自聚焦透镜分光膜的研制＊

高晓丹

（武汉东湖学院 电子信息工程学院，湖北 武汉 430212）

引 言

自聚焦透镜作为一种重要的光学器件，具有很好的聚光、准直和成像特性［1－3］，被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光成像系统中［4］，尤其是在光纤通信中，可作为耦合器、连接器、光开关、衰减器和波分复用器等［5］。因此，不断地改进和开发自聚焦透镜的性能具有非常重要的意义。而光学薄膜作为光学仪器的重要组成部分，特别是在光无源器件中，可通过在指定的基底上镀制若干层薄膜来实现一定的分光和滤光的目的，进而改善其性能。基于自聚焦透镜在激光泵浦聚光、医用内窥镜、光纤一体化设备、准直器、耦合器和透镜矩阵中的应用要求，本文研制了自聚焦透镜上95∶5分光膜。

1 自聚焦透镜95∶5分光膜的设计

自聚焦透镜95∶5分光膜的参数要求如下：自聚焦透镜的分光波段为1470～1610nm，该波段内反射率R和透射率T分光比R∶T＝95∶5。

光学薄膜的设计方法通常有解析法和各种优化设计法。解析法采用规整膜系，工艺上易实现，沉积误差较小，但光谱性能略差［6］。变尺度优化法通过改变膜层厚度和优化参数等计算评价函数的导数，从而寻找最佳膜系。因此，针对所使用镀膜机的特点和控制精度，综合运用解析法和变尺度优化法设计膜系。

根据薄膜的理化性能需求，选用高低两种折射率膜料设计膜系［7］，其中，Ta2O5为高折射率膜料，SiO2为低折射率膜料，经过多次实验测定并验证高低折射率膜料的折射率分别为nH＝2.07，nL＝1.465。为便于膜系实际镀制时监控，选择一个合适的监控片监控膜系的沉积，自聚焦透镜的中心折射率为1.6，可考虑选择F7玻璃作为监控片，1535nm作为参考波长，在此参考波长下用解析法设计一个初始膜系：

其中，H代表四分之一参考波长高折射率材料，L代表四分之一参考波长低折射率材料。初始膜系的设计在膜系设计中起着非常重要的作用，一个合适的初始膜系可以为下一步的优化设计工作奠定一个较好的基础，从而简化后续计算分析过程，得到更为理想的膜系设计曲线。对初始设计膜系最后三层采用变尺度优化法优化，最终得到如下16层可镀制膜系：

图1 分光膜的反射率设计曲线以及基底折射率存在3%偏差时的拟合曲线Fig.1 The designed reflectance curve and the fitting curve as refractive index deviation 3%of light－splitting film

所设计出的自聚焦透镜95∶5分光膜的反射光谱如图1中实线所示，在1470～1610nm波段范围内，分光比基本上为R∶T＝95∶5，与膜系设计目标一致。

2 设计膜系的误差分析

虽然分光膜的设计膜系具有较好的分光特性，分光偏差不到±0.1%，但实际镀制时需要结合多方面可能导致误差的因素，也就是需要考虑设计膜系的鲁棒性。鉴于该设计膜系的镀膜基底是自聚焦透镜，虽然自聚焦透镜端面半径不到1mm，但其折射率沿径向具有梯度分布，所以有必要分析基底材料折射率发生变化时，设计膜系的鲁棒性。自聚焦透镜的端面折射率沿径向呈梯度减少，当沿径向的折射率相对于中心折射率存在3%偏差时，其设计膜系的拟合曲线如图1中虚线所示。对比设计膜系的理论反射率曲线和基底折射率存在3%偏差时的拟合曲线，可以发现，两组反射率曲线的误差近似为0.1%，在实际应用需求所允许的范围以内。所以，该设计膜系具有较好的鲁棒性。

3 自聚焦透镜95∶5分光膜的镀制

光学薄膜能否镀制成功，不仅取决于膜系设计，在很大程度上，更取决于镀制工艺，一个好的膜系没有合适的工艺，依然得不到符合参数要求的薄膜［6］。在德国莱宝APS1104型镀膜机上经过大量实验，确定了一套合适的镀制工艺。

首先是自聚焦透镜的固定工艺。将自聚焦透镜和用来固定自聚焦透镜的夹持片用丙酮清洗干净，以毛玻璃作为定位片，将自聚焦透镜与夹持片放置其上，并将自聚焦透镜在夹持片Φ1.8孔中放正，即垂直毛玻璃定位表面。将三者放入烘箱中，逐步升高炉温至180℃，将高温胶熔化，点在自聚焦透镜与夹持片的结合处，使之固化。

镀膜材料是纯度为99.99%的Ta2O5和SiO2膜料，蒸镀前先对Ta2O5进行预熔。采用德国莱宝APS1104型真空镀膜机对所设计的膜系进行实际镀制，高折射率材料和低折射率材料分别用电子枪ESQ－14和ESV－212蒸发，由于所设计的膜系包含非规整膜层，为了提高监控精度，实际镀制时采用透射式OMS3000光学监控系统和QSM石英晶体振荡膜厚控制系统共同监控薄膜的厚度，其中规整膜层主要采用光学监控，晶控为辅，而非规整膜层采用晶振控制为主，光控为辅。为了能够得到均匀致密的分光膜，采用等离子体辅助淀积系统［8］，在高真空的条件下，离子源辉光放电，不仅可以清洁基片，还可以激活镀件表面的原子，使蒸镀的膜料分子在基片表面形成部分化学吸附键，增强薄膜与基片的吸附力，从而减少应力的影响［9］。

蒸镀前先对镀膜机抽真空至1×10－6Pa，然后采用离子源对基片加热，基片温度的不同会导致薄膜折射率、几何密度、散射、附着力、硬度和应力等产生不同的变化［10－12］，离子源加热温度设置为150℃。高、低折射率材料的蒸发速率分别为0.65nm／s和1.3nm／s，为了减小薄膜的吸收，在蒸镀过程中充高纯氧，严格控制离子源的参数，以保证材料折射率的稳定和材料的均匀蒸发，镀膜过程中的真空度维持在1×10－2Pa。

图2是所镀制分光膜的光谱测试曲线。由测试曲线可见，该分光膜在1470～1610nm波段范围内，基本实现了R∶T＝95∶5的分光比。由于实验仪器条件的限制，所使用测试仪器的光谱范围局限于1310±25 nm，1550±25nm波段范围，导致测试曲线在其它波段存在较大的波纹，但基本上能反映分光的设计要求。由此可见，采用该设计膜系及其工艺镀制的分光膜完全符合自聚焦透镜分光膜的实际应用需求。

图2 镀制的分光膜的测试曲线Fig.2 Tested curve of the deposited light－splitting film

4 结 论

以Ta2O5和SiO2为介质材料，运用TFCalc膜系设计软件的综合解析法和变尺度优化法进行膜系设计，设计出1470～1610nm波段分光比为95∶5的自聚焦透镜分光膜。分析了该设计膜系在基底折射率呈梯度减少时的拟合曲线，并针对德国莱宝APS1104型镀膜机制订了合适的镀制工艺，实际镀制出的分光膜能较好地满足实际应用的需求。

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