CN114706153A - 一种10600nm波长超窄带滤光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种10.6μm波长超窄带滤光片及其制备方法。在基底表面通过离子溅射镀膜方式交替镀制碳化硼膜层和氟化锶膜层，即得10.6μm波长超窄带滤光片。该超窄带滤光片的中心波长为10600nm，带宽为16～54nm，峰值透射率大于等于98％，截止区最大透射率小于1％，且镀膜层结构具有密度低、强度高、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，赋予滤光片较好的硬度和耐磨性，能够延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤光片，特别涉及一种10.6μm波长超窄带滤光片及其制备方法，属于光学薄膜制备技术领域。
背景技术
带通滤光片在光学、光谱学、激光、天文物理等各个领域具有非常重要的作用。带通滤光片分为宽带滤光片，窄带滤光片和超窄带滤光片。超窄带滤光片在激光切割/焊接/打标、光通信发展起到的推动作用。在激光切割/焊接/打标等应用中，CO2高能激光器是应用比较广泛的一种方式，准直的激光光束通过一个物镜聚焦在材料表面以用于加工激光切割。这样的方式对滤光片的损伤较大，要求10.6μmm超窄带滤光片具有长寿命、高可靠性及高强度。
发明内容
为解决上述缺陷，本发明的第一个目的在于提供一种10.6μm波长超窄带滤光片，该超窄带滤光片的中心波长为10600nm，带宽为16～54nm，峰值透射率大于等于98％，截止区最大透射率小于1％，且镀膜层结构具有密度低、强度高、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，赋予滤光片较好的硬度和耐磨性，能够延长其使用寿命。
本发明的第二个目的是在于提供一种10.6μm波长超窄带滤光片的制备方法，该方法操作简单，原料成本低，技术要求低，有利于大规模生产，且该方法通过采用离子溅射镀膜方式来生成碳化硼膜层和氟化锶膜层，不但增强了膜层与基底之间的附着力，改善了10.6μm波长超窄带滤光片抗强度能力差，抗损伤能力差的现象，从而降低了生产滤光片的废品率和生产成本，而且提高了滤光片平均透过率，降低了滤光片平均反射率，优化了滤光片的硬度和耐磨性，延长使用寿命。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种10.6μm波长超窄带滤光片，其由基底及其表面的膜系构成；所述膜系由H层和L层交替叠加构成；所述膜系结构为：Sub/(HL)^nH2LH(LH)^n L a1Ha2L/Air；其中，Sub表示基底；Air表示空气；H表示四分之一波长光学厚度的碳化硼膜层；L表示四分之一波长光学厚度的氟化锶膜层。n表示(HL)的重复次数，n取值2～6之间；a1～a2表示膜系的中心波长位置为膜系中心波长λ的倍数，取值0～2之间。
本发明的提供的10.6μm波长超窄带滤光片，通过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10.6μm波长超窄带滤光片。经测试，10.6μm超窄带红外滤光片的中心波长为10600nm，带宽为16～54nm，峰值透射率大于等于98％，截止区最大透射率小于1％。且采用碳化硼和氟化锶作为镀膜材料，具有密度低、强度高、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，赋予滤光片较好的硬度和耐磨性，能够延长其使用寿命。
作为一个优选的方案，所述基底为单晶锗。
作为一个优选的方案，所述碳化硼膜层的1/4光学厚度为216.28nm～1586.32nm。
作为一个优选的方案，所述氟化锶膜层的1/4光学厚度为591.21nm～4800.27nm。
作为一个优选的方案，所述碳化硼在10.6μm波段，折射率n＝3.2912，透射率T＝0.97029。碳化硼B4C是高折射率材料，具有密度低、强度高、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，碳化硼在10.6μm波长折射率为n＝3.2912，在10.6μm波长具有极高透射率，T＝0.97029。
作为一个优选的方案，所述氟化锶在10.6μm波段，折射率n＝1.3560，透射率T＝0.99924。氟化锶SrF2是低折射率材料，具有密度低、强度高、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，在10.6μm波长折射率n＝1.3560，在10.6μm波长具有极高透射率，T＝0.99924。
