双波段截止分色滤光片研究

曹晶辉， 苏宙平， 胡 莹， 胡立发， 朱华新

(江南大学理学院 江苏省轻工光电工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122)

双波段截止分色滤光片研究

曹晶辉， 苏宙平， 胡 莹， 胡立发， 朱华新*

(江南大学理学院 江苏省轻工光电工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122)

为实现45°入射情况下K9基底上双波段截止分色的特性(截止带波长0.5～0.68 μm、0.73～0.79 μm，通带波长0.83～0.87 μm)，采用F-P型的带通滤光片膜系结构为初始结构，与常规设计理念相比有效减少了膜层的数量，薄膜的高折材料采用TiO2，低折材料采用SiO2，以实现双波段截止的目的。膜层的设计层数为23层，总厚度为2.278 μm，借助电子束蒸发物理气相沉积法实现了镀制，利用分光光度计对镀制样品的透过率进行评估。测试结果显示，截止区(0.5～0.68 μm和0.73～0.79 μm)平均截止深度分别达到了12.57%和20.39%，通带0.83～0.87 μm波段内的平均透过率达到了91.35%，样品测试曲线与设计相比，“蓝移”将近10 nm。薄膜样品基本实现了设计目标，具有双波段截止、高通带透过率的特性。在环境测试中：薄膜表现出显著的稳定性，膜层间匹配度适宜。该双波段截止分色滤光片能够应用在一些极端的情况下。

光学薄膜； 电子束蒸发物理气相沉积； 滤光片

1 引 言

截止滤光片选择性地透过特定波段的光波而抑制其他波段的光波，使得光波更合理地被利用,如今已遍布在各行各业中，例如在数码相机中图像数据的捕捉[1]、光通信系统中光信号的调制处理[2]、光谱探测中杂散光的抑制[3]等方面，截止滤光片都起到重要的作用。

截止分色滤光片应具有良好的环境稳定性，避免膜层分离[4]；材料之间有合适的应力匹配[5]，以维持在复杂环境条件下一或多个截止带或通带、“高通深截止”、较小的波纹系数[6]等特性。由于其应用的重要性和特殊性，近年来截止分色滤光片一直是研究的热点[7]。对于双波段截止及多波段截止分色滤光片，国内外研究都比较少，因而这对设计者提出了更高的要求，既要适应镀膜工艺又要满足实际的需求。

本论文主要研究45°入射情况下K9基底上双波段截止分色的设计与制备(截止带波长0.5～0.68μm、0.73～0.79μm，通带波长0.83～0.87μm)，打破常规的设计理念，以F-P型带通滤光片的膜系作为初始结构，实现预期的分色效果。

2 截止分色滤光片设计理论

截止分色滤光片的设计有两种理论可行的方法：一种是传统的规整膜系解析法，膜层厚度较厚，光学性能不易控制[8]；另一种是计算机优化法，是时代的产物，快捷有效，但仍依赖于较好的初始结构，并且设计膜系忽略了工艺的可行性[9]。根据等效折射率的原理，多个周期性对称膜系的叠加，可当作一个具有等效折射率为E的单层膜处理[10]，E的值由下文中的公式给出。为了实现双波段截止分色以及工艺上易于实现，作者战略性地结合了这两种常规方法，解析膜系初始结构，运用麦克劳德设计软件选择性地对膜层进行部分优化[11]。最终基于初始结构，调整了选择膜层的光学厚度，解决了波纹失调的问题，使得截止分色滤光片的光谱特性大为改善。

前截止(长波通)边带滤光片基本膜系结构一般采用对称周期膜系：

(1)

其等效折射率E为：

(2)

截止深度Tr为：

(3)

截止带宽为：

(4)

式中，Δg为相对波数，H和L分别为λ0/4(λ0为截止带中心波长)光学厚度的高、低折射率膜层，M为对称膜系的周期数。高低折射率材料的折射率反差越大，截止带宽越宽，因此要尽量选择折射率反差大的膜料。

