CN207571335U - 用于1064nm的变角窄带滤光膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种用于1064nm的变角窄带滤光膜，包括：F‑P型多腔窄带滤光片，所述F‑P型多腔窄带滤光片由滤光片基底，以及分别设置在滤光片基底两面的特性相同的反射膜系构成；所述滤光片基底为HB850颜色玻璃，用于截止掉810nm以下的光谱；长波带通滤光膜，所述长波带通滤光膜镀制在所述F‑P型多腔窄带滤光片的外侧，用于将800nm～970nm波段的光能量截止掉。本实用新型技术固化工艺后，形成的薄膜产品针对1064nm激光工作波长，具备膜层均匀性好，高峰值透过率大于90％，高带外抑制比小于1/1000，中心波长稳定性好，可变角度范围为0°‑20°，膜层损耗及应力小、牢固度高等优点。

Description

用于1064nm的变角窄带滤光膜

技术领域

本实用新型涉及滤光膜技术领域，尤其是一种用于1064nm的变角窄带滤光膜。

背景技术

窄带滤光膜是一种附着于光学镜片材料表面的介质涂层，基于干涉原理，可以在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被抑制，窄带滤光膜的通过波段相对较窄，一般为中心波长值的5％以下。

现有技术的窄带滤光薄膜是针对特定单一角度入射光的情况，并且相关的滤光膜相对于其它种类的薄膜存在可变角度设计、材料选择、损伤机理分析、均匀性和抗激光能力提升以及制备工艺方面的多个技术难点，这已经制约了激光系统性能的有效提升。

因此，现有技术需要改进。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于1064nm的变角窄带滤光膜，以解决上述问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供的一种用于1064nm的变角窄带滤光膜，包括：F-P型多腔窄带滤光片，所述F-P型多腔窄带滤光片由滤光片基底，以及分别设置在滤光片基底两面的特性相同的反射膜系构成；

所述滤光片基底为HB850颜色玻璃，用于截止掉810nm以下的光谱；

长波带通滤光膜，所述长波带通滤光膜镀制在所述F-P型多腔窄带滤光片的外侧，用于将800nm～970nm波段的光能量截止掉。

基于本实用新型的用于1064nm的变角窄带滤光膜的另一个实施例中，所述长波带通滤光膜选取TaO₂和SiO₂材料。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

本实用新型技术固化工艺后，形成的薄膜产品针对1064nm激光工作波长，具备膜层均匀性好，高峰值透过率大于90％，高带外抑制比小于1/1000，中心波长稳定性好，可变角度范围为0°-20°，膜层损耗及应力小、牢固度高等优点。

在入射角为0°时，其性能参数为：λ＝1064±3nm，峰值透过率T％>85％，半波带宽HBW＝70nm±5nm，700-1000nm和1165-1250nm，平均透过率T％<2％；

在入射角为20°时，其性能参数为：λ＝1064±3nm，峰值透过率T％>85％，半波带宽HBW＝70nm±5nm，700-980nm和1149-1250nm，平均透过率T％<2％。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同描述一起用于解释本实用新型的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本实用新型，其中：

图1为本实用新型的用于1064nm的变角窄带滤光膜的一个实施例的结构示意图。

图2为本实用新型的用于1064nm的变角窄带滤光膜的制造工艺的一个实施例的流程图。

图3为本实用新型的用于1064nm的变角窄带滤光膜的制造工艺的另一个实施例的流程图。

图中：1F-P型多腔窄带滤光片、11滤光片基底、12反射膜系、2长波带通滤光膜。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供的一种用于1064nm的变角窄带滤光膜，包括：

F-P型多腔窄带滤光片1，所述F-P型多腔窄带滤光片1由滤光片基底11，以及分别设置在滤光片基底11两面的特性相同的反射膜系12构成；

所述滤光片基底11为HB850颜色玻璃，用于截止掉810nm以下的光谱；

长波带通滤光膜2，所述长波带通滤光膜2镀制在所述F-P型多腔窄带滤光片1的外侧，用于将800nm～970nm波段的光能量截止掉。

所述长波带通滤光膜2选取TaO₂和SiO₂材料。

对于滤光膜系12的设计，其基本原则就是在给定滤光片基底11的基底材料的前提下，尽可能通过最少的膜层数，实现尽可能高的透过率，同时考虑滤光片基底11与反射膜系12之间、长波带通滤光膜2与F-P型多腔窄带滤光片1之间的匹配，避免应力的集中，保证滤光片基底11与反射膜系12之间、长波带通滤光膜2与F-P型多腔窄带滤光片1之间结合的牢固性。以双波区的宽带增透为例，初始滤光膜系12的构建，必须从实现相应波区反射率为0或极小为原则,在此基础上应以最少的膜层实现最好的结果。对于多层增透膜其特征矩阵为：

