CN114637065A - 一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片及其制备方法，该滤光片是在基底表面通过离子溅射镀膜方式交替镀Ta2O5膜层和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层得到。该滤光片在1550nm波长与3.4～3.6μmm波段具有双波段输出，可以只采用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止，大大降低了激光探测器的体积和重量，且该双激光通道滤光片能实现在1550nm波长透射率大于99％，3.4～3.6μm波段透过率大于98％，截止区透过率小于0.1％，大大提高了检测信噪比，提高测量精确度，实现光学薄膜高损伤阈值，提升高功率激光系统输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤光片，特别涉及一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，还涉及其制备方法，属于激光技术领域。
背景技术
随着科技的发展，激光探测、光通信等越来越多的领域对激光的研究愈发成熟，作为光通信用单模光纤(SMF)的光传送信号使用的波长大多在1300nm附近或者1550nm附近，在波长多重传送用光纤中，使用传送损失效小的1550nm的波长。宽光谱中红外激光器对天然气体探测光源，其光谱范围为3.4～3.6μm。传统的激光探测器与光通信一般采用两种通道，即探测通道使用探测滤光片，光通信通道使用光通信滤光片；且在大功率高能量激光器使用过程中，对光学薄膜的抗激光损伤性能要求越来越高。
发明内容
为解决上述缺陷，本发明的第一个目的在于提出一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，该双激光通道滤光片在1550nm波长与3.4～3.6μmm波段具有双波段输出，可以只采用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止，大大降低了激光探测器的体积和重量，且该双激光通道滤光片能实现在1550nm波长透射率大于99％，3.4～3.6μm波段透过率大于98％，截止区透过率小于0.1％，大大提高了检测信噪比，提高测量精确度，实现光学薄膜高损伤阈值，提升高功率激光系统输出。
本发明的第二个目的在于提出一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片的制备方法，该制备方法操作简单，易于实施，有利于大规模生产，且该方法通过采用离子溅射镀膜方式生成Ta2O5膜层和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层，大大增强了膜层与基底之间的附着力，改善了滤光片膜层牢固度性，从而降低了生产滤光片的废品率和生产成本，而且提高了滤光片在1550nm波长和3.4μm～3.6μm波段的平均透过率，优化了滤光片的硬度和耐磨性。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，由基底及其表面的反射膜系构成；所述反射膜系由H层和L层交替叠加构成；
所述反射膜系具有以下结构：
SUB|0.92(HL)^22a1(HL)^n a2(HL)^n a3(HL)^n a4(HL)^n a5(HL)^n|AIR；其中，
SUB表示基底，AIR表示空气，n表示反射膜系中(HL)的重复次数；
a1～a5表示反射膜系的中心波长位置为反射膜系中心波长λ的倍数；
n取值在20～25之间，H层和L层交替叠加总层数不低于222层；
a1～a5各自的取值在0～2之间；
H表示一个光学厚度的Ta2O5膜层；
L表示一个光学厚度的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层。
本发明提供的高损伤阈值红外双激光通道滤光片，在1550nm波长与3.4～3.6μm波段具有双波段输出。本发明通过对反射膜系的每个膜层材料的选择、每个膜层厚度以及镀膜层的层数进行优化，最终获得性能最佳的高损伤阈值红外双激光通道滤光片。经测试，双激光通道滤光片能实现在1550nm波长透射率大于99％，3.4～3.6μm波段透过率大于98％，截止区透过率小于0.1％，大大提高了检测信噪比，提高测量精确度，实现光学薄膜高损伤阈值，提升高功率激光系统输出。
作为一个优选的方案，所述基底为单晶硅、蓝宝石或K9玻璃。
作为一个优选的方案，所述Ta2O5膜层的1/4光学厚度为188.207nm～448.52nm。
作为一个优选的方案，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层的1/4光学厚度为251.2nm～585.13nm。
作为一个优选的方案，所述Ta2O5在3.4～3.6μm波段范围内，折射率n＝2.0066，透射率T＝0.91018。Ta2O5膜层具有高折射率，且Ta2O5化学稳定性和光热稳定性很好，在1550nm波长的折射率n＝2.0589，透射率T＝0.978917。Ta2O5在3.4～3.6μm波段的折射率与透射率都趋于一条直线，折射率n＝2.0066，透射率T＝0.91018。