3 膜料的选择

简化制备工艺的同时实现所需的膜系性能，是膜系设计工作的首要目标，这关乎到膜系材料的选择与膜系结构的优化。材料的透明与否，由探测光波的波段决定，因而在选择薄膜材料时，首先要考虑设计波段内的材料的吸收系数，其次是膜料本身的稳定性和折射率，最后也要考虑膜层间的应力匹配[12]。

低折材料SiO2的透明区光谱较宽，具有稳定的物理化学性能，包括抗分解、抗腐蚀、易附着等。其特殊的分子形式起到保护膜层表面微观形态的作用，同时它的光吸收很小，牢固性好[13]，因此综合来看，SiO2材料是最为理想的低折射率材料。而与SiO2搭配的高折射率材料有Ta2O5、ZrO2、TiO2、HfO2等，其中TiO2的机械性能好，抗强碱腐蚀。为得到较宽的截止带宽，根据截止带宽公式，折射率越高，截止带宽越宽；另外根据截止深度公式，对于相同的周期M，折射率越高则截止深度越大[14]，因此我们采用折射率最高的TiO2膜料与SiO2膜料匹配。

4 膜系设计

以K9为基底，光线入射角度为45°，实现0.5～0.68μm和0.73～0.79μm两个波段截止，通带0.83～0.87μm为高透区。

由于截止带宽为0.5～0.79μm，跨度达0.29μm，一个中心波长的λ/4周期膜层无法满足如此宽的截止带宽。图1为3组不同中心波长的λ/4周期膜层，周期数均为6。

图1 3组不同中心波长的膜层透过率

Fig.1Transmittance of three films corresponding to different central wavelength

通常的方法是通过叠加不同中心波长的多层周期膜[15]，然后在各不同周期膜层之间添加过渡层，这种方法是最直接展宽截止带的方式。我们必须要采用3个高反射板才能实现截止区的要求，即膜系结构为Air|(HL)6(1.2H1.2L)6(1.4H1.4L)6|Substrate(如果没有过渡层)，中心波长为490nm，光线入射角度为45°。依据该膜系结构，在没有添加过渡层的情况下，膜层总数已经达到了36层，若在此基础上添加过渡层，膜层总层数势必超过40层，这样给制作工艺带来了很大的麻烦，而且在截止区域0.68～0.73μm是没有光谱特性要求的，这是两个分立截止区之外。

考虑上述因素，我们提出了以带通滤光片为基础的初始结构。基于F-P型的带通滤光片其截止区分立在通带的两侧，恰好能覆盖两个分立的截止波段，也就是说我们采用的F-P型的带通滤光片仅仅只是利用其截止区，并不需要考虑其通带的特性，因为这部分波段不在本研究的考察波段范围，因此与常规F-P型的带通滤光片的运用存在差异。

由于其在短波处的截止区带宽不够，需要再叠加一反射板以有效加宽其截止带宽，因此只需要在F-P腔的基础上再添加一短波处的反射板即可，两个膜系的光谱曲线如图2所示。两者单独的光谱曲线基本能覆盖整个截止区，中心波长均为760nm。图2中曲线一的膜系为(0.8H0.8L)4，曲线二的膜系(HL)32H (LH)3。从图2中可以看出，两个膜系基本能覆盖截止区，但是采用了两个膜系进行叠加，与常规的思路截然不同。

图2用于堆叠的两个膜系的透过率：实线表示反射板的透过率，虚线表示F-P滤光片的透过率。

Fig.2Transmittance of the two films used for superposition. The solid line depicts the transmittance of the baffle-board, while the dotted line depicts the transmittance of the F-P filter.