其中

滤光片基底11与反射膜系12之间的组合导纳为Y＝C/B。其透射率计算为：

对于垂直入射的反射膜系12厚度为四分之一波长的单层膜，其导纳为：

从而得到反射膜系12的零反射的条件为：

采用等厚度三层膜设计双波长(λ₁、λ₂)减反射膜，一组无吸等厚度的三层膜系，在位相δ′对应的波长处和π-δ′对应的波长处给出相同的反射率。一个波长处减反射，另一波长处也减反射。上述理论用方程表达为：

可以确定反射膜系12的δ′和λ₀。由于适合公式(1)的反射膜系12在位相δ′对应的波长λ₁处满足零反射的同时，在位相π-δ′对应的波长λ₂处也满足零反射，因此只需考虑该反射膜系12在一个波长位置λ₁的情况。

用矢量方法计算反射膜系12在λ₁处的振幅反射系数：

其中δ₁＝δ₂＝δ₃＝δ′，代入公式(6)，确定n₁、n₂、n₃之间的关系。选定一种材料n₁，可以计算出n₂、n₃。由于实际可用的薄膜材料是非常有限的，这时可用对称膜系等效实现。

由于滤光片基底11的透射率要求高、带宽窄、中心波长容差小，常规光学镀膜技术研制滤光片的方法已经很难实现，需要采用密集光波分复用相关的多腔F-P结构薄膜设计方法。F-P干涉结构由两个特性相同的反射膜系12中间夹一个滤光片基底11构成，其半宽度为15nm，通带近似三角形，截止度不高。滤光片腔数越多，通带曲线的矩形度越好，但是滤光片的通带波纹并非随着腔层数的增加而存在必然的规律。

反射膜系12：G|K(HLHL2HLHLHL)|A，其中：L为SiO2，H为TaO₂；K为系数。膜系设计中避开了松软、易吸潮的氟化镁(MgF₂)、氟化钡(BaF₂)等膜料，采用了膜层强度好的材料，保证了膜层稳定性；其次，反射膜系12设计中采用了位相厚度δ_p和δ_q较小的一组解，使反射膜系12的总光学厚度比一般滤光膜薄，从而降低膜层的吸收，提高膜层的光谱透过率。

F-P型多腔窄带滤光片1在910nm附近有次峰凸起，虽然F-P型多腔窄带滤光片1的滤光片基底11采用HB850颜色玻璃，可以截止掉810nm以下的光谱，但仍然需要镀制一个加宽截止带的长波带通滤光膜2将800nm～970nm波段的光能量截止掉，长波带通滤光膜2采用TaO₂和SiO₂材料，以MCalc软件优化衔接层，非规整膜系层数达到47层。

图2为本实用新型的用于1064nm的变角窄带滤光膜的制造工艺的一个实施例的流程图，如图2所示，所述用于1064nm的变角窄带滤光膜的制造工艺，包括：

10，利用Optilayer薄膜设计软件，采用密集光波分复用的多腔F-P结构薄膜设计方法，设计用于1064nm的变角窄带滤光膜的膜系结构；

20，根据长波带通滤光膜2与F-P型多腔窄带滤光片1之间的结合力需要、光谱监控性能指标，选择用于1064nm的变角窄带滤光膜的光学薄膜制作材料；

1064nm波段的窄带滤光膜的兼容范围内能用来滤光的材料比较少，如氧化锆、氧化钽、氧化钛、氧化铌、硒化锌、氟化锶、氟化钡、氟化钙等，这些材料本身结构松软，镀出的膜层强度差，氟化锶、氟化钡、氟化钙就极易吸潮，在曲率元件上体现的更为明显。目前可供使用的薄膜材料虽然已有数十种，但对于滤光膜尤其是特定厚度，光学、机械和化学性质均适合的材料并不是很多。因此，选择合适的材料以缓解长波带通滤光膜2与F-P型多腔窄带滤光片1之间的不匹配，增加滤光片基底11与反射膜系12之间、长波带通滤光膜2与F-P型多腔窄带滤光片1之间的结合力，既能适用于光谱监控高性能指标，又能满足制备工艺的要求，就需要开展详细膜料的筛选工作。

