一种矩形深截止超窄带带通滤光片的制作方法与流程

本发明属于1.06微米激光器及其应用系统领域，涉及一种矩形深截止超窄带带通滤光片的制作方法。

背景技术：

激光具有同向性、高亮度、单色性和高能量密度的四大光学特性。由于其相对普通光线的特殊特性，激光器及其应用系统在现代社会发展中起到了越来越重要的作用，广泛应用于各种民用和军用领域。在激光器及其应用系统的光学系统中，为了达到系统设计要求，系统中光路所经过的光学元件一般都需要镀制光学薄膜。

所谓光学薄膜，是指选取不同光学折射率的镀膜材料，使用物理或化学沉积的方法将不同膜料按光学原理计算好的厚度和顺序沉积在待镀膜元件的表面，使元件最终获得具有系统要求的光学性能。

激光光学系统中一类非常重要的光学元件就是带通滤光片。这类滤光片主要应用于各种激光探测器、接收器系统。随同工作波长的激光同时通过滤光片的还有环境中各种杂散光，包括自然光、各种人工照明等，基本包含了光谱范围内的各个波长的光线。带通滤光片的功能即允许工作波长的激光信号通过，同时滤除所有其他波长的无关光线。允许通过的波长范围即通带，滤除的波长范围即禁带。

带通滤光片的三个主要性能指标为：

1.矩形度。理想的带通滤光片在通带完全通过，禁带完全截止，其光谱相应曲线在通带形同矩形，但是这种结果需要无限多层的薄膜来逼近。实际制作中，滤光片的通带形状由于误差的影响及膜系本身层数有限而不可能完全成矩形，其通带形状与矩形的相似程度称为矩形度。

2.截止度。滤光片对于禁带波长范围的能量抑制程度称为截止度。对于任何系统，信噪比越高，系统性能越优异。信噪比的指标对于激光接收、探测系统尤为重要，因为探测器本身的光谱响应范围一般都比激光工作波长宽得多。为了获得尽可能高的信噪比，需要尽可能降低禁带信号的强度，要求滤光片在禁带的截止度越高越好。

3.通带宽度。根据滤光片的应用要求，滤光片有不同的通带宽带。有时候也用滤光片峰值透过率一半时通带两侧的波长差值也就是半宽来表征这一指标。一般通带宽度小于10nm以下的带通滤光片，称之为超窄带滤光片。

激光系统中常用的带通滤光片都是基于法布里-帕罗原理设计的干涉滤光片。该干涉滤光片选取两种不同折射率的材料作为薄膜材料，其中折射率高的材料定义为H，折射率低的材料定义为L。典型的法布里-帕罗原理干涉滤光片的膜系结构为：基板/(HL)^m H nL(HL)^(m+1)/空气，其中m和n分别是正整数，其单位厚度为滤光片工作波长的四分之一，其具体取值取决于需要获得产品的指标要求，上述结构即为一个干涉腔。图4描述了现有技术一个典型的1.06微米波长单腔带通滤光片的光谱测试结果。从图4可以看出，这种简单设计的滤光片有如下局限：

1.矩形度差。由于设计原理本身的局限，单腔的干涉滤光片通带形状一般都接近半圆形甚至锥形，从而导致通带很窄，在需要时无法提供较大的通带宽度，导致总的激光能量透过率不高。由此引发的实际使用中的问题是滤光片抗温漂性能差。众所周知，滤光片在实际使用中光谱会随着温度的变化产生漂移。单腔滤光片光谱随温度漂移后，在工作波长上的透过率可能发生非常大的变化，不利于工作的稳定性。

2.截止度差。这同样是由其设计原理造成的。从图4可以看出，单腔滤光片在通带和禁带之间通过率变化缓慢，而且截止度很低。

光学薄膜的实际生产时，会将要镀膜的工件置于待蒸发的膜料上方的圆形工件载盘中。工件载盘在镀膜时会高速旋转，其中心放置监控片，镀膜机通过监测监控片的透射或反射光信号的强度随膜料沉积厚度的变化来控制镀膜进程。这种方法即为常用的中心监控法。该方法的特点是监控点处的薄膜可以很高程度符合理论设计，但离监控点越远，由于位置差异导致的误差越大，最终导致以监控点为中心的一定半径范围内的薄膜可达到设计要求，其外即为次品或废品。该半径内的面积称之为镀膜有效面积。由于多腔滤光片对于误差控制的要求很高，其有效面积远小于普通光学薄膜产品。一般光学薄膜的镀膜机其工件安装的伞架或载盘直径可轻易达到1.5米以上。以日本光驰生产的M111滤光片专用镀膜机为例，其工件载盘的直径仅有330毫米，实际镀制多腔滤光片时，可用面积更是远小于该直径，对于高要求的矩形深截止超窄带带通滤光片，甚至可用面积的直径仅有20余毫米。

