窄带滤光片设计中敏感度的影响因素

侯海港, 刘桂武, 邵海成, 王明松, 乔冠军,2

(1. 江苏大学 材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212013; 2. 西安交通大学 金属材料强度国家重点实验室, 陕西 西安 710049)

通常相对带宽(半宽度与通带中心波长之比)小于0.05的称窄带滤光片,其对特定波段的光谱进行选择,使特定波段的光通过,其余波段的光截止.对于薄膜元件,窄带滤光片的应用非常广泛,主要应用在航空航天、有害气体传感器、红外医疗、间接温度测量、等离子体检测、激光探测、空间探测和光纤通信系统等领域[1-3].

目前,由于窄带滤光片在军品和民品光学系统中的应用越来越广泛,从而也提高了对其性能的要求,如通带透过率、定位精度、截止深度、陡度、矩形度等光学性能[4-6].虽然可以通过改变一些设计参数设计出性能较好,满足技术要求的窄带滤光片,但是很大部分设计由于膜层敏感度较大,在目前设备条件下却很难制备出来,从而增加了研发和生产成本.因此,文中研究了各参数对窄带滤光片制备中敏感度的影响,为设计和制备出性能较好且符合要求的窄带滤光片提供参考.

法布里-珀珞结构滤光片是最为常用的窄带干涉滤光片,其基本结构为

A(x,m,1)=Air/(HL)x(m2H)(LH)x/Glass,
A(x,m,0)=Air/H(LH)x-1(m2L)(HL)x-1H/Glass,
Y(A)=A(x,m,1),
Y(A1,A2)=A(x1,m1,t1)LA(x2,m2,t2),
Y(A1,A2,A3)=
A(x1,m1,t1)LA(x2,m2,t2)LA(x3,m3,t3),

式中:(HL)x和(LH)x是法布里-珀珞型窄带滤光片的反射层,其由光学厚度为1/4 中心波长的单层膜叠加而成;x代表反射层的层数;2H或2L是法布里-珀珞型窄带滤光片的间隔层,其光学厚度为1/2 中心波长;m代表窄带滤光片的干涉级次;t=1,代表其间隔层为高折射率膜层;t=0 代表间隔层为低折射率膜层;Y(A),Y(A1,A2),Y(A1,A2,A3)分别代表单腔、双腔、三腔滤光片结构[7-9].

2 影响窄带滤光片敏感度参数

文献[10]对窄带滤光片设计中通带半宽度、矩形度和陡度的影响因素研究表明,增加反射层层数,会使陡度变好,半宽度变窄,矩形度变差;增加腔数,会使陡度变好,半宽度变宽,矩形度变好;增加干涉级次,会使陡度变好,矩形度变好,半宽度变窄.但是,制备过程中的系统误差和随机误差对滤光片性能会产生严重的影响,使制备出的多层膜与设计严重不符,无法满足使用要求.因此反射层增加、腔数增加、干涉级次增加以及间隔层的选择可能会对窄带滤光片敏感度带来很大的影响,由此增大误差对滤光片光学性能的影响,使设计与制备不符.所以需要针对窄带滤光片膜系设计中的高低折射率间隔层选择、干涉级次、反射层层数和腔数对窄带滤光片设计和制备中敏感度的影响进行分析,从而得到它们的影响规律.

3 窄带滤光片敏感度模拟试验

利用光学薄膜设计软件Essential Macleod,以中心波长为4.26 μm的窄带滤光片为初始设计膜系,其中基底为单晶硅,Ge为高折射率膜层,SiO为低折射率膜层,进行模拟试验[11].

1) 不同间隔层反射层数的影响.选用高折射率间隔层的(HL)22H(LH)2,(HL)32H(LH)32组膜系为例,在Essential Macleod 软件中模拟,结果如图1所示, 随着反射层数的增加,敏感度增加,敏感层为低折射率膜层(SiO),从而增大了制备的难度.同时,用低折射率间隔层试验,其膜系具有相似结果.