本实用新型材料方面选择极低损耗和极高纯度的TaO₂和SiO₂两种薄膜材料，它们具有高折射率比、折射率的高稳定性、仅需要标准的物理气相沉积镀膜技术、非常低的吸收系数以及很高的环境稳定性等优点，由这两种材料镀制的高反射膜的反射率都在99.9％以上。

30，确定制备1064nm的变角窄带滤光膜的优化工艺参数，在F-P型多腔窄带滤光片1上镀制长波带通滤光膜2；

在F-P型多腔窄带滤光片1上镀制长波带通滤光膜2的过程中，许多沉积工艺参数的变化由于对缺陷的形成和膜层结构、物化性能有影响，所以他们对于损伤阈值有明显的调控作用。这些工艺参数包括温度、沉积速率、离子束辅助能量以及氧分压等，通过薄膜各相关参数的工艺试验和测试分析，初步得到了制备1064nm的变角窄带滤光膜的优化工艺参数设定。

40，按照设定的工艺退火温度，对1064nm的变角窄带滤光膜制作进行退火处理。

退火温度在1064nm的变角窄带滤光膜制备中起着很大作用，它可以消除滤光片基底11与反射膜系12之间、长波带通滤光膜2与F-P型多腔窄带滤光片1之间的应力，增加反射膜系12、长波带通滤光膜2的机械强度，利于材料的充分氧化，形成更接近化学计量比的变角窄带滤光膜，从而减少吸收损耗。

图3为本实用新型的用于1064nm的变角窄带滤光膜的制造工艺的另一个实施例的流程图，如图3所示，所述对用于1064nm的变角窄带滤光膜的薄膜层进行镀制包括：

101，分析真空度对薄膜沉积的影响，并抑制镀制过程中蒸发分子和残余气体分子的影响；

真空对薄膜沉积的作用主要是减少蒸发分子和残余气体分子的碰撞，并且抑制它们之间的反应；

102，分析蒸发速率和温度场对薄膜沉积的影响，并设定沉淀速率和温度场参数；

薄膜沉积过程是材料分子在基体上吸附、迁移、凝结和解析的过程。提高沉积速率，反射膜系12、长波带通滤光膜2的结构较紧密并能够有效抑制沉积材料和残余气体的化学反应，但由于缺陷增多会增大内应力。在高温状态下，吸附在基体表面的残余气体分子会相应减少，从而能够增加沉积分子的附着力，同时高温会促使物理吸附向化学吸附的状态转化并降低反射膜系12、长波带通滤光膜2的膜层内应力，但是温度过高，可能形成大颗粒凝结或材料分解，甚至使反射膜系12、长波带通滤光膜2的膜层发雾。

103，采用离子束辅助沉积技术，优化的离子源能量设定值，制备薄膜。

在传统的蒸发技术中，由于凝聚粒子的能量低，反射膜系12、长波带通滤光膜2的堆积密度较低，具有明显的柱状结构，造成反射膜系12、长波带通滤光膜2本身不稳定，光机性能的蜕变和降低。用APS离子源在基板和蒸发源间可以建立稳定的等离子区，由于外来离子对凝聚中粒子的动量传递，材料原子在通过等离子区的时候被加速而获得能量，从而导致高的堆积密度。高能离子的轰击使基板得到了清洁，获得了高温，促进了反射膜系12、长波带通滤光膜2的膜层材料表面扩散和化学反应，甚至产生了注入效应。

离子束辅助沉积技术中的离子束参数不仅对反射膜系12、长波带通滤光膜2的折射率、薄膜吸收，而且对薄膜应力和抗激光强度，都存在着临界的离子能量使折射率、吸收量、应力值和抗激光强度取得最优值。为了制备性能优良的反射膜系12、长波带通滤光膜2的膜层，需要对离子源的使用作有针对性的调整，从每种不同的材料和薄膜特性出发，进行大量对比试验，最终得出优化的离子源能量设定值。

所述设定的工艺退火温度为240度。

薄膜缺陷与散射光分析：

薄膜缺陷类型很多，按照缺陷的性质，可以分为杂质缺陷、电致缺陷、结构缺陷、化学缺陷、力学缺陷以及热缺陷等等；按照缺陷的形貌来分，大致有结瘤缺陷、陷穴缺陷、条状缺陷及其它形状不规则的复杂缺陷。一般来说，缺陷的类型、密度、大小随膜层材料，沉积工艺以及表面清洁度的不同而不同。薄膜缺陷的成因有以下几种：节瘤缺陷的形状较为复杂，不具有规范的倒锥形的表面，其形成机制较为复杂，它既可能是基片表面残存颗粒或清洗不干净造成的，也可能是在镀膜过程中引入的，比如镀膜材料的喷溅造成的等；陷穴缺陷即薄膜表面的凹孔现象，有可能是由于某种颗粒在镀膜结束后掉下形成的，小的针孔可能来自基片缺陷，也可能来自沉积工艺；薄膜表面的散射损耗导致膜层反射与透射能量降低，同时带来杂散光，影响光学系统的性能。

