洗；清洗结束后，按表3工艺参数、表1膜层厚度循环溅射沉积二氧化硅(SiO₂)、五氧化二钽(Ta₂O₅)，共计57层，直至膜层结束。

表3实施例1的溅射沉积工艺参数

最后，利用光谱仪测量超宽通带短波通滤光膜光谱特性，波长区0.4μm～0.9μm平均透射率大于95％，1.064μm透射率大于95％，1.57μm反射率大于95％；膜层特性符合JB/T8226.8-1999标准。

上述说明中，所用清擦试剂、膜料、设备、光学软件、光谱仪参照标准如下：

醇醚混合液：GB/T 678 化学试剂 乙醇(无水乙醇)

GB/T 12591 化学试剂 乙醚

薄膜膜料：SiO₂：纯度99.99％以上

Ta₂O₅：纯度99.99％以上

镀膜机：美国Veeco双离子束溅射镀膜机

光谱仪：美国Agilent Cary 7000UV-VIS-NIR全自动光谱仪

光学薄膜分析软件：TFC光学薄膜软件

膜层测试依据：JB/T8226.8-1999

光学零件表面疵病：GB/T 1185-2006。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超宽通带短波通滤光膜，其特征在于，所述滤光膜有57层薄膜，其中奇数层为SiO₂层，偶数层为Ta₂O₅层；

薄膜每层物理厚度如下表：

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