光学相干断层扫描成像系统中消偏振分光膜的研制

陈童，侯习平，付秀华

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.63863部队）

光学相干断层扫描成像（Optical Coherence Tomography，OCT）是一种对物质内部结构进行光学信号获取与处理的高敏感性检测的光学技术，在医学成像技术和工业材料检测等方面有着广泛的应用［1-4］。OCT系统通过对比反射光和参考光的信号延迟与反射强度的差值，分析被检测物体的内部结构。因此为了获取准确的光信号，高质量的消偏振分光膜起到了非常关键的作用。根据所查资料可知，国内外对不同类型的消偏振膜进行了研究［5-15］，在《可见/红外宽光谱分色片偏振调控的设计》中采用诱导透射理论设计了可见近红外波段不同偏振度的膜系。在《宽波段7∶3消偏振分光膜的设计及镀制》中采用解析法、Needle优化法和变尺度优化法对膜系进行了优化设计，并分析了设计膜系的可镀制性。在《BirefringentNon-polarizingThinFilm Design》中介绍了倾斜入射时双折射消偏振薄膜的设计方法。虽然这些对不同类型的消偏振薄膜进行了研究，但是未对实际镀制的结果进行系统分析，要求在1310±50nm波段1∶1分光，且偏振度小于5%的消偏振薄膜还未见报道。

本文针对光学相干断层扫描成像系统的使用要求，研制高质量的消偏振分光膜。根据实际镀制情况，采用Macleod膜系设计软件对膜系及镀膜结果进行分析，在制备过程中对敏感度较高的膜层进行重点监控，并改善镀膜工艺降低了膜层的监控误差。

1 膜系设计

针对光学相干断层扫描成像系统对分光棱镜的要求，具体的膜系技术指标如表1所示。

表1 消偏振分光膜的参数要求

当光线倾斜入射时，由于P光和S光的光学导纳不同，必将引起偏振分离现象［16］，偏振分离：

其中，ηp与ηs分别表示P光和S光的光学导纳，θ0为入射角度，n0为入射介质折射率，n为等效膜层的折射率。Δn是一个恒大于1的量，当入射角确定，入射介质折射率越高，偏振偏离就越大。对于在光学相干断层扫描成像系统中，这种偏振效应会对成像系统造成信号干扰，因此在膜系设计时，应尽量减小薄膜的偏振效应。对于膜系为：（0.5H L 0.5H）的组合，在λ=λ0/2的波长位置的偏振分离为：其中，EP与ES分别表示P光和S光的光学导纳，ΔnH与ΔnL分别为高低折射率膜层所产生的偏振分离，当ΔnL=(ΔnH)3时，膜层组合在该波长位置无偏振分离，但是由于基片与入射介质间仍存在偏振分离，因而仅仅利用消偏振膜层组合还是无法达到消除整个薄膜系统的偏振效应。

为了消除薄膜系统的偏振效应，可采用三种薄膜材料构成的膜系结构［17］，使得整个薄膜系统的P光和S光分量具有相近的光学导纳，从而起到消偏振的作用。选择Sub|（MLMH L MHMHML）^m MLMH H|Glass，作为膜系设计的初始膜系，入射角度为45°，参考波长为1310nm，其中m代表膜堆循环的次数，Sub为K9基底，Glass表示入射介质为K9，H、M和L分别代表Ti3O5，Al2O3和MgF2的1/4中心波长的光学厚度，借助Macleod膜系设计软件针对成像系统的参数要求设定优化目标，并利用Compact Design功能限定膜层最小厚度为20nm，结合Optimac和Needle Synthesis两种优化方法进行优化设计，整理后得到的膜系为：Sub|1.2809H 0.5L 2.5872M 0.6793H 1.3272M 0.7839H 0.5L 0.9643M 0.6629H 0.6L 0.703H 0.894M 0.6L 0.8491H 1.2833M 1.0852H 1.2744M 0.8888H 0.5L 0.8894M 0.7064H 0.6L 0.6822H 0.8307M 0.6L 0.8452H 1.2954M 1.1446H 1.391M 0.8L 1.3042M 0.4709H|Glass，理论光谱曲线如图1所示。

