一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，首先基于介质-金属-介质结构的膜堆组合，通过光学导纳技术来确定初步的光学薄膜设计；通过光学薄膜设计软件进行膜系微调和优化，使膜系结构方便监控制作；对基片进行清洗和镀前处理，采用蒸发或溅射方法进行薄膜沉积；采用反射式光学监控系统进行半直接监控，每个膜堆采用一个监控片；完成所有膜堆的沉积，输出成品。本发明专利技术可以制作高精度的低偏振灵敏度分色膜，分色光谱性能优异，同时保持透光波段的低偏振灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学薄膜技术，具体涉及一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法。
技术介绍
分色片在光学系统、特别是多波段探测的光学系统中有着非常广泛的应用。为了实现宽光谱范围的分色，例如实现可见光近红外光与中长波红外光的分离，分色片的分色膜系常采用介质-金属-介质的结构，典型的例子为硫化锌-银-硫化锌结构。由于分色片通常是工作在倾斜入射的情况，由此会带来光的偏振光谱分离。对于一些遥感光学系统来说，入射光存在偏振状态变化，这会引起系统接收的光电信号变化，形成探测值和数据反演的误差，因而对系统及光学元件提出了降低偏振灵敏度的要求。对于所探讨的分色片，其偏振灵敏度定义为透射的P光与S光的透射率之差的绝对值除以两者的和。传统硫化锌-银-硫化锌结构很难实现透射光宽波段的低偏振灵敏度控制，且由于硫化锌在蓝光区有吸收，采用多个膜堆组合压缩光谱过渡区时也将极大降低透光波段的能量。针对于此，我们在题为《Designofnon-polarizingcut-offfiltersbasedondielectric-metal-dielectricstacks》一文中，提出了一种利用两种介质-金属-介质结构的膜堆来组合设计低偏振灵敏度分色片的方法，见OpticsExpress第21卷16期19163-19172页的记载。但该方法设计的膜堆较多，且每个膜堆都需严格匹配特定的光学导纳方式，传统的光学薄膜制作方法制备的误差较大，很难保r>证低偏振灵敏度的实现。
技术实现思路
本专利技术提出了一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，其目的在于通过严格的光学监控方式来严格匹配膜堆的光学导纳，从而高精度地制备介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜，实现透射光宽波段的低偏振灵敏度控制。一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，包括以下步骤：1)根据低偏振灵敏度分色膜(4)的技术要求，选择介质膜材料和金属膜材料，用于形成两种介质-金属-介质结构，通过光学导纳匹配方法进行组合，初步确定膜系结构；所述低偏振灵敏度分色膜系(4)为2种介质-金属-介质结构的组合，膜系结构为基底/(D′1M′D″1)xD1MD2/空气，其中，D′1、D″1和D1表示第一种介质膜但厚度不同，M′和M表示同一种金属膜但厚度不同，D2表示第二种介质膜，x为自然数，表示膜堆重复次数。介质可为Ta2O5，Al2O3，SiO2，Nb2O5，MgF2等，金属采用透光波段折射率n近似为零的材料，如Al，Ag，Au等金属。所述导纳匹配方法为：当所有膜层的厚度变成其折射角的余弦值倍数时，设计用参考单色光为垂直入射，基底/(D′1M′D″1)x的导纳近似为基底折射率，基底/D1MD2的导纳近似为空气折射率。2)利用EssentialMacleod等薄膜设计软件对膜系结构进行微调和优化，进一步降低透射光谱的偏振灵敏度，同时使膜系结构方便监控制作；所述微调和优化过程：调节D′1M′D″1膜层厚度成近似对称结构，使在监控波长位置，膜堆D′1M′D″1形成闭合导纳图；调节D1MD2膜层厚度，使M的导纳曲线沿实轴对称分布，使整个膜系的偏振灵敏度达到最低。3)对沉积用基片进行清洗和沉积前处理，包括离子源轰击激活或预沉积，确定沉积工艺，采用蒸发或溅射等方法进行薄膜沉积；4)采用反射式光学监控系统进行反射率监控，采用半直接监控方式，每个膜堆采用一个监控片，三层膜沉积监控方式分别为：第一层为介质膜，沉积在新的监控片上，采用光强值法监控，当反射率达到设计值后进入下一层沉积；第二层为金属层，反射率随沉积先变小后变大，当反射率再次达到沉积初始的反射率值后进入第三层沉积，第三层为介质层，反射率随沉积过程变小，当达到极值时暂停沉积；所述监控方法采用的波长为膜堆D′1M′D″1形成闭合导纳图的波长。5)判断当前膜堆是否为最后一个膜堆，如果是，继续沉积，直到反射率达到设计值；如果不是，更换监控片，进入下一个膜堆的沉积，重复步骤4)；6)完成所有膜层的沉积，输出成品。本专利技术优点在于：每个介质-金属-介质结构均遵循严格的导纳匹配方式进行制作，膜系设计与监控制作相互联系，能有效防止制作误差累积放大，能确实保证设计功能的实现，完成高精度的低偏振灵敏度分色片的制作。附图说明图1是所述介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的工作状态示意图，1为包含紫外到长波红外的入射光，2为反射的中长波红外光，3为透射的紫外可见近红外光，4为介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜，θ为入射角度。