CN1146734C - 超窄带通光学薄膜滤光片及膜层厚度产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超窄带通光学薄膜滤光片，包括在一光学玻璃衬底上，依次真空蒸镀由低折射率的无序性膜层与高折射率的无序性膜层交替叠层多次组成的底层薄膜、由高折射率的无序性膜层与中间折射率的无序性膜层交替叠层多次组成的中间层薄膜和由高折射率的无序性膜层与中间折射率的无序性膜层交替叠层多次组成的顶层薄膜。无序性膜层是由随机涨落的方法产生的。由于这种膜系大大地降低了对制备中各层涨落控制上的精度要求，它非常适合于对这类滤光片成品率的提高或对制备这类滤光片设备要求的降低，有利于制备高质量的超窄带通光学薄膜滤光片。

Description

超窄带通光学薄膜滤光片及膜层厚度产生方法
                          技术领域
本发明涉及光学滤光片，具体是指超窄带通光学薄膜滤光片及膜层厚度产生方法。
                          背景技术
在目前的常规超窄带通光学薄膜滤光片制备中都采用在2个1/4波片构造的高反射层间夹一薄层的设计方案。这一方案可以给出带宽非常窄的滤光片，但它对薄膜制备中每一层的厚度控制要求非常严格，从而在实际制备中由于膜层的厚度微小涨落使滤光片的性能明显退化，或使得高性能的滤光片成品率大大下降。为此要实现半高宽窄、透过率高的优质超窄带通光学薄膜滤光片往往需要很高的成本。见Applied Optics Vol.33，No.16 P3513 High-Performance and highly stable0.3-nm-full-width-at-half-maximum interference optical filters和Applied OpticsVol.37，No.28 P6609 Bandpass filters for wavelength division multiplexing-modification of the spectral bandwidth.
                          发明内容
基于采用传统光学薄膜设计方案的上述缺点，人们期望能构造一种新的结构予以解决。因此任何一种可以缓解由于膜层涨落导致滤光片性能急剧下降的膜系结构都是很有实用价值的。本发明的目的在于通过提出一种无序性的膜层厚度及无序性的膜层厚度产生方法，大大地降低由于膜层厚度涨落导致的滤光片性能下降的幅度，进而大大地缓解了制备超窄带通光学薄膜滤光片的制备难度。
本发明的超窄带通光学薄膜滤光片的设计方案是：在一光学玻璃衬底上，依次真空蒸镀底层薄膜、中间层薄膜、顶层薄膜，他们的具体结构如图1(a)所示。
底层薄膜是由低折射率的无序性膜层与高折射率的无序性膜层交替叠层多次真空蒸镀组成，见图1(d)所示。
中间层薄膜是由高折射率的无序性膜层与中间折射率的无序性膜层交替叠层多次真空蒸镀组成，见图1(c)所示。
顶层薄膜是由低折射率的无序性膜层与高折射率的无序性膜层交替叠层多次真空蒸镀组成，见图1(b)所示。
所说的低折射率无序性膜层、中间折射率无序性膜层与高折射率无序性膜层是随机涨落的层厚，他们是通过以下方法产生的：以
                         di＝λ0/(4ni)
为每层材料的光学厚度，λ0为滤光片的中心波长，ni为第i层介质的折射率，然后对数值di进行随机变化，应用计算机计算语言的Fortran中数值为0到1的随机数函数Ran(idum)进行计算，将一个规则膜系变成一个无序型膜系，但这时的膜系透射光谱特性并非如期望的那样。接着采用随机探索式的优化过程，即，预先产生好期望的窄带滤光片的透射光谱曲线，根据λ0和带宽设定波长范围，在此范围内透射系数为1，其余波段透射系数均为0，经计算机运算产生无序性膜层，使得膜系的光谱特性能最终满足设计要求，在要求的波段上形成超窄带通滤光片。
由于这种膜系大大地降低了在制备滤光片过程中对各层厚度涨落控制上的精度要求，它非常适合于对这类滤光片成品率的提高或对制备这类滤光片设备要求的降低，有利于制备高质量的超窄带通光学薄膜滤光片。
                          附图说明
图1为无序性超窄带通薄膜滤光片的结构示意图。
图2为无序性膜层的随机探索式优化流程图，图中的di、dm均是储存层厚的1维数组；Ti和Ti均是储存膜系透射光谱的1维数组；差异函数是Ti数组和Ti数组间各数值间的差异值的平方和。
图3为无序性超窄带通薄膜滤光片的透射光谱图。
图4为无序型膜系的透射光谱随膜层随机涨落幅度的变化光谱图。
图5为四分之一波片膜系的透射光谱随膜层随机涨落幅度的变化光谱图。
                          具体实施方式
本实施例以氦氖激光线632.8纳米为滤光片的中心波长，在一光学玻璃衬底1上，依次真空蒸镀底层薄膜2、中间层薄膜3、顶层薄膜4。
底层薄膜2是由低折射率的石英无序性膜层5与高折射率的氧化钛无序性膜层6交替叠层12次真空蒸镀组成。
中间层薄膜3是由高折射率的氧化钛无序性膜层6与中间折射率的氧化铝无序性膜层7交替叠层8次真空蒸镀组成。