散射损耗可以大致分为体散射和界面散射。体散射起因于薄膜内部折射率的不均匀性，由于蒸发薄膜都具有柱状结构，其孔隙和柱体的折射率差异很大，因而产生散射；引起光学薄膜表面散射的是两类主要表面缺陷。一类是表面的气泡、裂缝、划痕、针孔、麻点、微尘和蒸发时喷溅的微小粒子，它们的线度一般大于可见光波长。另一类缺陷是薄膜的微观粗糙度，由表面粗糙度引起的表面不平整的线度远小于一个波长。

薄膜应力分析与控制：

薄膜应力是一种宏观现象，然而，它却反映淀积薄膜的内部状态，是决定薄膜完整性的重要因素。薄膜应力严重时会直接导致薄膜色裂、脱落，使薄膜损伤，甚至使整个元件失去功能。应力对元件的影响主要表现在以下两个方面：第一，在一定范围内，应力会作用于基体，导致基体发生变形，从而使通过薄膜元件传递的光电信息发生畸变。应力变形研究在MEMS微结构、激光核聚变的窗口的功能薄膜、高精度面形要求的测量系统(要求镀膜后的面形保持在λ/20以内；λ＝0.633μm)以及光通讯DWDM中都有广泛的应用。第二，由于预应力的存在，加速了薄膜的热力耦合作用，使其成为薄膜破坏的敏感因素。强激光系统薄膜元件的损伤阈值要求达到32J/cm²，而现在常规方法制作的薄膜的损伤阈值只能达到10～20J/cm²。通过对薄膜应力的研究，可以了解薄膜破坏机理，进而达到改善薄膜抗激光损伤性能的目的。

与普通玻璃上镀膜相比,变角度滤光薄膜涉及膜料成核自应力、膜系匹配应力以及制备工艺成因分析很多方面的研究。其次，由于基体本身的特性，会对镀制薄膜的力学和光学性质产生重要影响，从而产生一系列的问题，比如：薄膜与基体之间的张应力和附着力问题；残余应力和应力释放问题等。第三，随着激光器整机的小型化、紧凑性的发展，要求薄膜具有多种光学性能，因此需要精确测量膜层应力，进而有效控制相关应力成因，提高薄膜抗光伤能力。

通过变角度滤光薄膜的研制工作，探讨了薄膜应力问题，分析成因和产生机理，对薄膜应力的性质、制备工艺和精确测量的关系进行系统的研究，从而引导发现新的材料品种、新的薄膜制备工艺和新的方法以精确测试应力和吸收。另外将从实际应用出发，以实验室条件模拟实际使用情况，测定应力数据，有效控制薄膜应力，给使用者提供参考。我们将分析光学薄膜的应力产生机理模型，探讨应力释放机制和应力控制调整试验，系统归纳选取应力测试方法。以干涉法测试不同材料应力为例：

当膜层沉积在具有一定厚度和弹性的基片上时，由于应力的作用将发生弯曲，由弯曲的方向可以确定薄膜中的应力状态。可定义压应力使基体向内侧弯曲，张应力使薄膜向内侧弯曲。通过对此弯曲量的测量，可以得到薄膜应力的大小。在已知膜层厚度和曲率半径的情况下，应力可由斯托尼公式计算得到：其中t_s和t_f分别为基底和薄膜的厚度，E_s(81GP_a)和γ_s(0.208)分别为基底的弹性模量和泊松比，R₁，R₂分别为镀膜前后的曲率半径，当应力值取负值时，薄膜受到压应力；当应力值为正时，薄膜受到张应力。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (2)

1.一种用于1064nm的变角窄带滤光膜，其特征在于，包括：

F-P型多腔窄带滤光片，所述F-P型多腔窄带滤光片由滤光片基底，以及分别设置在滤光片基底两面的特性相同的反射膜系构成；

所述滤光片基底为HB850颜色玻璃，用于截止掉810nm以下的光谱；

长波带通滤光膜，所述长波带通滤光膜镀制在所述F-P型多腔窄带滤光片的外侧，用于将800nm～970nm波段的光能量截止掉。

2.根据权利要求1所述的用于1064nm的变角窄带滤光膜，其特征在于，所述长波带通滤光膜选取TaO₂和SiO₂材料。