基于等效折射率法的短波通滤光膜制备技术

张金豹，史成浡，耿 浩，杨资阳

(河南平原光电有限公司，河南 焦作 454001)

在现代光学成像、光学测量、光学信息探测等光电系统应用中，都需要用到多个光谱波段区域，所用光谱波段区域越多，仪器实现探测距离、携带信息、抵抗干扰、昼夜成像等功能越强。光学玻璃透明区0.35～2.2 μm，包含可见、微光、近红外激光、短波红外激光等几个常用区域。利用光学玻璃设计功能新颖、性能优良、多光谱区域共享的光学镜头已经是一种发展趋势。军用光电装备通常包含白光成像、微光夜视、激光测距、激光制导、红外探测等多项功能，所以光学系统常会用到可见光、微光、近红外、短波红外、红外等多个光谱区域，而短波通滤光膜以其特有的光学特性可以对这些光谱区域进行区分选择，便于实现光电系统的多光路设计，因此得到了广泛的应用[1-3]。短波通滤光膜实际制备中，在通带区域处常会出现高级次截止带，严重影响通带的光谱利用率及通带的多光路设计。文中通过重点论述短波通滤光膜设计方法、高级次截止带产生原因、对称膜堆等效折射率特性，利用等效折射率法抑制高级次截止带展宽通带设计并制备了通带区域更宽的短波通滤光膜[4]。

1 技术原理

1.1 短波通滤光膜结构

短波通滤光膜结构G/(0.5κLH0.5κL)S/Air，结构中H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，G为光学玻璃基板介质，Air为空气介质，s为膜层周期数，κ为高、低折射率膜层厚度匹配系数。对于入射角度为α、中心波长为λ的短波通滤光膜光谱曲线如图1所示。

从图1中可以得到在λ/3、λ/5……等波长处会出现高级次截止带，严重影响通带区域的宽度[5]。

1.2 短波通滤光膜对称膜堆等效折射率特性

单层膜的特征矩阵如下：

(1)

式中，η为单层膜导纳；δ为单层膜位相厚度。对于无吸收介质，m11和m22为实数，m12和m21为纯虚数，而且m11=m22，矩阵的行列式值等于1，即

m11m22-m12m21=1

(2)

短波通滤光膜结构G/(0.5κLH0.5κL)S/Air，(0.5κLH0.5κL)属于以中间一层为中心，两边膜层对称的多层膜，而多层膜的特征矩阵是各个单层膜特征矩阵的连乘积：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

M22=M11

(8)

M11M22-M12M21=1

(9)

对于无吸收的介质膜系，M11和M22为实数，M12和M21为纯虚数，而且M11=M22，行列式值等于1，具有单层膜矩阵的所有特点[6]，可以等效为单层膜。等效单层膜描述：

(10)

(11)

(12)

从式11和式12可知，在某些波长范围内等效位相厚度Γ是虚数，等效折射率E是虚数。

短波通滤光膜等效折射率如图2所示。从图2中可以得到在λ、λ/3、λ/5……等波长附近处等效折射率为虚数，这些波段对应膜系的截止带，而其他实数波段则对应通带。如果想要扩展通带宽度，则需要将高级次截止带的等效折射率转化为实数[7-8]。本文提出G/(κ5Hκ4Lκ3Hκ2Lκ1Hκ2Lκ3Hκ4Lκ5H)S/Air的膜系结构，实现了高级次λ/3波长截止带抑制，大幅度扩展了短波通滤光膜通带宽度。

2 短波通滤光膜设计

技术指标：在45°倾斜测试下，400～900 nm，Tave≥90%，1 064 nm，Tave≥90%，1 570 nm，Rave≥90%，膜层质量满足JB/T 8226.8—1999检测标准。

