CN1226639C - 滤光片式分光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滤光片式分光元件，它是通过设计一系列透射峰位连续的超窄带通滤光片，并将其集成在一起形成滤光片式的分光元件。它包括：二片衬底，二片衬底的一表面各镀有完全相同的无序型膜系，在二无序型膜系之间的四周边缘粘有高分子聚合物材料制成的微米小球胶，使其真空密封固定成一体，中间形成一真空层。其中一片衬底的无序型膜系是镀在深浅渐变的凹槽列阵上的。本发明的分光元件结构简单、体积小，分出的光束单色性好。如果加上入射狭缝和出射狭缝就可以构成一个完整的单色仪，非常有利于与其它系统的组合，构成各种光谱测量系统。
Description
技术领域
本发明涉及分光元件，具体是指由多个带通滤光片集成的分光元件。
背景技术
目前已有的分光元件主要有棱镜和光栅两种。棱镜分光的原理是利用不同波长光的折射率不同，当它们通过棱镜时，传播方向会发生不同程度的偏折，因而光在离开棱镜后便被分离开来，达到分光的目的。棱镜式分光元件所适用的波长范围与棱镜所用的光学材料有关，它的缺点是分出的光束带宽较宽、分辨率较低，而且使用范围受到棱镜所用材料的制约。
光栅分光则是根据光栅公式dsinθ＝kλ，其中d为光栅的缝间距离、θ为衍射角、k为衍射级次、λ为光的波长，当不同波长的光经过光栅后，由于衍射角θ不同就会被分离开来。光栅的缝间距离d越小，不同波长之间的光就分得越开。它的缺点是会存在二级衍射光谱，这种二级衍射光的影响发生在波长整数倍的光谱段。为了减小二级衍射的影响，通常需要与截止滤光片组合使用。
发明内容
基于上述已有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能分出带宽较窄的、使用方便的滤光片式的分光元件。
本发明的分光元件是通过设计一系列透射峰位连续的超窄带通滤光片，并将其集成在一起形成滤光片式的分光元件。
本发明的滤光片式分光元件包括：二片相对的衬底，所述二片衬底的相对两个表面各镀有完全相同的无序型膜系，在二无序型膜系之间的四周边缘粘有高分子聚合物材料制成的微米小球胶，所述微米小球胶与二片衬底间形成一真空层；
所说的无序型膜系是由低折射率的二氧化硅膜层与高折射率的五氧化二钽膜层交替叠层至少12次构成的，每一膜层的厚度是随机涨落的层厚；
所述的第一衬底的两个表面是平面，无序型膜系是镀在其相对于所述第二衬底的平面上的，所述第二衬底的一个表面是平面，另一个表面相对于所述第一衬底刻有深度不同的凹槽列阵，无序型膜系是镀在有凹槽列阵的一面上的，凹槽深度差根据分光要求定；
所述的凹槽列阵是m×n凹槽列阵，m和n均为小于16的偶数。
本发明的滤光片式分光元件的工作原理是基于本发明人在2002年申请的类似于F-P干涉仪结构的“双层无序型超窄带通光学薄膜滤光片”，即在某一波段范围内，当所设计的超窄带通滤光片的透射峰位一定时，真空层的厚度也一定，如改变真空层的厚度，即改变上下层无序型膜系之间的间距时，超窄带通滤光片的透射峰位会随之移动。因此只要在一衬底上制作深浅不同的凹槽列阵，然后在其上镀制无序型膜系，那么在不同区域的上下层无序型膜系间的真空层厚度就不同，所对应的透射峰位也就不同，从而使得每个凹槽区域只能通过一种单色光，通过控制凹槽阵列深度的渐变，相当于把大量透射峰位渐变的超窄带通滤光片集成到一小块片子上，这样就可以得到分光精细，单色性很好的光束。
本发明的分光元件具有以下优点：
1.分出的光束透过率高、单色性好；
2.结构简单、体积小，如果加上入射狭缝和出射狭缝就可以构成一个完整的单色仪，非常有利于与其它系统的组合，构成各种光谱测量系统。
附图说明
图1为本实施例刻蚀凹槽列阵所用的掩模板，a图为第1次刻蚀凹槽列阵所用的掩模板，b图为第2次刻蚀凹槽列阵所用的掩模板，c图为第3次刻蚀凹槽列阵所用的掩模板，d图为第4次刻蚀凹槽列阵所用的掩模板，e图为第5次刻蚀凹槽列阵所用的掩模板。
图2a为刻蚀有凹槽列阵的衬底平面图，图2b为图2a的剖面图。
图3为本发明的分光元件的剖面结构示意图。
图4为经本实施例分光元件分出的32束单色光的光谱图。
具体实施方式
下面以8×4凹槽列阵，分光波段在510.0nm-540.0nm为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
1.衬底的制备
(1)凹槽深度的设计
根据所设计的膜系可知膜系的中心透射峰位为λ0及相应真空层的初始厚度为t0，然后将真空层厚度改为t1，则相应的透射峰位会变成λ1，由此可得出改变单位透射峰位所需改变真空层厚度的量为
，所以真空层的厚度t与相对应的透射峰位λ的关系为：
由于两膜系间真空层厚度t＝小球直径+凹槽深度，因此，各透射峰位所对的凹槽深度＝两膜系间真空层厚度t-小球直径。
根据上述计算可得出本实施例8×4不同深度凹槽列阵的分布，见表1。
(2)凹槽的刻蚀