同时，多层膜随着膜层层数的增加，对镀膜时控制精度的要求也越高。尤其是对于多腔滤光片这种对控制误差极为敏感的精密薄膜，镀膜工程中稍有不慎极有可能多腔之间互相影响，导致获得的产片通带变形甚至塌陷成为废品。实际镀膜时如何控制和减小误差，将很大程度上决定获得的产品质量。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：针对现有技术存在的不足之处，提出一种生产效率高，能够提高带通滤光片有效面积和截止度，有效控制误差的负面影响的超窄带带通滤光片的制作方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种矩形深截止超窄带带通滤光片的制作方法，其包括如下步骤：

(1)确定理论膜系，根据超窄带带通滤光片预先要求的性能参数确定滤光片的膜系结构；

(2)使用全自动镀膜机，根据上述获得的理论膜系结构，制作出该镀膜机自动控制用的模板控制文件；

(3)在镀膜机内装入选定的镀膜材料，采用偏心监控的控制方式，镀膜机按选定的模板控制文件自动完成滤光片的制作。

其中，所述步骤(1)中，以多腔滤光片的典型膜系结构为基础，选取Ta₂O₅作为高折射率材料，SiO₂为低折射率材料，分别定义Ta₂O₅和SiO₂在λ/4的单位光学厚度为H和L。

其中，所述步骤(2)中，全自动镀膜机具有石英晶体振荡膜厚控制仪、高精度光学膜厚控制仪和射频离子源辅助镀膜.。

其中，所述矩形深截止超窄带带通滤光片工作于1064nm，典型半宽5.2nm。

其中，所述超窄带带通滤光片预先要求的性能参数包括：理论半宽，分布值为5～5.4nm，通带平均透过率大于或等于95％的区域，其宽度不小于3nm。

其中，所述步骤(1)中，在计算机上，使用膜系设计软件TFC Calc对上述H和L进行模拟，根据超窄带带通滤光片要求的性能参数确定滤光片的膜系结构。

其中，所述膜系结构为：基板/(HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL)(HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL)(HLHLHLHLH4LHLHLHLHL0.6H0.8L)/空气。

其中，所述膜系结构中的典型膜系结构为：基板/(HL)^a H bL(HL)^(a+1)(HL)^c H dL(HL)^(c+1)……(HL)^m H nL(HL)^(m+1)/空气，实际镀制时腔的数量和每个腔的具体参数由所需产品的性能参数决定。

其中，所述步骤(3)中，偏心监控方式的监控点的选择以获得尽可能大的镀膜有效面积为目的。

其中，偏心监控方式中，选定离工件载盘中心半径为22mm的圆周上一点为监控点，通过监控基板上该点的透射光强度来控制镀膜进程实现的。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的矩形深截止超窄带带通滤光片的制作方法，具有以下有益效果：

本发明在现有技术单腔滤光片的基础上，采用多腔滤光片，通过多个单腔设计的堆叠，可以很好地提高矩形度；在明显压缩通带和禁带之间过渡区域的同时，获得远高于单腔滤光片的截止度。

改进滤光片的镀制工艺。根据多次试验结果的经验，配合计算机软件的误差分析证明，使用本发明制定的工艺控制方法，可以有效控制误差的负面影响，获得与理论设计相符合的实际产品。

本发明摒弃常用的中心监控法，采用偏心监控的控制方式，有效提高镀膜有效面积。经多次试验和比较后，选定离工件载盘中心为22mm的点为监控点。偏心监控法的优点在于：首先，该方法实际监控的是高速旋转的工件上该半径处整个圆周上所有点的平均值，因而在一定程度上减小了误差；其次，由于监控点两侧的区域都接近于监控点，明显强于中心监控法的一侧区域，因此该方法可以明显提高镀膜有效面积。通过本发明上述特别制定的工艺控制方法，可以将此类滤光片的有效面积的半径提升至40mm，很大程度提高了生产效率和成品率。从图3可以看出，在半径40mm的有效面积内，获得产品的最大波长差异仅为0.4nm，具有良好的均匀性。