顶层薄膜4是由低折射率的石英无序性膜层5与高折射率的氧化钛无序性膜层6交替叠层12次真空蒸镀组成。
无序性膜层的厚度由：
1、根据各层已知的折射率，定出其四分之一波长厚度di＝632.8/(4ni)，其中ni为第i层介质的折射率；
2、对数值di进行随机的变化，应用计算机计算语言的Fortran中数值为0到1的随机数函数Ran(idum)，运行计算过程如下：
   idum＝-1
   do I＝1,63
di＝2*di*(1-Ran(idum))
   end do
   如此获得了第1到第63层介质厚度的初始值；
3、应用以下计算过程通过典型的随机探索式的优化过程可以获得下表1所示的各介质层厚度。在运行下述过程时，要预先产生好期望的窄带滤光片的透射光谱曲线，对本实施例的632.8纳米为中心波长带宽为0.1纳米，该透射光谱的特征是：波长范围在632.75纳米到632.85纳米时，透射系数为1，其余波段透射系数均为0。该光谱将在运行下述过程时被读入到数组Ti中。
4、由第3步获得的层厚dm便得到下表1中的各层厚度。
5、如果需要设计的窄带滤光片中心波长变化，或透射特性变化，只需重新给定设计透射光谱Ti，再运行第1到第4步即可，见图2。
然后采用常规的热蒸发镀膜机根据表1中所列的无序型膜层进行镀膜，在光学玻璃的衬底上，按表1中序号次序，从序号最大的第63层开始镀膜，依次镀到第1层。考虑到对热应力的消除，我们采用了石英、氧化钛和氧化铝3种介质的组合来形成本实施例的无序型膜系。由于本发明提出的无序型膜系对膜系中各层的控制精度要求不高，因此即便是通常控制精度达5％的很普通的热蒸发镀膜机也能制备出超窄带通光学薄膜滤光片。
表1
  薄层序号 折射率     厚度(纳米) 涨落后的层厚(纳米)
    1 石英：1.44     112     106
    2 氧化钛：2.2     372     355
    3 石英：1.44     112     107
    4 氧化钛：2.2     361     370
    5 石英：1.44     112     112
    6 氧化钛：2.2     301     310
    7 石英：1.44     112     110
    8 氧化钛：2.2     453     434
    9 石英：1.44     112     112
    10 氧化钛：2.2     355     349
    11 石英：1.44     112     109
    12 氧化钛：2.2     358     357
    13 石英：1.44     112     116
    14 氧化钛：2.2     344     331
    15 石英：1.44     112     112
    16 氧化钛：2.2     344     348
    17 石英：1.44     112     107
    18 氧化钛：2.2     54     51
    19 石英：1.44     112     108
    20 氧化钛：2.2     64     63
    21 石英：1.44     112     114
    22 氧化钛：2.2     68     64
    23 石英：1.44     112     109
    24 氧化钛：2.2     215     208
    25 氧化铝：1.79     161     162
    26 氧化钛：2.2     142     139
    27 氧化铝：1.79     161     161
    28 氧化钛：2.2     142     137
    29 氧化铝：1.79     161     167
    30 氧化钛：2.2     142     143
    31 氧化铝：1.79     161     161
    32 氧化钛：2.2     142     136
    33 氧化铝：1.79     161     168
    34 氧化钛：2.2     142     144
    35 氧化铝：1.79     161     157
    36 氧化钛：2.2     142     133
    37 氧化铝：1.79     161     157
    38 氧化钛：2.2     142     143
    39 氧化铝：1.79     161     154
    40 氧化钛：2.2     72     74
    41 石英：1.44     112     105
    42 氧化钛：2.2     73     74
    43 石英：1.44     112     111
    44 氧化钛：2.2     78     75
    45 石英：1.44     112     116
    46 氧化钛：2.2     82     80
    47 石英：1.44     112     116