衬底材料为石英，大小为分光元件的二倍，其一半为第一衬底1，另一半为第二衬底2，第二衬底2的四周留5-10mm用于小球粘接用，其余作刻蚀凹槽列阵用。凹槽的刻蚀利用成熟的离子刻蚀工艺，根据表1凹槽深度的排列，我们可以采用5块不同刻蚀区域形状的掩膜板叠加套刻，见图1。刻蚀顺序依次是采用图1中的a图形状的掩膜板、b图形状的掩膜板、c图形状的掩膜板、d图形状的掩膜板、e图形状的掩膜板对第二衬底2进行叠加套刻，各图在叠加时，刻蚀区域6是相互垂直的。总共只需5次刻蚀，就可以形成不同深度的8×4凹槽列阵，见表2。同样我们也可只经过少数几次刻蚀，就很容易地形成m×n凹槽列阵，m和n均为偶数，一般m、n小于16匀能实现。
2.无序型膜系的制备
在带有凹槽列阵的整个衬底面上通过真空镀膜方法镀制无序型膜系3，所说的无序型膜系3是由低折射率的二氧化硅膜层与高折射率的五氧化二钽膜层交替叠层至少12次构成的，每一膜层的厚度是随机涨落的层厚，其产生方法首先以每层材料光学厚度的1/4中心波长530nm处为参考点，形成每层光学厚度均为1/4波长的膜系，然后对每层的光学厚度作一个随机涨落的变化，其产生方法请见中国专利号：01139082.4。最后形成如表3所示的二氧化硅与五氧化二钽经过随机涨落后的层厚。然后在衬底上，按表3中序号次序，从序号最大的第24层开始镀膜，依次镀到第1层。由于本发明中提出的无序型膜系对膜系中各层膜厚的控制精度要求不高，因此即便是很普通的通常控制精度达5％的热蒸发镀膜机也能镀制。
3.分光元件的装配
将镀好无序型膜系的衬底按图2中的虚线一分为二，形成第一衬底1和第二衬底2，然后在二无序型膜系之间的四周边缘粘上高分子聚合物材料制成的微米小球胶4，使其真空密封固定成一体，中间形成一真空层5。由于微米小球胶是由粒度均匀的塑料小球组成，在压力的作用下会铺展成单层结构，此时上下两片之间的距离就是微米小球胶的直径加凹槽的深度，可以调节压力使得微米小球胶发生形变，从而将上下两片之间的距离调节到设计位置，然后加热使胶定型，固定上下两片之间的距离，即构成了本发明的滤光片式的分光元件，见图3。图4为经本发明的滤光片式分光元件分出的32束单色光。
表1 8×4凹槽阵列的凹槽深度及所对应的透射峰位
| 序号 | 两膜系间夹层距离(nm) | 凹槽深度(nm) | 所对应的透射峰位(nm) |
| 1 | 1807.8 | 807.8 | 511.0 |
| 2 | 1811.8 | 811.8 | 511.9 |
| 3 | 1815.8 | 815.8 | 512.9 |
| 4 | 1819.8 | 819.8 | 513.8 |
| 5 | 1823.8 | 823.8 | 514.8 |
| 6 | 1827.8 | 827.8 | 515.7 |
| 7 | 1831.8 | 831.8 | 516.7 |
| 8 | 1835.8 | 835.8 | 517.6 |
| 9 | 1839.8 | 839.8 | 518.6 |
| 10 | 1843.8 | 843.8 | 519.5 |
| 11 | 1847.8 | 847.8 | 520.5 |
| 12 | 1851.8 | 851.8 | 521.5 |
| 13 | 1855.8 | 855.8 | 522.4 |
| 14 | 1859.8 | 859.8 | 523.4 |
| 15 | 1863.8 | 863.8 | 524.3 |
| 16 | 1867.8 | 867.8 | 525.3 |
| 17 | 1871.8 | 871.8 | 526.2 |
| 18 | 1875.8 | 875.8 | 527.2 |
| 19 | 1879.8 | 879.8 | 528.1 |
| 20 | 1883.8 | 883.8 | 529.1 |
| 21 | 1887.8 | 887.8 | 530.0 |
| 22 | 1891.8 | 891.8 | 530.9 |
| 23 | 1895.8 | 895.8 | 531.9 |
| 24 | 1899.8 | 899.8 | 532.8 |
| 25 | 1903.8 | 903.8 | 533.7 |
| 26 | 1907.8 | 907.8 | 534.6 |
| 27 | 1911.8 | 911.8 | 535.5 |
| 28 | 1915.8 | 915.8 | 536.4 |
| 29 | 1919.8 | 919.8 | 537.3 |
| 30 | 1923.8 | 923.8 | 538.2 |
| 31 | 1927.8 | 927.8 | 539.1 |
| 32 | 1931.8 | 931.8 | 540.0 |
注：两膜系间夹层距离＝小球直径+凹槽深度，其中小球直径＝1000nm
表2 相应单元的总刻蚀深度
| 0 | E | C | CE | A | AE | AC | ACE |
