一种修正薄膜高低折射率材料相对厚度配比的膜系的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种修正薄膜元器件高低折射率材料相对厚度配比的膜系，该膜系的基本结构为Sub|HL1.5HLHL1.5HL|Air，Sub是薄膜元件基板，Air是出射介质空气，H和L分别是1/4中心波长光学厚度的高低折射率材料。采用膜系结构的薄膜元件透射光谱特征峰较多，中心波长反射带右侧两个等高特征峰用来修正高低材料的相对膜厚配比。本发明结构简单、可参考光谱特征峰多、峰高对膜层材料配比敏感，光谱可用常规的光学监控或晶振监控实现，具有较高的可制备性，便于推广。本发明在薄膜光学领域有广阔的实用前景，可用于镀膜机内膜层厚度均匀性及大尺寸光学元件整体厚度均匀性的修正，并且可用来校正高低折射率膜层材料相对厚度的配比，提高高精度光谱需求薄膜元件的制备精度和量产程度。
【专利说明】
一种修正薄膜高低折射率材料相对厚度配比的膜系
技术领域
[0001]本发明涉及光学薄膜，尤其涉及一种薄膜元件制备时修正高低折射率材料相对厚度配比的膜系。
【背景技术】
[0002]自19世纪初薄膜被制造使用以来，一代一代的科学家对薄膜的理论、制备工艺、材料和应用领域进行了不断地深入研究，逐渐形成了较为完备的光学薄膜体系。现在薄膜技术在电子元器件、激光、航天等高科技行业领域有着极其广泛地应用，并且薄膜技术越来越影响着其产品的性能，已成为高科技行业的重要技术。但是薄膜制备过程中可能会出现膜层均匀性不理想和高低折射率材料厚度比失配问题，膜层均匀性大家研究的比较多，主要包括两个方面:一是在同一次镀制过程中处于镀膜机工件架不同位置的薄膜应该有相同的膜厚分布;二是同一个光学元件，其基板上面的薄膜特性应该处处相同。第一方面保证了光学元件产业化的镀膜效率，后者保证每个光学元件的光谱准确性及大尺寸光学元件精确制备的可能性。因此，对于一台新的镀膜机或者一种新的镀膜材料，薄膜制备者都会首先采取措施(例如通过修正掩膜板等)来保证薄膜的均匀性。但通常情况下，大家修正的都是整体光学厚度的一致性，即高低折射率材料光学厚度之和的一致性，而不追究高低折射率材料光学厚度比是否是设计所需求的1:1，对于普通光谱需求的薄膜，如高反射膜、单点增透膜而言，高低折射率材料相对光学厚度比不是1:1并不影响所需要的光谱精度。但是对高精度光谱需求的薄膜制备而言，如窄带滤光片、高陡度带通滤光片及宽波段增透膜等，仅仅修正光学元件膜层整体厚度均匀性是远远不够的，它们不仅仅要保证总体光学厚度的准确性，还需要保证高低折射率材料光学厚度相对比例的准确性。因此发明一种能够同时修正膜厚均匀性和高低折射率材料光学厚度配比的模系结构，对于制备大口径、最佳膜厚均匀性及高精度光谱需求的薄膜、对指导大规模大批量光学薄膜生产实践具有重要意义。
[0003]本发明利用了一种SubI HLl.5HLHL1.5HL | Air的膜系结构，来修正薄膜高低折射率材料厚度配比。这个膜系结构对应的光谱特征峰比较多，除了可以用来表征大尺寸元件整体膜层厚度的均匀性之外，还可以同时修正高低材料的膜厚配比分布。在中心波长反射带右侧的两个特征峰透射率极小值的相对大小比值代表着高低折射率材料的膜厚比例的大小，可以通过透射率的比值简易快捷地推算出高低折射率材料光学厚度的比值。此外该膜系结构对薄膜材料折射率的非均质性不敏感，尤其适合在由氧化铪、氧化锆等具有折射率非均质性材料构成的激光薄膜的制备中。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种可以修正膜厚高低折射率材料光学厚度相对配比的膜系结构，它能良好地实现镀膜机内部膜层厚度均匀性及大尺寸光学元件厚度均匀性的修正，并且可以用来校正高低折射率材料光学厚度的相对配比。该膜系结构膜层数较少且都为规整结构，总体厚度可以根据实际需求调整设计波长实现，光谱可以用常规的光学监控或晶振监控实现，具有较高的可制备性，便于推广。