本发明还提供了一种10.6μm波长超窄带滤光片的制备方法，该方法是在基底表面通过离子溅射镀膜方式交替镀制碳化硼膜层和氟化锶膜层，即得。
本发明提供的一种10.6μm波长超窄带滤光片的制备方法，该方法操作简单，技术要求低，有利于大规模生产，且该方法通过离子溅射镀膜方式在Ge基底上生成交替叠加的碳化硼B4C膜层和氟化锶SrF2膜层。离子溅射镀膜采用现有常见的离子溅射镀膜设备，BSV1030。所述碳化硼B4C膜层的镀膜沉积速率为1.9nm/s，所述氟化锶SrF2膜层的镀膜沉积速率为2.8nm/s。采用16cm的射频离子源轰击靶材，交替镀制碳化硼B4C和氟化锶SrF2两种材料，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*106Tor，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。通过采用离子溅射镀膜方式来生成碳化硼膜层和氟化锶膜层，不但增强了膜层与基底之间的附着力，改善了10.6μm波长超窄带滤光片抗强度能力差,抗损伤能力差的现象，从而降低了生产滤光片的废品率和生产成本，而且提高了滤光片平均透过率，降低了滤光片平均反射率，优化了滤光片的硬度和耐磨性，延长使用寿命。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：
本发明提供的10.6μm波长超窄带滤光片，该超窄带滤光片以Ge为基底，以碳化硼B4C和氟化锶SrF2作为镀膜材料。碳化硼B4C和氟化锶SrF2具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，赋予了滤光片较好的硬度和耐磨性，能够延长使用寿命，并且通过对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等参数进行优化，获得10.6μm超窄带红外滤光片的中心波长为10600nm，带宽为16～54nm，峰值透射率大于等于98％，截止区最大透射率小于1％。在使用过程中，10.6μm波长超窄带滤光片在10.6μm波长处具有高透射率，其他波段截止，使高能激光器得到更为精确的加工模式。
本发明提供的10.6μm波长超窄带滤光片的制备方法操作简单，对技术要求低，有利于大规模生产，且该方法通过采用离子溅射镀膜方式来生成碳化硼B4C膜层和氟化锶SrF2膜层，不但增强了膜层与基底之间的附着力，改善了10.6μm波长超窄带滤光片抗强度能力差，抗损伤能力差的现象，从而降低了生产滤光片的废品率和生产成本，而且提高了滤光片平均透过率，降低了滤光片平均反射率，优化了滤光片的硬度和耐磨性，延长使用寿命。
附图说明
图1为10.6μm波长超窄带滤光片示意图。
图2为碳化硼B4C材料在10.6μm波长处的折射率与透射率光谱图。
图3为氟化锶SrF2材料的在10.6μm波长处的折射率与透射率光谱图。
图4为实施例3制备的10.6μm波长超窄带滤光薄膜的透过率曲线。
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。
以下实施例中碳化硼膜层的1/4光学厚度为805.177nm；所述氟化锶膜层的1/4光学厚度为1954.27nm。
实施例1
本实施例提供的一种10.6μm波长超窄带滤光片结构示意图如图1所示。包括单晶锗基底1与B4C薄膜材料2、SrF2薄膜材料3，设计的具体膜系由H层和L层交替叠加构成：Sub/(HL)^3H2LH(LH)^3L 0.65H0.65L/Air。
B4C是高折射率镀膜材料，具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，如图2所示B4C在10.6μm波长折射率为n＝3.2912，在10.6μm波长具有极高透射率，T＝0.97029；SrF2是低折射率镀膜材料，具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，如图3所示在10.6μm波长折射率n＝1.3560，在10.6微米波长具有极高透射率，T＝0.99924。超窄带滤光片的制备方法采用现有常见的离子溅射镀膜设备，BSV1030。所述碳化硼B4C膜层的镀膜沉积速率为1.9nm/s，所述氟化锶SrF2膜层的镀膜沉积速率为2.8nm/s。采用16cm的射频离子源轰击靶材，交替镀制碳化硼B4C和氟化锶SrF2两种材料，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*106Tor,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。