将图2中的两个膜系进行简单叠加后，透过率曲线如图3所示。可以看出，由于反射板与F-P腔之间没有添加连接层，因此，两者之间存在一定的耦合效应，尤其是在550nm附近波段，耦合效应极为明显，与独立的反射板之间的光谱曲线存在一定的差异，但整体来说已具备膜系的雏形。

图3 两个膜系堆叠后的透过率

从图3中的初始结构看出，膜系在截止区的要求虽已基本具备，但通带区的透过率要求还相差很远，经过单纯形调法优化后的膜系透过率曲线如图4所示。该优化方法不会增加膜层数量，膜系层数仍为23层，膜层总厚度为2.278μm。

图4 膜系优化后的透过率

由图4可知，截止波段范围约为0.5～0.68μm和0.73～0.79μm，平均截止深度分别达到了9.71%和10.21%。由于反射区的周期数相对而言不多，所以导致截止区的截止深度不大。根据截止深度公式，显然增加周期数可有效增加截止深度，但是这样的结果必然导致制备时间及风险增加。通带0.83～0.87μm波段内的平均透过率达到了94.35%，从整个设计理念来看，达到了我们预期的设计要求，相比优化前膜系的光学性能有大幅提高，说明该设计理念是完全可行的。

由于优化后的膜系为非规整膜系，膜层总厚度又较大，所以在截止区出现了较大的波纹，这是由光学薄膜的特点决定的。

一般而言，分色镜膜系其通带特性对于制备误差比较敏感，因此在制备过程中监控的精准度直接影响着通带的透过率。

5 工艺实现

薄膜材料的光学特性受具体的镀制工艺条件(主要是基片温度、沉积速率和真空度)的影响很大，因此必须要在适当的工艺参数条件下才能制备出理想的膜层。

实验用镀膜机为沈阳聚智有限公司生产的箱式镀膜机，蒸发方式为电子束蒸发。镀膜前，使用有机溶剂擦拭和超声波去油处理来清洁基片。

将K9基片悬浮固定在拱型夹具盘后开始抽真空，当真空室的真空度达到(2.4～4)×10-3Pa时，打开加热灯丝将基片加温至200℃并恒温3h，然后打开电子枪，交替蒸发TiO2和SiO2这两种材料。实验中使用美国INFICON公司的SQC310型石英晶体控制仪控制沉积速率和沉积厚度。TiO2的沉积速率为0.3nm/s，SiO2的沉积速率为0.25nm/s，并在样品的两侧均镀制了增透膜。

基片透过率测试采用岛津的分光光度计进行测量，测试角度为45°，测试波长范围为0.5～0.9μm，测试曲线如图5所示。

图5 样品测量所得的0.5～0.9 μm透过率曲线

Fig.5Measured transmittance of the sample from0.5μm to0.9μm

从测试结果可以看出，实际制作样品透过率与设计相比基本相近，只是实际测试曲线与设计相比，总体曲线向短波漂移了10nm。由于基片背面未镀制增透膜，因此在通带区域透过率测试曲线比设计曲线要低，这是由于背面有将近4%的剩余反射，但4%的剩余反射对截止区的影响基本可以忽略。

根据测试曲线，0.5～0.68μm和0.73～0.79μm波段的平均截止深度分别达到了12.57%和20.39%。可以看出0.73～0.79μm的截止深度较设计值有一定的差异，这是由于总体曲线“蓝移”了近10nm，导致考察的770nm以后的曲线处于过渡带，致使整体的平均截止深度偏低。导致镀制测试曲线“蓝移”的原因是由于实际镀制时间较长，导致基片表面温度变化，致使材料的光学常数与膜系计算时产生偏差，从而导致曲线与设计曲线发生漂移，另外截止区较设计曲线的波动幅度不大，可能是由于膜系均为非规整膜层，每层的厚度误差恰好弥补了曲线在截止区的波动。

根据测试曲线，通带0.83～0.87μm波段内的平均透过率达到了91.35%。通带内最高透过率在838nm处，透过率为93.75%。剔除背面4%的剩余反射，838nm处的透过率接近98%，应该说镀制膜系的通带透过率基本达到了预期的要求。

我们对样品进行了附着力等测试。将样品浸入沸水中2h后，膜层无脱落、起皱、龟裂现象。在高温高湿环境(温度为50℃，相对湿度95%～100%)的条件下放置48h，膜层外观未有明显变化。对样品进行了高低温冲击，相对湿度为50%，低温为-20℃，高温为70℃，循环时间为2min，共循环30次，取出样品，未出现膜层龟裂、脱落等现象。

