一种高光学稳定性的超窄带滤光片制造技术

本实用新型专利技术公开一种高光学稳定性的超窄带滤光片，包括基底及设置在基底上的超窄带滤光膜。基底为FEP光学塑料，超窄带滤光膜为修正的三腔结构。滤光片中心波长λ

【技术实现步骤摘要】
一种高光学稳定性的超窄带滤光片
本技术涉及一种高光学稳定性的超窄带滤光片，属于光学薄膜领域，可广泛应用于光学、光电和激光系统及仪器作为信号滤波器。
技术介绍
薄膜带通滤光片作为光学滤波器在光学、光谱学、激光、天文物理等领域具有不可替代的重要应用。表征带通滤光片特性的主要参数包括中心波长或峰值波长λ0、峰值透射率Tm和半宽度△λ。如图1所示，半宽度是一半峰值透射率处的波长宽度，并常用△λ/λ0表示相对宽度。△λ/λ0大于5％的滤光片叫宽带滤光片，介于5％和1％之间的叫窄带滤光片，小于1％的叫超窄带滤光片。本技术中涉及的滤光片半宽度为1nm，相对宽度为1/530＝0.19％，属典型的超窄带滤光片。超窄带滤光片使用时会遇到非常棘手的光学稳定性问题，所谓光学稳定性是指滤光片使用过程中随着使用环境的相对湿度和环境温度变化所产生的光学特性的不稳定性：即滤光片中心波长或峰值波长λ0、峰值透射率Tm和半宽度△λ会随使用环境的相对湿度和环境温度的变化而变化，其中变化最大的是中心波长或峰值波长λ0的移动，习惯上称λ0的移动为波长漂移，这种波长漂移轻则导致滤光片滤波功能下降，重则会完全截断光路，失去信号。导致滤光片光学不稳定性的机理现在已经基本搞清楚了。上世纪70年代，薄膜工作者发现任何用加热蒸发制备的薄膜无一例外地都是多孔的柱状微结构(如图2所示)，这意味着薄膜内部的柱体表面实际上与薄膜外表面一样都是暴露于环境气氛中的，且柱体内表面的面积要比薄膜外表面的面积大十倍以上。薄膜柱体之间的空隙犹如贯穿薄膜的毛细孔，在环境气氛中具有极强的水吸附效应。为研究这种多孔的柱状结构，提出了一个简单明了的物理概念--聚集密度P，其定义为：对常规工艺制备的各种薄膜测试表明，P一般在0.75～0.95之间，这迫使人们重新认识：原来薄膜内部不是致密的，而是疏松的。即使采用优化工艺制备的薄膜，P一般也只能达到0.9～0.95。若取P＝0.92计算，当环境相对湿度从10％变化到95％时的滤光片高、低两种折射率的变化值代入商用TFC程序，则可算得滤光片的中心波长或峰值波长λ0漂移约为10nm左右，这就是以前为什么滤光片常须置于一个恒湿密封盒中才能使用的原因。λ0漂移的原因是直截了当的：当相对湿度为10％时，薄膜空隙中填充的基本上是折射率为1.0的空气，而当相对湿度上升到95％时，薄膜空隙中填充的基本上是折射率为1.33的水。这就是说，在高湿环境中，薄膜的折射率升高，致使光学厚度增大，故滤光片特性向长波漂移；反之，若相对湿度由高变低，则滤光片特性向短波漂移。这就是由环境相对湿度引起的漂忽不停的光学不稳定性。这种光学不稳定性直到世纪之交出现的光通讯波分复用器件的突破才得到基本解决，这就是离子辅助淀积：借助于辅助离子的动量传递来提高淀积薄膜分子的动能及迁移率，获得聚集密度为1的致密薄膜。但是，离子辅助淀积必须建筑在合理精准使用离子源的基础上，否则即使采用离子辅助，nm级的漂移仍然经常存在。不仅上面的相对湿度，而且环境温度也会产生滤光片的波长漂移。对环境温度变化，一方面会引起薄膜和基底的热胀冷缩，致使薄膜和基底的几何厚度变化；另一方面还会引起薄膜和基底的折射率变化。由于基底的几何厚度变化和折射率变化对滤光片的特性影响可以忽略，所以只需考虑薄膜几何厚度变化和折射率变化对滤光片的特性影响即可。假设冬夏季节环境温度的最大温差为80℃，依据滤光片高、低折射率膜的热线膨胀系数，可以方便计算出几何厚度的变化量；依据滤光片高、低折射率膜的折射率温度系数，计算出折射率的变化量。把这些变化量代入商用TFC程序，则可算得滤光片的中心波长或峰值波长λ0漂移量也是nm量级。显然，相比薄膜空隙吸水引起的波长漂移，环境温度引起的波长漂移量要小得多，但即便如此，在超窄带滤光片中也是不能容忍的，所以在野外恶劣环境下使用的超窄带滤光片也必须装在恒温密封盒中。为确保光学、光电和激光系统及仪器的高信噪比，滤光片实际使用时允许的波长漂移量要求小于半宽度的1/3，对本技术半宽1nm的超窄带滤光片，包括湿度和温度变化引起的实际总漂移必须小于0.33nm，其实此事并非轻而易举。本技术从超窄带滤光片膜系设计和制备工艺入手，对薄膜聚集密度、热膨胀系数和折射率温度系数展开一些探索和研究。特别是对离子源的控制，在简单方便的情况下确保薄膜聚集密度达到1，消除薄膜吸水带来的光学不稳定性；同时，通过对薄膜热线膨胀系数和折射率温度系数的匹配以及高膨胀系数基底的选用，消除薄膜因环境温度变化带来的光学不稳定性。最终达到相对湿度和环境温度变化引起的总漂移量小于0.33nm之目的。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种高光学稳定性的超窄带滤光片，消除滤光片使用过程中因相对湿度和环境温度变化所产生的光学特性的不稳定性，确保光学、光电和激光系统及仪器始终保持高的信噪比。为实现上述目的，本技术提出如下三个方面的构思和实验。一、超窄带滤光片膜系设计超窄带滤光片设计的第一步先要根据使用要求确定薄膜材料。用于可见光区的高折射率材料很多，包括氧化物TiO2，Nb2O5，Ta2O5，CeO2和硫化物ZnS等，但是它们当中折射率最高的是TiO2，它在波长530nm的折射率可达到2.44；TiO2不仅折射率高，而且折射率温度系数为负，有利于减小滤光片的温度漂移；TiO2还有机械强度高、薄膜应力小、材料廉价等优点，这就是TiO2成为薄膜设计者最常选择作为高折射率材料的原因。用于可见光区的低折射率材料较少，主要是氧化物SiO2和氟化物MgF2，这两种材料中，MgF2虽然折射率比SiO2低，但它属软膜材料，除非层数较少，可与TiO2等氧化物匹配使用。作为硬膜材料，SiO2是唯一一种性能极其优良的低折射率材料，它具有光学损耗低、激光损伤阈值高、机械强度高、热膨胀系数小、薄膜应力低等诱人的优点，而且，最重要的是与TiO2匹配能用最少的膜层数达到设计要求。薄膜材料确定后，第二步是根据技术指标来确定膜系结构。为了增加超窄带滤光片的陡度，膜系采用修正的三腔结构；同时为减小吸收，增加滤光片的峰值透射率，选用SiO2作为间隔层，具体膜系结构列出如下：S|(HL)4H2LH(LH)4L(HL)4H4LH(LH)4L(HL)4H2LH(LH)4L’|A，此膜系中心波长λ0＝530nm，它是1060nm激光的倍频波长，膜系总膜层数为60层，总几何厚度为4771nm，其中，S表示滤光片基底，A表示入射媒质空气，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率TiO2膜，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率SiO2膜，L’为任意厚度的MgF2减反射膜。可以看出，三个腔的间隔层为2L-4L-2L，腔与腔之间用L连接耦合。上述膜系有二个创新：1.基底S选择称为氟化乙烯丙烯共聚物(FluorinatedEthylenePropylene，简称FEP)的光学塑料。FEP具有二个特殊的性质，即极低的水吸收和极高的热膨胀系数(请见N.Kaiser，H.K.Pulker，OpticalInterferenc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高光学稳定性的超窄带滤光片，包括基底以及设置在所述基底上的超窄带滤光膜，其特征在于，所述的超窄带滤光膜的膜系结构为修正的三腔结构：S|