图2是所述介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作流程图。图3为示范实例初始设计膜系为石英/(38.9nmTa2O5/9.4nmAg/39.2nmTa2O5)2(28.1nmTa2O5/7.4nmAg/81.1nmSiO2)/空气在45°入射情况的透射偏振光谱情况。5为P光的透射率，6为S光的透射率。图4为示范实例最终设计膜系为石英/(36.0nmTa2O5/7.9nmAg/37.0nmTa2O5)2(23.0nmTa2O5/6.3nmAg/81.4nmSiO2)/空气在45°入射情况的透射偏振光谱情况。7为P光的透射率，8为S光的透射率。图5为示范实例中两种膜堆(36.0nmTa2O5/7.9nmAg/37.0nmTa2O5)(9)和(23.0nmTa2O5/6.3nmAg/81.4nmSiO2)(10)的反射率监控曲线。图6为示范实例低偏振灵敏度分色膜在45°入射情况的透射偏振灵敏度分布情况，11为设计值，12为实际值。具体实施方式下面根据实例和附图，来说明本专利技术的具体实施方式。以工作在空气环境中在45°入射情况的低偏振灵敏度分色膜系的制作为例，该膜系要求反射波长大于2000nm的所有波段，透射400-700nm的可见光，同时要求透射光波段保持偏振灵敏度小于1％。基片采用熔石英材料，传统的ZnS-Ag-ZnS膜系结构是不能满足低偏振灵敏度要求的，若镀膜材料分别选择Ta2O5、Ag和SiO2，采用本专利技术提出的制作方法，可以满足低偏振灵敏度的控制要求，具体实施如下：1)按所述导纳匹配方式，设计的初步膜系结构为石英/(38.9nmTa2O5/9.4nmAg/39.2nmTa2O5)2(28.1nmTa2O5/7.4nmAg/81.1nmSiO2)/空气，从偏振光谱图(图3)可以看到除了400nm附近的偏振光谱分离较大，因此需要对膜系结构进行微调，以消本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据分色膜的技术要求，选择介质膜材料和金属膜材料，用于形成两种介质‑金属‑介质结构，通过光学导纳匹配方法进行组合，初步确定膜系结构：膜系结构为基底/(D′1M′D″1)xD1MD2/空气，其中，D′1、D″1和D1表示第一种介质膜但厚度不同，M′和M表示同一种金属膜但厚度不同，D2表示第二种介质膜，x为自然数，表示膜堆重复次数；介质可为Ta2O5，Al2O3，SiO2，Nb2O5或MgF2，金属采用透光波段折射率n近似为零的Al，Ag或Au材料；导纳匹配方法为：当所有膜层的厚度变成其折射角的余弦值倍数时，设计用参考单色光为垂直入射，基底/(D′1M′D″1)x的导纳近似为基底折射率，基底/D1MD2的导纳近似为空气折射率；2)利用Essential Macleod等薄膜设计软件对膜系结构进行微调和优化，进一步降低透射光谱的偏振灵敏度，同时使膜系结构方便监控制作：调节D′1M′D″1膜厚成近似对称结构，使在监控波长位置，膜堆D′1M′D″1形成闭合导纳图；调节D1MD2膜厚，使M的导纳曲线沿实轴对称分布，使整个膜系的偏振灵敏度达到最低；3)对沉积用基片进行清洗和沉积前处理，包括离子源轰击激活或预沉积，确定沉积工艺，采用蒸发或溅射等方法进行薄膜沉积；4)采用反射式光学监控系统进行反射率监控，采用半直接监控方式，每个膜堆采用一个监控片，三层膜沉积监控方式分别为：第一层为介质膜，沉积在新的监控片上，采用光强值法监控，当反射率达到设计值后进入下一层沉积；第二层为金属层，反射率随沉积先变小后变大，当反射率再次达到沉积初始的反射率值后进入第三层沉积，第三层为介质层，反射率随沉积过程变小，当达到极值时暂停沉积；5)判断当前膜堆是否为最后一个膜堆，如果是，继续沉积，直到反射率达到设计值；如果不是，更换监控片，进入下一个膜堆的沉积，重复步骤4)；6)完成所有膜层的沉积，输出成品。...

【技术特征摘要】
1.一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法，其特征在于包
括以下步骤：
1)根据分色膜的技术要求，选择介质膜材料和金属膜材料，用于形成两
种介质-金属-介质结构，通过光学导纳匹配方法进行组合，初步确定膜系结构：
膜系结构为基底/(D′1M′D″1)xD1MD2/空气，其中，D′1、D″1和D1表示第一种介
质膜但厚度不同，M′和M表示同一种金属膜但厚度不同，D2表示第二种介质
膜，x为自然数，表示膜堆重复次数；介质可为Ta2O5，Al2O3，SiO2，Nb2O5或MgF2，金属采用透光波段折射率n近似为零的Al，Ag或Au材料；导纳匹
配方法为：当所有膜层的厚度变成其折射角的余弦值倍数时，设计用参考单色
光为垂直入射，基底/(D′1M′D″1)x的导纳近似为基底折射率，基底/D1MD2的导
纳近似为空气折射率；
2)利用EssentialMacleod等薄膜设计软件对膜系结构进行微调和优化，
进一步降低透射光谱的偏振灵敏度，同时使膜系结构方便监控制作：...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡清元，刘定权，郑玉祥，周靖，罗海瀚，丛蕊，秦杨，王曙光，刘保剑，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31