作为一个优选的方案，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯在3.4～3.6μm波段范围内，折射率n＝1.5308～1.5381，透射率T＝0.97060～0.99381。聚对苯二甲酸乙二醇酯(C10H8O4)n具有低折射率。聚对苯二甲酸乙二醇酯在1550nm波长的折射率n＝1.5426，透射率T＝0.99998。聚对苯二甲酸乙二醇酯在3.4～3.6μm波段的折射率n＝1.5308～1.5381，透射率T＝0.97060～0.99381。当采用聚氯乙烯替代聚对苯二甲酸乙二醇酯时，聚氯乙烯在1550nm波长和3.4～3.6μm处都具有低折射率，高透射率，经试验其光和热稳定性差，不适用于高损伤激光器中。
本发明还提供了一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，其在基底表面通过离子溅射镀膜方式交替镀制Ta2O5膜层和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层，即得。
本发明提供的高损伤阈值红外双激光通道滤光片的制备方法，该制备方法操作简单，易于实施，有利于大规模生产。该方法通过采用离子溅射镀膜方式交替镀Ta2O5膜层和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层，采用现有常见的离子溅射镀膜设备，BSV1030。具体的镀膜条件：Ta2O5沉积速率为2.6nm/s，聚对苯二甲酸乙二醇酯沉积速率为2.38nm/s，采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor，通上氩气、氧气压力设置到30Pai，镀制时间为膜层厚度/沉积速率。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：
本发明提供了一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，其在1550nm波长与3.4～3.6μm波段具有双波段输出，可以只用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止。大大降低了激光探测器的体积和重量，经测试，双激光通道滤光片能实现在1550nm波长透射率大于99％，3.4～3.6μm波段透过率大于98％，截止区透过率小于0.1％，大大提高了检测信噪比，提高了测量精准度，实现光学薄膜高损伤阈值，提升高功率激光系统输出。
本发明提供了一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片的制备方法，该制备方法操作简单，易于实施，有利于大规模生产；且该方法通过采用离子溅射镀膜方式交替镀Ta2O5膜层和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层，增强了膜层与基底之间的附着力，改善了滤光片膜层牢固度性，从而降低了生产滤光片的废品率和生产成本，而且提高了滤光片在1550nm波长和3.4μm～3.6μm波段的平均透过率，优化了滤光片的硬度和耐磨性。
附图说明
图1为本发明的高损伤阈值红外双激光通道滤光片结构示意图：1为基底，2为折射率膜层，3为低折射率膜层。
图2为高折射率材料Ta2O5在1550nm波长和3.4μm～3.6μm波段的折射率、透射率光谱图。
图3为低折射率材料(C10H8O4)n在1550nm波长和3.4μm～3.6μm波段的折射率、透射率光谱图。
图4为本发明实施例1的高损伤阈值红外双激光通道滤光片在1550nm波长和3.4μm～3.6μm波段光谱图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明内容，而不能解释为对本发明权利要求的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例1
本实施例提供的高损伤阈值红外双激光通道滤光片结构如图1所示；包括单晶硅基底1，第一镀膜层(Ta2O5)2，第二镀膜层(聚对苯二甲酸乙二醇酯)3。
本实施例具体设计的反射膜系结构：SUB|0.92(HL)^22 1.05(HL)^21 0.67(HL)^21 1.23(HL)^21 1.5(HL)^21 2(HL)^21|AIR。该高损伤阈值红外双激光通道滤光片，在1550nm波长与3.4μm～3.6μm波段具有双波段输出的红外双激光通道滤光片，Ta2O5在1550nm波长的折射率n＝2.0589，透射率T＝0.978917，在3.4μm～3.6μm波段的折射率n＝2.0066，透射率T＝0.91018；聚对苯二甲酸乙二醇酯在1550nm波长的折射率n＝1.5426，透射率T＝0.99998，在3.4μm～3.6μm波段的折射率n＝1.5381，透射率T＝0.95851。
高损伤阈值红外双激光通道滤光片的制备过程：在单晶硅基底表面通过离子溅射镀膜方式交替镀制第一膜层2和第二膜层3，镀膜过程采用现有常见的离子溅射镀膜设备，BSV1030。具体的镀膜条件：Ta2O5沉积速率为2.6nm/s，聚对苯二甲酸乙二醇酯沉积速率为2.38nm/s，采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor，通上氩气、氧气压力设置到30Pai。镀制时间为膜层厚度/沉积速率。