6 结 论

本文设计了双波段截止滤光片，其光谱曲线基本达到了预期的目标，不论是设计还是实际镀制的样品，截止区的截止深度都不高，主要的原因是要达到较深的截止深度，必须要大大增加膜层的数量，这样必然导致实际镀制时间大大加长。本文主要是提出一种新型的设计思路，实际镀制的结果也表明这种设计思路是完全可行的，有效地跳出了传统的设计思路范畴，在膜系设计过程中是一种新的突破。

[1] PEKKUCUKSEN I, ALTUNBASAK Y. Edge strength filter based color filter array interpolation [J].IEEETrans.ImageProc., 2012, 21(1):393-397.

[2] 莫朝燕. 光通信系统调制滤光膜的研制 [D]. 长春：长春理工大学, 2014.

MO CH Y.DesignandFabricationofOpticalCommunicationSystemModulatedFilterFilm[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2014. (in Chinese)

[3] 郭金家, 刘智深. 水下拉曼光谱探测低通滤光片水拉曼信号抑制 [J]. 光谱学与光谱分析, 2011, 31(9):2428-2430.

GUO J J, LIU Z S. Water Raman spectrum suppression with low-pass filter in underwaterin-situraman spectroscpy [J].Spectrosc.Spect.Anal., 2011, 31(9):2428-2430. (in Chinese)

[4] 张东平, 齐红基, 方明, 等. 微缺陷对薄膜滤光片环境稳定性的影响 [J]. 光子学报, 2005, 34(6):873-876.

ZHANG D P, QI H J, FANG M,etal.. Influence of the microdefect on the environment stability of thin film filters [J].ActaPhoton.Sinica, 2005, 34(6):873-876. (in Chinese)

[5] 王成, 张贵彦, 肖孟超, 等. 应力变化对多层薄膜窄带滤光片透射光谱的影响 [J]. 光学 精密工程, 2004, 12(4):393-397.

WANG C, ZHANG G Y, XIAO M C,etal.. Influences of stress changes on transmission characteristics of multilayer thin-film narrow bandpass filters [J].Opt.PrecisionEng., 2004, 12(4):393-397. (in Chinese)

[6] 叶自煜, 王多书, 张佰森, 等. 宽截止长波红外带通滤光片的研制 [J]. 真空科学与技术学报, 2009, 29(z1):39-41.

YE Z Y, WANG D S, ZHANG B S,etal.. Development of infrared pass-band filters with wide rejection band [J].J.Vac.Sci.Technol., 2009, 29(z1):39-41. (in Chinese)

[7] 范正修. 光学薄膜及其进展 [J]. 光学学报, 2011, 34(9):276-280.

FAN Z X. Development and recent progress of optical thin films [J].ActaOpt.Sinica, 2011, 34(9):276-280. (in Chinese)

[8] 高晓丹, 葛卫龙. 光纤到户单纤三向截止滤光片的研制 [J]. 红外与激光工程, 2011, 40(8):1508-1511.

GAO X D, GE W L. Manufacture of interference edge filter for FTTH triplexer [J].InfraredLaserEng., 2011, 40(8):1508-1511. (in Chinese)

[9] 杨芳. 光子嫩肤用滤光片的研究 [D]. 武汉：华中科技大学, 2005.

YANG F.StudiesonTheFilterforPhotorejuvenation[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2005. (in Chinese)

[10] 李香波, 高劲松, 王彤彤, 等. SiO2单层膜的反常色散研究 [J]. 光子学报, 2009, 38(8):2006-2010.

LI X B, GAO J S, WANG T T,etal.. Anomalous dispersion of SiO2single-layer coating [J].ActaPhoton.Sinica, 2009, 38(8):2006-2010. (in Chinese)

[11] 朱铄金, 朱丽慧, 黄清伟, 等. 6.5～14 μm红外长波通滤光片正面膜系的研制 [J]. 光学仪器, 2009, 31(3):80-83.