    48 氧化钛：2.2     91     91
    49 石英：1.44     112     112
    50 氧化钛：2.2     88     86
    51 石英：1.44     112     113
    52 氧化钛：2.2     88     84
    53 石英：1.44     112     111
    54 氧化钛：2.2     92     95
    55 石英：1.44     112     115
    56 氧化钛：2.2     154     158
    57 石英：1.44     112     112
    58 氧化钛：2.2     71     69
    59 石英：1.44     112     116
    60 氧化钛：2.2     105     101
    61 石英：1.44     112     116
    62 氧化钛：2.2     130     134
    63 石英：1.44     112     114
本实施例制备的滤光片获得的透射光谱如图3所示。其中实线为采用表1中的无序型膜系产生的透射谱，而虚线则为在实线对应的膜系基础上各层有随机的5％厚度涨落情况下的无序型膜系产生的透射谱。由图3可见透射光谱的半高宽已小于0.1纳米，而最高透过率为96％。当膜系中的各膜层有5％的随机涨落时，其半高宽仍小于0.1纳米，而最高透过率仍有93％，对薄膜的透射特性影响甚小。涨落后的膜系各层厚度也列于表格之中。较明显的影响是透射峰有0.15纳米的移动，而这种峰位的移动可以在使用时通过调节入射角度得以克服。
为了更明确地表述本发明提出的无序型膜系在超窄带通滤光片应用中的优点，在图4和图5中给出了应用无序型膜系和采用传统的四分之一波片构成的膜系各自在膜层涨落情况下的变化情况。由图4可见，对应于无序型的膜系，在膜层的涨落幅度从0％增大到25％，透射率的最大值没有衰退。相反，由图5可见，对应于四分之一波片形成的传统的膜系，当膜层的涨落幅度达到20％时，透过率的最大值已降低了5倍，即20％处。为此传统的膜系对膜层的涨落幅度比本专利提出的无序型膜系敏感得多。所以采用传统的膜系使超窄带通滤光片的制备难度很大。
比较图4和图5我们还注意到无序型膜系的带通滤光片的透光峰位对膜系的涨落敏感性也要比传统的四分之一波片膜系要小近3倍，这也使无序型的膜系对所制备的薄膜横向均匀性的要求下降了3倍，这同样对制备高质量的超窄带通滤光片的成品率提高有很大的帮助。
本发明可以有如下积极效果和优点：
本发明提供的带通滤光片的半高宽已小于0.1纳米，使λ/Δλ大于6300，同时透射率达到96％。且在镀膜系统对膜层控制精度降低到5％水平时半高宽与透射率均无明显变化，半高宽仍小于0.1纳米，透射率为93％，表现出对镀膜设备控制精度要求的不敏感性，十分有利于这类薄膜制备的成品率提高或设备成本的降低，这方面的特性是传统的λ/4膜系为代表的周期性膜系无法实现的。
2.本发明采用无序型膜系形成超窄带通滤光片其峰位对膜系中的膜层涨落敏感性要比传统的λ/4膜系为代表的周期性膜系形成的超窄带通滤光片低约3倍，这样由于膜系的横向不均匀性导致的透过率下降效应将被抑制3倍，使膜系的透射率由于横向不均匀导致的下降量减少3倍。

Claims (4)

1.一种超窄带通光学薄膜滤光片，包括在一光学玻璃衬底(1)上，依次真空蒸镀底层薄膜(2)、中间层薄膜(3)、顶层薄膜(4)，其特征在于：
底层薄膜是由低折射率的无序性膜层(5)与高折射率的无序性膜层(6)交替叠层多次真空蒸镀组成；
中间层薄膜是由高折射率的无序性膜层(6)与中间折射率的无序性膜层(7)交替叠层多次真空蒸镀组成；
顶层薄膜是由低折射率的无序性膜层(5)与高折射率的无序性膜层(6)交替叠层多次真空蒸镀组成。
2.根据权利要求1一种超窄带通光学薄膜滤光片，其特征在于：所说的低折射率的无序性膜层(5)为石英材料，高折射率的无序性膜层(6)为氧化钛材料，中间折射率的无序性膜层(7)为氧化铝材料。
3.根据权利要求1一种超窄带通光学薄膜滤光片，其特征在于：所说的高折射率无序性膜层(6)与中间折射率无序性膜层(7)交替叠层8次。
4.根据权利要求1一种超窄带通光学薄膜滤光片，其特征在于：所说的低折射率无序性膜层(5)、中间折射率无序性膜层(7)与高折射率无序性膜层(6)是随机涨落的层厚，他们是通过以下方法产生的：以
                           di＝λ0/(4ni)
为每层材料的光学厚度，λ0为滤光片的中心波长，ni为第i层介质的折射率，然后对数值di进行随机变化，应用Fortran语言中的数值为0到1的随机数函数进行计算，将一个规则膜系变成一个无序型膜系，接着采用随机探索式的优化过程，即，预先产生好期望的窄带滤光片的透射光谱曲线，根据λ0和带宽设定波长范围，在此范围内透射系数为1，其余波段透射系数均为0，经计算机运算产生无序性的层厚dm。
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