[0005]本发明提出的一种修正薄膜元件高低折射率材料相对厚度配比的膜系，所述膜系的结构为:Sub I HLl.5HLHL1.5HL | Air，其中:Sub为薄膜元件基板，Air为出射介质空气，H和L分别代表1/4中心波长光学厚度的高折射率材料、低折射率材料;所述膜系结构的主要特征峰有3个，中心波长反射带左侧有I个特征峰，右侧有2个特征峰，所述3个特征峰都可以用来表征判断薄膜元件整体厚度的偏差和均匀性，位于中心波长反射带右侧的2个特征峰可以用来根据透过率的高低来判断高低折射率材料厚度相对配比系数。
[0006]本发明中，所述薄膜元件基板采用玻璃或晶体，所述玻璃为K9玻璃或石英玻璃。
[0007]本发明中，高折射率材料是Ta205、Ti02、Hf02或ZrO2等氧化物中的任一种，或是硫化物、砸化物等材料种的任一种;低折射率材料是Si02、Al203或MgF2等材料中的任一种。
[0008]本发明中，所述膜系对材料的非均质性不敏感，适合于由氧化铪、氧化锆等激光薄膜中常用的含有非均质性材料薄膜元件的制备中。
[0009]本发明中，所述膜系的设计波长可以根据所用设备的特点及需求任意选取。
[0010]本发明中，中心波长反射带右侧的2个特征峰可以用来根据透过率的高低来判断高低折射率材料厚度相对配比系数，具体为:若位于中心波长反射带右侧的2个特征峰的透射率高度一致，则可以判断高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比是1:1，如果两者的高度不一致，则可以根据2个透射峰的高低判定它们光学厚度的比值，当左边特征峰高时，则高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比大于I，当右边特征峰高时，则高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比小于I。
[0011 ]本发明的方法是在任意光学基板上采用物理气相沉积方式依次生长高低折射率介质膜层。
[0012]本发明中，此膜系的制备可以用常规的光学监控或晶振监控轻易实现。
[0013]本发明的有益效果在于:具有膜系结构简单、可参考光谱特征峰多、峰高对膜层材料厚度配比敏感，并且此膜系结构的光谱特征峰对材料的非均质性不敏感。同时此膜系结构为准规整结构，可以用常规的光学监控或晶振监控轻易实现。根据此膜系可以很方便的判断和修正镀膜机内各处样品的膜厚搭配比例和整体厚度的分布。
【附图说明】
[0014]图1:实施例1膜系结构Glass| HLl.5HLHL1.5HL | Air的光谱曲线，设计波长为550nmo
[0015]图2:膜系结构Glass| HLl.5HLHL1.5HL | Air的示意图。
[0016]图3:实施例1尺寸为200mm X 200mm的1064nm窄带滤光片的理论光谱和实测光谱。
[0017]图4:实施例2尺寸为10mmX10mm的1064nm宽角度超高陡度薄膜实测光谱。
【具体实施方式】
[0018]下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
[0019]实施例1:
需要制备半宽度小于6nm，尺寸为200mm X 200mm 口径的双腔窄带滤光元件，由于其膜系的对称结构，对高低折射率材料的厚度配比要求极其严格，同时对于如此大尺寸的窄带滤光片要想实现整个尺寸内的光谱均匀性也是极高的要求。为此，先采用本设计中提到的膜系结构SUB I HLl.5HLHL1.5HL | AIR来同时修正氧化铪、氧化硅材料薄膜元件的厚度配比，其中SUB为石英基板，H为HfO2、L为S12 ο其光谱曲线如图1所示，设计波长为550nm，其主要特征峰有3个，这3个峰都可以用来表征判断薄膜元件整体厚度的偏差和均匀性以及高低折射率厚度配比，通过比较测量值与计算值峰的漂移程度来计算厚度的偏差和均匀性，其中中心波长反射带右侧2个特征峰可以用来根据透过率的高低来判断高低折射率材料厚度配比系数。若两者的透射率高度一致，则可以判断高低折射率材料的光学厚度比是1:1，如果高度不一致，则可以根据透射峰的高低判定它们光学厚度的比值，其中左侧峰对应高折射率材料，右侧峰对应低折射率材料，当左边特征峰高时，则高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比大于I，当右边特征峰高时，则高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比小于I。