ZHU S J, ZHU L H, HUANG Q W,etal.. Research of 6.5～14 μm infrared long-wavelength pass filter pro-film system [J].Opt.Instrum., 2009, 31(3):80-83. (in Chinese)

[12] 杨洁. 905 nm带通滤光片制备工艺的研究 [D]. 长春：长春理工大学, 2011.

YANG J.ResearchofPreparationCraftAbout905nmBandPassFilter[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2011. (in Chinese)

[13] 张霖. 选择性高吸收太阳能薄膜研究 [D]. 合肥：合肥工业大学, 2014.

ZHANG L.ResearchonHighSelectiveSolarAbsorptionFilm[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2014. (in Chinese)

[14] 朱华新, 王彤彤, 高劲松, 等. 宽通带宽截止带通滤光片研究 [J]. 人工晶体学报, 2014, 43(5):1296-1301.

ZHU H X, WANG T T, GAO J S,etal.. Study on pass-band and wide rejection band of band-pass filters [J].J.Synth.Cryst., 2014, 43(5):1296-1301. (in Chinese)

[15] 刘永强, 杨益民, 杨崇民, 等. 透0.45 μm～1.6 μm反8 μm～12 μm宽光谱分色滤光片的制备 [J]. 应用光学, 2009, 30(4):666-668.

LIU Y Q, YANG Y M, YANG C M,etal.. Spectrum filter for transmitting in 0.45 μm～1.6 μm and reflecting in 8 μm～12 μm [J].J.Appl.Opt., 2009, 30(4):666-668. (in Chinese)

StudyofDual-bandCut-offforEdgeFilter

CAOJing-hui,SUZhou-ping,HUYing,HULi-fa,ZHUHua-xin*

(JiangsuProvincialResearchCenterofLightIndustrialOptoelectronicEngineeringandTechnology,SchoolofScience,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)

To realize the characters of a dual-band filter that selectively transmit light of wavelengths of0.83-0.87μm but cut off the wavelengths of0.5-0.68μm and0.73-0.79μm on a45° incident angle on K9substrate, a type of F-P bandpass filter was chosen to be the initial structure which effectively reduce the number of the thin film compared with the routine design concept. The high index material of titanium oxide (TiO2) and the low index material of silicon oxide (SiO2) were used during the course. The thickness of23layers was2.278μm. The electron beam physical vapor deposition (EBPVD) was used to fabricate the coatings. The transmittance of the sample was measured by using the spectrophotometer. The average cutoff depth is12.57% and20.39% corresponded to the band from0.5μm to0.68μm and the band from0.73μm to0.79μm respectively from the test result. The average transmittance is up to91.35% for the pass band from0.83μm to0.87μm. It appears almost the same with the designing result that the figure of transmittance shifts to the short wavelength by10nm. Beyond this, the edge filter cuts off in dual-band and gets the high transmittance in pass band. In the environmental tests, the coatings match well with each other which is remarkably stable. So, the dual-band cut-off edge filter can be applied in extreme cases.

optical thin film; electron beam physical vapor deposition(EBPVD); filter

2017-06-04；

2017-07-22

上海市全固态激光器与应用技术重点实验室开放课题(2012ADL03)； 国家自然科学基金(60908041)； 江苏省研究生创新项目(SJLX16_0492)资助

Supported by Shanghai Solid State Laser and Applied Technology Key Laboratory Open Topic(2012ADL03); National Natural Science Foundation of China(60908041); Jiangsu Province Graduate Innovation Project(SJLX16_0492)

1000-7032(2017)12-1675-06

O484

A

10.3788/fgxb20173812.1675

*CorrespondingAuthor,E-mail:zhuhuaxin1312@163.com

曹晶辉(1993-)，男，江苏扬州人，硕士研究生，2015年于苏州科技大学获得学士学位，主要从事光学设计加工、光学薄膜设计制备等方面的研究。E-mail: caojinghui1993@hotmail.com

朱华新(1983-)，男，江苏宜兴人，博士，副教授，2011年于中科院长春光机所获得博士学位，主要从事光学薄膜设计、制备等方面的研究。E-mail: zhuhuaxin1312@163.com