2) 不同间隔层干涉级次的影响.选用高折射率间隔层的(HL)22H(LH)2,(HL)26H(LH)22组膜系为例,在Essential Macleod 软件中模拟,结果如图2所示, 随着干涉级次的增加,敏感度并未发生变化,敏感层为低折射率膜层(SiO).同时,若以低折射率间隔层模拟,其膜系具有相同结果,但是由于敏感层为低折射率膜层(SiO),若采用低折射率间隔层,且通过增加间隔层厚度,使陡度、矩形度变好,则在制备过程中由于厚度较大,蒸镀误差较大,且为敏感层,会增加膜系不稳定性.

图1 不同反射层数相对敏感度影响

图2 不同干涉级次相对敏感度影响

3) 不同间隔层腔数的影响.选用高折射率间隔层的(HL)2H(LH),(HL)2H(LH)L(HL)2H(LH)2组膜系为例,在Essential Macleod 软件中模拟,结果如图3所示, 随着腔数的增加,相对敏感度并未发生明显的变化,敏感层为低折射率膜层(SiO).

选用低折射率间隔层的H(LH)2L(HL)H,H(LH)2L(HL)HLH(LH)2L(HL)H 2组膜系为例,在Essential Macleod 软件中模拟,结果均如图4所示, 随着腔数的增加,相对敏感度增加,且敏感层为低折射率膜层(SiO).

图3 高折射率间隔层不同腔数对敏感度影响

图4 低折射率间隔层不同腔数对敏感度影响

4 模拟试验结果验证

针对检测CO2用4.26 μm窄带滤光片,进行2组膜系设计及制备过程中误差分析,来验证上述窄带滤光片敏感度模拟试验分析结果.选择单晶硅为基底,Ge为高折射率膜层,SiO为低折射率膜层,利用膜系设计软件Essential Macleod进行设计和优化,如图5所示,2组膜系设计均满足使用技术要求.图5a膜系为Air/HL6HLHLHL4HLHLHL6HLH/Sub,其以高折射率材料为间隔层,反射层数x=1,3腔结构;图5b膜系为Air/(HL)H2LH(LH)L(HL)2-H2LH(LH)2/Sub,其以低折射率材料为间隔层,反射层数x=2,3,2腔结构.

图5 2组膜系理论设计曲线

图6为2组膜系的敏感度分析,发现图6a膜系敏感度明显低于图6b膜系.

图6 2组膜系的相对敏感度分析

图7和图8为2组膜系在0.1%随机误差条件下的窄带滤光片光谱图.由图发现在相同的误差条件下,Air/(HL)H2LH(LH)L(HL)2H2LH(LH)2/Sub膜系偏离理论设计较大,光谱曲线更加杂乱,无法满足使用要求,从而制备该膜系要求膜厚监控精度要大于Air/HL6HLHLHL4HLHLHL6HLH/Sub膜系,由此增大了制备的难度和不稳定性,验证了上述窄带滤光片敏感度模拟试验分析结果的正确性.

图7 Air/HL6HLHLHL4HLHLHL6HLH/Sub膜系光谱曲线

图8 Air/(HL)H2LH(LH)L(HL)2H2LH(LH)2/

5 结 论

在窄带滤光片设计的过程中,增加反射层层数,会使陡度变好,半宽度变窄,矩形度变差,同时无论采用高折射率还是低折射率材料为间隔层都会增加膜系的敏感度,增大制备难度;增加干涉级次,会使陡度变好,矩形度变好,半宽度变窄,虽然不同间隔层干涉级次的改变都对敏感度没有影响,但是从制备的角度考虑,若以低折射率间隔层,敏感层为低折射率膜层,制备过程中膜层较厚,蒸镀误差较大,且为敏感层,会增加膜系不稳定性;增加腔数,会使陡度变好,半宽度变宽,矩形度变好,若以高折射率材料为间隔层则对膜系的敏感度没有影响,但是若以低折射率材料为间隔层则会增加膜系的敏感度.因此在窄带滤光片设计的过程中,在满足设计要求的同时,尽量减少反射层层数,不以低折射率膜层为间隔层,减少低折射率膜层,以降低敏感度和制备难度,同时减少制备成本.

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