法布里‑珀罗滤光片的制备方法与流程

本发明涉及一种滤光片的制备方法，特别涉及一种二维方向上中间腔层厚度连续变化的法布里-珀罗滤光片的制备方法。

背景技术：

线性渐变滤光片是一种在小型快速分光设备中广泛应用的光学薄膜器件，它作为一种光谱特性随滤光片表面位置变化的光学薄膜器件，具有体积小，重量轻，稳定性好等优点。在便携式快速分光，光谱仪线性度校正，光栅二级次光分离/截止等方面有很着很广泛的应用。

它与传统的光栅棱镜等分光元件相比具有体积小、通道密度大、通道中心波长理论上可以任意设计等优点。现有的几种线性渐变滤光片的设计方法由于其固有缺点限制了线性渐变滤光片的广泛应用，提出新的设计方法具有重要意义。

法布里-珀罗干涉原理：实质为多光束干涉，在中间谐振腔层两侧镀制上下高反射膜系，使得入射光在腔内发生多次反射和入射，并且入射波和反射波会发生干涉，从而形成多光束的干涉。

离子束蚀刻的原理： 是由离子源系统利用气体被激发达到一定的电离度而处于导电状态，这种状态的电离气体是由大量接近于自由运动的电子、离子和中性粒子所组成的体系，在整体上是准中性，称之为等离子体，等离子体经栅网加速并被引出成束，成为离子束流，离子定向运动达到被刻蚀材料表面与材料原子发生碰撞，将表面原子溅射出来或者与材料表面原子发生化学反应生成挥发性气体，达到去除材料的目的。

基于法布里-珀罗结构的滤光片是一种应用广泛、结构简单的透射滤光片，通过改变该滤光片的中间谐振腔层的厚度来实现滤光片的分光功能，实际是具有一定谐振腔厚度范围的F-P干涉滤光片，不同厚度对应着不同的峰值透射波长。

技术实现要素：

本发明是针对现有的几种线性渐变滤光片的设计方法由于其固有缺点限制了线性渐变滤光片的广泛应用的问题，提出了一种法布里-珀罗滤光片的制备方法，通过在二维方向上改变中间腔层的厚度来实现滤光片尺寸上的微型化和微型光谱仪的集成化。

本发明的技术方案为：一种法布里-珀罗滤光片的制备方法，具体包括如下步骤：

1）在K9玻璃基片上通过磁控溅射镀膜方式获得下层高反射膜系以及等厚均匀的中间腔层；

2）对中间腔层材料的刻蚀速率进行标定，计算出该材料在离子束刻蚀下的刻蚀速率；

3）定制离子束无法穿透的陶瓷挡板，且该挡板中间开有三角形窗口；将步骤1）的样品和挡板平行放置，中间腔层面对离子源，挡板位于离子源和样品之间，且三角形顶点与样品顶部等高对齐，离子束经三角形窗口垂直入射到样品上，样品在样品台的带动下在水平方向来回匀速运动，刻蚀出具有所需斜率的楔形中间腔层；

4）再将样品顺时针旋转90度，重复步骤3）所述刻蚀，在楔形中间腔层上进行二次刻蚀，最终得到二维方向上厚度连续变化的中间腔层；

5）在所制得二维方向上厚度连续变化的中间腔层表面上镀制等厚的上层高反射膜系，完成整个滤光片的制备。

所述步骤4）所得二维方向上厚度连续变化的中间腔层上有一条条相同厚度构成的等高线分布，在平行于等高线的方向滤光片有最小的线色散率，在垂直于等高线的方向滤光片有最大的线色散率。

本发明的有益效果在于：本发明法布里-珀罗滤光片的制备方法，基于中间腔层厚度变化来实现二维方向上线性渐变滤光的效果，相对于现有的线性渐变滤光片来说，本发明改变了原有的一维方向上线性渐变的结构，设计出二维方向上线性渐变的结构，提高了滤光片的有效使用面积，有利于减小滤光片作为微型光谱仪的分光元件所占空间体积，为了器件的集成化和微型化做出贡献。同时采用离子束刻蚀的方法可控性高、制作过程简易、工艺流程简单、膜厚控制较为精确。不仅工艺简单，制作过程可控性高，成品率高，可批量生产等优点，且在基于原有的一维线性变化的基础上产生了二维的线性变化，滤光片的不同位置对应不同的谐振腔层厚度，因而对应不同的透射波长。该款滤光片可以作为微型光谱仪的分光元件与面阵CCD/CMOS结合使用，这个设计大大的提高了滤光片的有效面积利用率，也就是在器件的微型化上得到显著改善，缩小了器件尺寸。