[0020]通过此种修正后，成功在0PT0RUN生产的配备反射式间接监控镀膜设备0TFC-1300上面制备出通光口径达200mm X 200mm，带宽为5.2nm，中心波长误差不超过2nm的双腔窄带滤光片。其设计光谱和实测光谱如图3所示。
[0021]实施例2:
在激光系统中有宽角度超高陡度薄膜的需求，例如，需要在10mm X 10mm石英基底上镀制薄膜，入射角度范围为0-14°，光谱要求为T〈0.1%@ 1000nm-1047nm,T>90%il064nm-llOOnm。此膜系有两个特点，一是截至度很高，二是要求对角度不敏感。这个膜系需要对高低折射率的厚度制备精度控制的极其准确，否则截止度不可能达到要求。同时，10mmX10mm的尺寸对薄膜整体厚度均匀性的控制也提出了极高的要求。在实际制备过程中，先采用本设计中提到的膜系结构SUB I HLl.5HLHL1.5HL | AIR来同时修正氧化铪、氧化硅材料薄膜元件的厚度配比，其中SUB为石英基板，H为Hf02、L为Si02。使材料的厚度配比及膜厚均匀性均达到0.1%的精度，最终成功制备出满足指标要求的光学元件，其实测光谱曲线如图4所不O
【主权项】
1.一种修正薄膜元件高低折射率材料相对厚度配比的膜系，其特征在于所述膜系的结构为:Sub I HLl.5HLHL1.5HL | Air，其中:Sub为薄膜元件基板，Air为出射介质空气，H和L分别代表1/4中心波长光学厚度的高折射率材料、低折射率材料;所述膜系结构的主要特征峰有3个，中心波长反射带左侧有I个特征峰，右侧有2个特征峰，所述3个特征峰都可以用来表征判断薄膜元件整体厚度的偏差和均匀性，位于中心波长反射带右侧的2个特征峰可以用来根据透过率的高低来判断高低折射率材料厚度相对配比系数。2.根据权利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相对厚度配比的膜系，其特征在于所述薄膜元件基板采用玻璃或晶体，所述玻璃为K9玻璃或石英玻璃。3.根据权利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相对厚度配比的膜系，其特征在于高折射率材料是Ta205、Ti02、Hf02或ZrO2中的任一种，或是硫化物、砸化物中的任一种；低折射率材料是Si02、Al203或MgF2中的任一种。4.根据权利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相对厚度配比的膜系，其特征在于所述膜系对材料的非均质性不敏感，适合于由氧化铪、氧化锆等激光薄膜中常用的含有非均质性材料薄膜元件的制备中。5.根据权利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相对厚度配比的膜系，其特征在于所述膜系的设计波长可以根据所用设备的特点及需求任意选取。6.根据权利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相对厚度配比的膜系，其特征在于中心波长反射带右侧的2个特征峰可以用来根据透过率的高低来判断高低折射率材料厚度相对配比系数，具体为:若位于中心波长反射带右侧的2个特征峰的透射率高度一致，则可以判断高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比是I: I，如果两者的高度不一致，则可以根据2个透射峰的高低判定它们光学厚度的比值，当左边特征峰高时，则高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比大于I，当右边特征峰高时，则高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比小于I。
【文档编号】G02B1/10GK106066498SQ201610595894
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月27日
【发明人】焦宏飞, 何宇, 鲍刚华, 马彬, 程鑫彬, 王占山, 李刚正, 孙英会
【申请人】同济大学, 光驰科技(上海)有限公司