最终获得的10.6μm波长超窄带滤光片，经测试，10.6μm超窄带红外滤光片的中心波长为10600nm，带宽为27nm，峰值透射率为99.7％，截止区最大透射率小于1％。且采用碳化硼和氟化锶作为镀膜材料，具有密度低、强度高、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，赋予滤光片较好的硬度和耐磨性，能够延长其使用寿命。
实施例2
本实施例设计的具体膜系由H层和L层交替叠加构成：Sub/(HL)^3H2LH(LH)^3L0.65H0.75L/Air。
超窄带滤光片的制备方法如实施例1。
最终获得的10.6μm波长超窄带滤光片，经测试，10.6μm超窄带红外滤光片的中心波长为10600nm，带宽为54nm，峰值透射率为99.8％，截止区最大透射率小于1％。且采用碳化硼和氟化锶作为镀膜材料，具有密度低、强度高、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，赋予滤光片较好的硬度和耐磨性，能够延长其使用寿命。
实施例3
本实施例设计的具体膜系由H层和L层交替叠加构成：Sub/(HL)^3H2LH(LH)^3L(HL)^3H2LH(LH)^3L0.65H0.75L/Air。
超窄带滤光片的制备方法如实施例1。
最终获得的10.6μm波长超窄带滤光片，经测试，10.6μm超窄带红外滤光片的中心波长为10600nm，带宽为36nm，峰值透射率为98.7％，截止区最大透射率小于1％。且采用碳化硼和氟化锶作为镀膜材料，具有密度低、强度高、高温稳定性以及化学稳定性好等特点，赋予滤光片较好的硬度和耐磨性，能够延长其使用寿命。10.6μm波长超窄带滤光薄膜的透过率曲线如图4所示。
对比实施例1
与实施例1的区别在于：将以氟化锶SrF2镀膜材料替换成SiO2镀膜材料，调整后的重新设计膜系结构，发现以Ge为基底，以碳化硼B4C和SiO2作为镀膜材料无法实现10.6μm波长超窄带红外滤光片，原因是经测试，SiO2在0.21μm～6.7μm具有很好的共振吸收，但在10.6μm处不透光，不适用作为10.6μm波长。
对比实施例2
与实施例1的区别在于：将膜系结构的设计由Sub/(HL)^n H2LH(LH)^n La1Ha2L/Air替换为Sub/(HL)^n H2LH(LH)^n L/Air，因为缺少与空气的匹配层以此得到的膜系结构不成立，无法实现10.6um超窄带红外滤光片。
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10.6μm波长超窄带滤光片，其特征在于：由基底及其表面的膜系构成；所述膜系由H层和L层交替叠加构成；
所述膜系结构为：Sub/(HL)^n H2LH(LH)^n La1Ha2L/Air；
其中，
Sub表示基底；Air表示空气；
H表示四分之一波长光学厚度的碳化硼膜层；
L表示四分之一波长光学厚度的氟化锶膜层；
n表示(HL)的重复次数，n取值2～6之间。
a1～a2表示膜系的中心波长位置为膜系中心波长λ的倍数，取值0～2之间。
2.根据权利要求1所述的一种10.6μm波长超窄带滤光片，其特征在于：所述基底为单晶锗。
3.根据权利要求1所述的一种10.6μm波长超窄带滤光片，其特征在于：所述碳化硼膜层的1/4光学厚度为216.28nm～1586.32nm。
4.根据权利要求1所述的一种10.6μm波长超窄带滤光片，其特征在于：所述氟化锶膜层的1/4光学厚度为591.21nm～4800.27nm。
5.根据权利要求1所述的一种10.6μm波长超窄带滤光片，其特征在于：
所述碳化硼在10.6μm波段，折射率n＝3.2912，透射率T＝0.97029；
所述氟化锶在10.6μm波段，折射率n＝1.3560，透射率T＝0.99924。
6.权利要求1～5任一项所述的一种10.6μm波长超窄带滤光片的制备方法，其特征在于：在基底表面通过离子溅射镀膜方式交替镀制碳化硼膜层和氟化锶膜层，即得。
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