附图说明

图1为本发明中间腔层厚度变化的法布里-珀罗滤光片solidworks模拟仿真图；

图2为本发明法布里-珀罗滤光片中间腔层二维方向上厚度连续变化示意图；

图3-1为本发明法布里-珀罗滤光片中间腔层二维方向上厚度等高线变化示意一图；

图3-2为本发明法布里-珀罗滤光片中间腔层二维方向上厚度等高线变化示意二图；

图3-3为本发明法布里-珀罗滤光片中间腔层二维方向上厚度等高线变化示意三图；

图4为本发明滤光片的制备工艺示意图；

图5-1为本发明中间腔层制备第一次刻蚀示意图；

图5-2为本发明中间腔层制备第二次刻蚀示意图；

图6为本发明应用实例的模拟透射谱线图。

具体实施方式

如图1所示中间腔层厚度变化的法布里-珀罗滤光片solidworks模拟仿真图，图2 为法布里-珀罗滤光片中间腔层二维方向上厚度连续变化示意图。按图中所示，腔层的二维方向上有厚度连续递增（递减）的变化趋势，且在平面内存在若干条等高线。图3 -1、3-2、3-3分别为中间腔层二维方向上厚度等高线变化示意图，中间腔层厚度的变化斜率受两次刻蚀量比值的影响，可根据中间腔层厚度的变化来调控滤光片的线色散率，计算两次刻蚀量比值不同时中间腔层厚度的变化，中间腔层的厚度有等高线的分布，在平行于等高线的方向滤光片有最小的线色散率，在垂直于等高线的方向滤光片有最大的线色散率，如图3-1所示，可通过调整测试角度获得不同线色散率的滤光片。针对不同的等高线，我们只需要通过调整前后两次蚀刻量的比例就可以得到，而不同的蚀刻量的可以通过使用不同形状的三角挡板来达到。

法布里-珀罗滤光片制备的具体步骤如下：

1、滤光片的制备工艺：在K9玻璃基片上通过磁控溅射镀膜方式获得下层高反射膜系以及等厚均匀的中间腔层。对中间腔层离子束蚀刻调控厚度，之后再镀制上层反射膜系。如图4所示滤光片的制备工艺示意图。中间腔层是在上层反射膜系与下层高反射膜系之间。刻蚀是在基片镀制有下层反射膜系和等厚的中间腔层后，对腔层离子束蚀刻调控厚度，之后再镀制上层反射膜系。

2、对中间腔层材料的刻蚀速率进行标定，计算出该材料在离子束刻蚀下的刻蚀速率。

3、定制离子束无法穿透的陶瓷挡板，且该挡板中间开有三角形窗口；将样品和挡板平行放置，中间腔层面对离子源，挡板位于离子源和样品之间，且三角形顶点与样品顶部等高对齐，离子束经三角形窗口垂直入射到样品上，样品在样品台的带动下在水平方向来回匀速运动，刻蚀出具有一定斜率的楔形中间腔层。如图5-1所示中间腔层制备第一次刻蚀示意图。

将样品顺时针旋转90度，重复步骤3所述刻蚀，在楔形中间腔层上进行二次刻蚀，如图5-2中间腔层制备第二次刻蚀示意图，最终得到所设计的二维方向上厚度连续变化的中间腔层。

在所制得二维方向上厚度连续变化的中间腔层表面上镀制等厚的上层高反射膜系，完成整个滤光片的制备。

我们利用三角形陶瓷挡板控制基片不同位置的离子束刻蚀量，由于三角形陶瓷挡板在三角形高的方向上开口宽度不同，因此当基片在挡板后水平运动时，基片在对应着不同开口宽度上有着不同的刻蚀量。经过两次蚀刻，得到我们所设计的二维方向上厚度连续变化的中间腔层结构。三角形陶瓷挡板任意形状都可以，我们只是通过在垂直方向上挡板宽度的变化来控制滤光片中间腔层的厚度变化。所设计的挡板形状可根据蚀刻量来改变。

图6 模拟透射谱线给出不同腔层厚度与透射波长的对应关系，实际样品的不同位置对应不同的腔层厚度，滤光片位置所透射的波长与中间腔层的厚度相关。

设计一款由全介质高反膜系构成的FP滤光片，其中间腔层的厚度变化范围是包含470nm~650nm，工作波段在可见光范围500nm~580nm。

具体步骤：

1、在K9玻璃基片上通过磁控溅射镀膜方式获得下层由SiO₂和Ta₂O₅构成的全介质高反射膜系以及等厚均匀的SiO₂中间腔层。

2、对中间腔层SiO₂材料的刻蚀速率进行标定，计算出该材料在离子束刻蚀下的刻蚀速率。

3、定制离子束无法穿透的陶瓷挡板，且该挡板中间有三角形开窗口；三角形开口尺寸为60mm*170mm，将样品和挡板平行放置，中间腔层面对离子源，挡板位于离子源和样品之间，且三角形顶点与样品顶部等高对齐，离子束经三角形窗口垂直入射到样品上，样品在样品台的带动下在水平方向来回匀速运动，刻蚀出具有一定斜率的楔形中间腔层，刻蚀量为20nm~180nm，此时的厚度变化范围是540nm~700nm。

4、将样品顺时针旋转90度，重复步骤3所述刻蚀，在楔形中间腔层上进行二次刻蚀，刻蚀量为20nm~90nm，最终得到所设计的二维方向上厚度连续变化的中间腔层。

5、在所制得中间腔层上镀制同样的上层高反射全介质膜系，完成整个滤光片的制备。