本发明选定多腔设计的方法，获得了具有良好矩形度及高截止度的理论设计结果。在实际制作过程中，采用偏心监控法限制和减小控制误差，实际获得了具有大的有效面积和良好均匀性的产品，可以很大程度提高矩形深截止超窄带带通滤光片这类要求很高的高端光学薄膜产品的生产效率，尤其对于大口径的此类滤光片生产具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明工作于1064nm，典型半宽5.2nm的矩形深截止超窄带带通滤光片的理论设计曲线示意图。

图2根据本发明工艺镀制的实际产品的测试结果的曲线示意图。

图3是根据本发明工艺镀制的大口径矩形深截止超窄带带通滤光片均匀性分布的曲线示意图。

图4是现有技术典型单腔带通滤光片曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供的矩形深截止超窄带带通滤光片的制作方法包括如下步骤：

(1)确定理论膜系，以多腔滤光片的典型膜系结构为基础，选取Ta₂O₅作为高折射率材料，SiO₂为低折射率材料，分别定义Ta₂O₅和SiO₂在λ/4的单位光学厚度为H和L，根据超窄带带通滤光片预先要求的性能参数确定滤光片的膜系结构；

(2)使用具有石英晶体振荡膜厚控制仪、高精度光学膜厚控制仪和射频离子源辅助镀膜的全自动镀膜机，根据上述获得的理论膜系结构，制作出该镀膜机自动控制用的模板控制文件；

(3)在镀膜机内装入选定的镀膜材料，采用偏心监控的控制方式，镀膜机按选定的模板控制文件自动完成滤光片的制作。

参阅图1。为了解决单腔滤光片的不足，对于对滤光片性能要求非常苛刻的应用领域，通常可以使用多腔滤光片的设计，通过多个干涉腔的叠加，获得更好的矩形度、截止度和需要的通带宽度。根据工作于1064nm，典型半宽5.2nm的矩形深截止超窄带带通滤光片的理论设计曲线，首先，确定理论膜系，以多腔滤光片的典型膜系结构为基础，选取Ta₂O₅作为高折射率材料，SiO₂为低折射率材料，以λ为1064nm，分别定义Ta₂O₅和SiO₂在λ/4的单位光学厚度为H和L。滤光片的性能参数包括，理论半宽，分布值为5～5.4nm，通带平均透过率大于或等于95％的区域，其宽度不小于3nm。在计算机上，使用膜系设计软件TFC Calc对上述H和L进行模拟，根据超窄带带通滤光片要求的性能参数确定滤光片的膜系结构为：

基板/(HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL)(HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL)(HLHLHLHLH4LHLHLHLHL0.6H0.8L)/空气。其典型膜系结构为：基板/(HL)^a H bL(HL)^(a+1)(HL)^c H dL(HL)^(c+1)……(HL)^m H nL(HL)^(m+1)/空气，实际镀制时腔的数量和每个腔的具体参数由所需产品的性能参数决定。

滤光片实际制作时，使用具有石英晶体振荡膜厚控制仪、高精度光学膜厚控制仪和射频离子源的全自动镀膜机。该镀膜机可以选用日本光驰公司生产的NBPF-M0111型窄带滤光片专用镀膜机进行。然后，根据获得的理论膜系，制作出该镀膜机自动控制用的模板控制文件。在此步骤中，采用偏心监控的控制方式。该偏心监控方式的监控点的选择以获得尽可能大的镀膜有效面积为目的，可以是在选定离工件载盘中心半径为22mm的圆周上一点为监控点，通过监控基板上该点的透射光强度来控制镀膜进程实现的。监控点两侧的区域都接近于监控点。在镀膜机内装入选定的镀膜材料Ta₂O₅和SiO₂，将镀膜工件置于工件载盘中，启动镀膜机，镀膜机按选定的模板控制文件自动完成滤光片的制作。

图2描述了使用本发明实际生产的1.06微米波长3腔带通滤光片的光谱测试结果。其中图线1是实际产品上中心点的测试结果，图线2是理论设计。从图中可以看到，实际制成的产品除了在通带透过率稍低于理论值以外，可以很好地达到理论设计要求。

图3描述了滤光片的均匀性分布。对于制得的半径40mm圆形滤光片，分别选取了图线3圆心，半图线4径20毫米点和图线5半径40毫米点，共3个位置测试。测试结果表明制得的滤光片，在径向分布上最大波长差异仅为0.4nm，具有良好的均匀性，证明本发明可以很好地应用于大口径矩形深截止超窄带带通滤光片的制作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。