【技术特征摘要】
1.一种高光学稳定性的超窄带滤光片，包括基底以及设置在所述基底上的超窄带滤光膜，其特征在于，所述的超窄带滤光膜的膜系结构为修正的三腔结构：S|(HL)4H2LH(LH)4L(HL)4H4LH(LH)4L(HL)4H2LH(LH)4L’|A，其中，S表示滤光片基底，A表示入射媒质空气，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜，L’为减反射膜。


2.根据权利要求1所述的高光学稳定性的超窄带滤光片，其特征在于，所述的高折射率膜为二氧化钛膜，所述的低折射率膜为二氧化硅膜，所述的减反射膜为氟化镁。


3.根据权利要求2所述的高光学稳定性的超窄带滤光片，其特征在于，所述的二氧化钛膜的热线膨胀系数为2.5×10-6/度，所述的二氧化硅膜的热线膨胀系数为0.7×10-6/度，所述的减反射膜氟化镁的热线膨胀系数为18×10-6/度。


4.根据权利要求2所述的高光学稳定性的超窄带滤光片，其特征在于，所述的二氧化钛膜的折射率温度系数约为-0.57×10-6/度，所述的二氧化硅膜的折射率温度系数为1×10-5/度，所述的减反射膜氟化镁...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴江波，金波，艾曼灵，李冰霞，顾培夫，刘璐，
申请(专利权)人：杭州科汀光学技术有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33