高损伤阈值红外双激光通道滤光片性能测试：如图4所示，高损伤阈值红外双激光通道滤光片在1550nm波长与3.4μm～3.6μm波段透过，其余波段截止。经测试，所述高损伤阈值红外双激光通道滤光片能实现在1550nm波长透射率为99.6％，3.4μm～3.6μm波段透过率为99.37％，截止区透过率小于0.1％，大大提高了检测信噪比，提高测量精确度,实现光学薄膜高损伤阈值，提升高功率激光系统输出。
实施例2
本实施例具体设计的反射膜系结构：SUB|0.92(HL)^22 1.08(HL)^21 0.67(HL)^21 1.23(HL)^21 1.5(HL)^21 2(HL)^21|AIR。
高损伤阈值红外双激光通道滤光片，在1550nm波长与3.4μm～3.6μm波段具有双波段输出的红外双激光通道滤光片。
高损伤阈值红外双激光通道滤光片的制备过程如实施例1。
高损伤阈值红外双激光通道滤光片性能测试：如图4所示，高损伤阈值红外双激光通道滤光片在1550nm波长与3.4μm～3.6μm波段透过，其余波段截止。经测试，所述高损伤阈值红外双激光通道滤光片能实现在1550nm波长透射率为99.28％，3.4μm～3.6μm波段透过率为98.6％，截止区透过率小于0.1％，大大提高了检测信噪比，提高测量精确度，实现光学薄膜高损伤阈值，提升高功率激光系统输出。
实施例3
本实施例具体设计的反射膜系结构：SUB|0.92(HL)^22 1.08(HL)^23 0.67(HL)^23 1.23(HL)^23 1.5(HL)^23 2(HL)^23|AIR。
高损伤阈值红外双激光通道滤光片，在1550nm波长与3.4μm～3.6μm波段具有双波段输出的红外双激光通道滤光片。
高损伤阈值红外双激光通道滤光片的制备过程如实施例1：
高损伤阈值红外双激光通道滤光片性能测试：如图4所示，高损伤阈值红外双激光通道滤光片在1550nm波长与3.4μm～3.6μm波段透过，其余波段截止。经测试，所述高损伤阈值红外双激光通道滤光片能实现在1550nm波长透射率大于98.7％，3.4μm～3.6μm波段透过率大于98.2％，截止区透过率小于0.1％，大大提高了检测信噪比，提高测量精确度，实现光学薄膜高损伤阈值，提升高功率激光系统输出。
对比实施例1
与实施例1的区别为用聚氯乙烯(C2H3Cl)n材料替换聚对苯二甲酸乙二醇酯(C10H8O4)n。经测试，聚氯乙烯材料在1550nm波长和3.4μm～3.6μm处都具有低折射率，高透射率，但其光和热稳定性差，不适用于高损伤激光器中。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施方式。但是凡是未脱离本发明技术原理的前提下，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与改型，皆应落入本发明的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，其特征在于：由基底及其表面的反射膜系构成；所述反射膜系由H层和L层交替叠加构成；
所述反射膜系具有以下结构：
SUB|0.92(HL)^22a1(HL)^n a2(HL)^n a3(HL)^n a4(HL)^n a5(HL)^n|AIR；
其中，
SUB表示基底，AIR表示空气，n表示反射膜系中(HL)的重复次数；
a1～a5表示反射膜系的中心波长位置为反射膜系中心波长λ的倍数；
n取值在20～25之间，H层和L层交替叠加总层数不低于222层；
a1～a5各自的取值在0～2之间；
H表示一个光学厚度的Ta2O5膜层；
L表示一个光学厚度的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层。
2.根据权利要求1所述的一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，其特征在于：所述基底为单晶硅、蓝宝石或K9玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，其特征在于：所述Ta2O5膜层的1/4光学厚度为188.207nm～448.52nm。
4.根据权利要求1所述的一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，其特征在于：所述聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层的1/4光学厚度为251.2nm～585.13nm。
5.根据权利要求1所述的一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，其特征在于：所述Ta2O5在3.4～3.6μm波段范围内，折射率n＝2.0066，透射率T＝0.91018；所述聚对苯二甲酸乙二醇酯在3.4～3.6μm波段范围内，折射率n＝1.5308～1.5381，透射率T＝0.97060～0.99381。
6.权利要求1～5任一项所述的一种高损伤阈值红外双激光通道滤光片，其特征在于：在基底表面通过离子溅射镀膜方式交替镀制Ta2O5膜层和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层，即得。
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