图1 消偏振分光膜的理论设计光谱曲线

如图1所示，理论设计P光和S光在1260～1360nm波段平均透射比为49.98%与50.01%，偏振度小于1%，满足使用要求。

2 薄膜制备

本实验采用日本光驰OTFC-1300真空镀膜机镀制。该设备配有双电子枪和RF射频离子辅助蒸发系统，后者能对成膜前基片进行预清洗，使得基片表面活化，且在镀制过程中给予沉积粒子较大的动能，增加膜层的附着力，提高薄膜的机械性能。

镀膜采用Lightratiopeak的监控方式监控，该种监控方式能够通过对光控信号的计算监控任意厚度的膜层，并且会根据实际监控的光量值判停，与光学极值法相比具有较高的监控精度。

采用体积分数为3∶1的无水乙醇和无水乙醚的混合溶液对K9基片进行清洗，衬底温度为250℃，本底真空为2.0E-3Pa。根据膜料的特性，以及镀膜的稳定性，经过多次试验，选定Ti3O5，Al2O3和MgF2的沉积速率分别为3.5A/s，4A/s，8A/s。镀膜前14层选用1200nm作为监控波长，后18层选用1550nm作为监控波长。

3 测试结果与分析

采用Lambda950分光光度计对试验片进行测试，测试光谱曲线如图2所示。

图2 消偏振分光膜的测试光谱曲线

由图2可知，1260nm到1360nm波段P光平均透射比为54.36%，S光平均透射比为51.71%，偏振度大于10%，不满足使用要求。选择Macleod软件的Reverse Engineering模块对实际测试曲线进行模拟，模拟后发现通过整体改变Ti3O5，Al2O3和MgF2的光控tooling值无法让模拟结果与实测曲线非常接近。模拟结果如图3所示。

图3 测试曲线模拟图

运用Independent Sensitivity功能对膜层敏感度进行分析，分析结果如图4所示。

图4 膜层敏感度分布图

如图4可知，膜层在第12层与第30层的相对灵敏度较高，当单独调整每层膜的厚度后发现，所模拟的结果与实际测试曲线误差较小，如图5所示。

图5 调整每层膜厚度的测试曲线模拟图

对比两种模拟结果，分析实际镀膜结果不满足要求的主要有以下两种原因：（1）镀膜时采用多个监控波长，由于光控系统在不同波段信号强度不同，因而导致不同监控波长的光控tooling值有细微的差距。（2）第12，30层的Final Swing分别为184.2和192.1，相比其他膜层较大，模拟得知，其两层模拟厚度与理论设计相差较大，分析原因后发现Final Swing过大会导致实际计算的光量值与理论值有较大差距，使得膜厚误差增大。

根据这两种原因，针对敏感度相对较高的膜层，进行重点监控，根据其Final Swing的大小，通过更换波长的方式，避免出现Final Swing过大或过小的情况，并对实际镀膜的每个监控波长分别模拟其光控tooling值，这样可有效的降低膜层的监控误差。修改膜层的监控方式后，进行镀膜，得到的测试结果如图6所示。

由图6可知，修改膜层的监控方式后的P光平均透射比为51.47%，S光平均透射比为49.11%，偏振度为4.59%。比之前有了较大的改善，且P光和S光的光谱性能均满足光学相干断层扫描成像系统的使用要求。

图6 工艺改善后的测试曲线

4 环境测试

（1）机械牢固度测试：采用黏性强大较大的高温胶带对膜层表面紧紧粘贴并沿薄膜表面垂直迅速拉起，重复几次，薄膜未有脱膜现象。

（2）水煮测试：将该测试片放在离子水中进行加热沸腾2小时后，观察未有脱膜现象。

（3）高温测试：将消偏振分光片放置于400℃的高温中进行烘烤2h后，并进行阶梯退火，观察膜层表面未出现明显的皱褶现象。

（4）湿度测试：将基片放置在湿度为95%的环境下12h，膜层表面未有明显的变化。

5 结语

采用电子束加热真空蒸镀研制消偏振分光膜。借助Reverse Engineering模块对测试结果进行模拟，并对监控误差原因进行分析，根据不同监控波长选择不同的光控tooling值，并分析膜系的膜层敏感度，针对敏感度值相对较高的膜层，根据Final Swing的大小进行重点监控，有效地降低了监控误差。

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