膜系结构：G/(0.018H0.469L0.153H0.151 L1.005H0.151L0.153H0.469L0.018H)10/Air。

结构中，α：45°，λ：1 570 nm，H：Ta2O5，L：SiO2，G：光学玻璃，Air：空气。

所设计膜系的等效折射率如图3所示。从图3可以得到所设计膜系在高级次λ/3波长处截止带抑制，等效折射率为实数，通带区域得到了扩展。所设计膜系的光谱图如图4所示。优化后的膜层厚度见表1。

序号材料物理厚度/nm序号材料物理厚度/nm1SiO2244.32Ta2O5153SiO245.184Ta2O529.685SiO2156Ta2O5138.497SiO230.518Ta2O523.259SiO2240.0110Ta2O521.9311SiO230.9412Ta2O5150.1213SiO231.2214Ta2O522.0915SiO2246.5416Ta2O523.0917SiO234.418Ta2O5164.6319SiO234.0620Ta2O522.3721SiO2241.922Ta2O521.4123SiO232.6724Ta2O5155.6925SiO232.7926Ta2O521.4427SiO2235.5728Ta2O520.8729SiO232.2830Ta2O5157.2131SiO235.332Ta2O522.433SiO2262.2334Ta2O522.6435SiO236.8536Ta2O5158.3837SiO232.8538Ta2O518.1539SiO2216.0140Ta2O521.12

(续表)

3 短波通滤光膜制备

制备设备：莱宝SYRUSpro1100(见图5)。

制备工艺参数试制：对Ta2O5、SiO2进行工艺参数试制，寻找2种膜料应力匹配参数(见表2)[9-10]。

优化后膜系厚度：G/SiO2/Ta2O5/……/SiO2/Air，共57层且2种膜料物理总厚度差异不能过大(见表1)。

制备过程：当真空度高于6×10-2Pa时，烘烤基板150 ℃；当真空度高于3×10-3Pa时，对Ta2O5进行充分预熔、除气；达到工艺真空度2×10-3Pa后，APS源开启，进行离子束轰击清洗零件；清洗结束后，开启程序，按工艺参数及膜层厚度交替镀制Ta2O5、SiO2，直至程序结束。

表2 膜层应力匹配主要工艺参数

4 短波通滤光膜测试

测定光谱曲线、膜层强度和环境适应性。

4.1 光谱曲线

测试依据：光谱技术指标要求。

测试设备：PerkinElmer's Lambda900紫外-可见-近红外分光光度计[11-12]。

测试内容：测定胶合棱镜在45°的入射下0.4～1.8 μm透射光谱图(见图6)。测试结果为0.4～0.9 μm，Tave≥92%，1.064 μm，Tave≥92%，1.57 μm，Rave≥92%，满足了光学技术指标要求。

4.2 膜层抗磨强度

测试依据：JB/T 8226.8—1999。

测试设备：膜层强度试验机。

测试内容：用膜层强度试验机，同膜层接触的磨头为球半径3 mm、表面粗糙度Ra0.4 μm的钢球，外裹2层干的脱脂纱布，使用时磨头对被检膜面的作用力为1.96 N(0.2 kg)，当零件表面有效孔径为D(mm)时，零件转速按n=10 000/D(单位为r/min)选择，磨头触点到零件转动中心的距离应为D/3，零件经受2 000转摩擦后的膜层不磨破，满足了膜层的抗磨强度(见表3)。

表3 膜层抗磨强度试验

4.3 膜层环境适应性

测试项目：恒定湿热、盐雾、低温。

测试依据：GB/T 2423.3、GB/T 2423.17、GB/T 2423.1。

测试内容：满足膜层的环境适应性。

5 结语

本文通过对薄膜干涉理论的灵活运用，设计了新型的多单元周期的短波通滤光膜，通过优化设计，匹配了2种膜料膜层厚度，消除了应力累积效应造成的膜层破裂现象，并利用APS离子源辅助沉积技术，提升了薄膜的成膜质量，规避了薄膜吸潮曲线漂移现象。同时，通过对周期数的调整，使截止深度不断调节优化，为该类型的短波通滤光膜制备制订了较好的解决方案。