| D | DE | CD | CDE | AD | ADE | ACD | ACDE |
| B | BE | BC | BCE | AB | ABE | ABC | ABCE |
| BD | BDE | BCD | BCDE | ABD | ABDE | ABCD | ABCDE |
表3 透射峰位λ0为530.0nm双层超窄带通滤光片的膜系
| 膜层序号 | 折射率 | 厚度(nm) |
| 1 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 15.1 |
| 2 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 14.0 |
| 3 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 26.4 |
| 4 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 24.5 |
| 5 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 6 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 117.4 |
| 7 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 8 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 52.0 |
| 9 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 10 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 54.6 |
| 11 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 12 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 47.8 |
| 13 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 14 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 73.4 |
| 15 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 16 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 49.3 |
| 17 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 18 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 41.6 |
| 19 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 20 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 65.8 |
| 21 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 34.3 |
| 22 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 49.8 |
| 23 | 二氧化硅：n＝1.44，k＝1e-5 | 84.3 |
| 24 | 五氧化二钽：n＝2.16，k＝1e-6 | 56.9 |
| 两膜系间夹层 | 真空：n＝1.0，k＝0 | 1887.8 |
Claims (2)
1.一种滤光片式分光元件包括：二片相对的衬底，所述二片衬底的相对两个表面各镀有完全相同的无序型膜系(3)，在二无序型膜系之间的四周边缘粘有高分子聚合物材料制成的微米小球胶(4)，所述微米小球胶(4)与二片衬底间形成一真空层(5)；
其特征在于：所说的无序型膜系(3)是由低折射率的二氧化硅膜层与高折射率的五氧化二钽膜层交替叠层至少12次构成的，每一膜层的厚度是随机涨落的层厚；
所述的第一衬底(1)的两个表面是平面，无序型膜系是镀在其相对于所述第二衬底的平面上的，所述第二衬底(2)的一个表面是平面，另一个表面相对于所述第一衬底刻有深度不同的凹槽列阵(5)，无序型膜系是镀在有凹槽列阵的一面上的，凹槽深度差根据分光要求定；
所述的凹槽列阵是m×n凹槽列阵，m和n均为小于16的偶数。
2.根据权利要求1的一种滤光片式分光元件，其特征在于：所说的衬底材料为石英。
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