本发明属于薄膜光学技术领域，涉及一种深紫外窄带滤光片制备方法，制备的滤光片带宽窄和透过率高，能够实现宽广范围的深度截止，解决深紫外滤波问题。
背景技术：
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滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件，滤光片的共性就是没有任何滤光片能让天体的成像变得更明亮，因为所有的滤光片都会吸收某些波长，从而使物体变得更暗。滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的，红色滤光片只能让红光通过，如此类推，玻璃片的透射率原本与空气差不多，所有有色光都可以通过，所以是透明的，但是染了染料后，分子结构变化，折射率也发生变化，对某些色光的通过就有变化了，比如一束白光通过蓝色滤光片，射出的是一束蓝光，而绿光、红光极少，大多数被滤光片吸收了。滤光片的作用很大，广泛用于摄影界，一些摄影大师拍摄的风景画，为什么主景总是那么突出，是怎样做到的？这就用到了滤光片，比如你想用相机起拍一朵黄花，背景是蓝天、绿叶，如果按照平常拍，就不能突出“黄花”这个主题，因为黄花的形象不够突出，但是，如果在镜头前放一个黄色滤光片，阻挡一部分绿叶散射出的绿光和蓝天散射出的蓝光，而让黄花散射出的黄光大量通过，这样，黄花就显得十分明显了，突出了“黄花”这个主题。滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类：按照光谱波段分为紫外滤光片、可见滤光片和红外滤光片；按照光谱特性分为带通滤光片(选定波段的光通过，通带以外的光截止，其光学指标主要是中心波长cwl和半带宽fwhm，分为窄带和宽带，比如窄带808滤光片nbf-808)、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片和反射滤光片；按照膜层材料分为软膜滤光片和硬膜滤光片，硬膜滤光片不仅指薄膜硬度方面，更重要的是它的激光损伤阈值，所以它广泛应用于激光系统当中，面软膜滤光片则主要用于生化分析仪当中。
光学薄膜的基础理论是建立在电磁场理论和麦克斯韦方程的基础上推导而来的，研究薄膜系统的光学特性，从理论观点来说，就是研究平面电磁波通过分层介质的传播。因此，处理薄膜问题的最有效的方法就是解麦克斯韦方程，以麦克斯韦方程和三个物质方程为基本公式，通过数学推导得到了电磁波的波动方程，对于不导电的均匀介质如下：
当平面电磁波以角频率ω，沿着方向矢量k传播距离为矢径r传播时，方程(2-1)与(2-2)的解为：
电场e和磁场h相互垂直，各自都与波的传播方向k0垂直，符合右旋法则。从麦克斯韦的电磁理论基本公式出发，由式(1-1)和(1-3)通过数学推导可得h和e之间的数值关系为：
其中y称为介质的光学导纳，其含义为电场强度和磁场强度的比值。μ0为磁导率，ε0为介电常数。在光波段，μr足够接近于1。
在入射介质中，由正方向行进和负方向行进两种波。如图6所示用符号表示一和二介质的各分量。根据麦克斯韦方程的积分形式，可以推出光在界面上的切向方向是连续的，对于单层膜在界面上应用边界条件可写出：
通过推导可得公式：
在光学上，处于两个均匀媒介之间的均匀介质膜的性质特别重要，我们假定所有媒介都是非磁性的(μr＝1)，得到如图7所示的单层膜等效界面，其中
单层膜的电场示意图如图8所示，利用矩阵形式表示可得：
其中，矩阵的位相厚度为：
即
其中，针对界面2利用边界条件可写成：
写成矩阵的形式为：
同时基片与薄膜的组合特征矩阵为：
根据上述对单层膜的分析与计算可以推广到多层膜的情况，多层膜的特征矩阵为：
其位相厚度：
此多层膜的计算公式适用于所有的膜层特性的计算。
中国专利201210548652.x公开的一种用于体感识别系统的近红外窄带滤光片包括基板和分别位于所述基板两相背表面的窄带滤光片主膜系和截止膜系，所述窄带滤光片主膜系和截止膜系均分别由高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠而成，所述高折射率膜层和低折射率膜层通过真空镀膜方法沉积形成，所述窄带滤光片主膜系的通带中心波长与体感识别系统红外发射光源中心波长一致；所述窄带滤光片主膜系为长波通膜堆和短波通膜堆叠加的结构，所述窄带滤光片主膜系的通带中心波长为850nm，通带宽度为20nm～50nm；所述截止膜系为长波通膜堆结构，所述截止膜系的截止范围为400nm～630nm，通带范围为750nm～1000nm；所述长波通膜堆由多个结构形式为0.5hl0.5h的基本膜堆叠加而成，所述短波通膜堆由多个结构形式为0.5lh0.5l的基本膜堆叠加而成，其中，h代表高折射率膜层，l代表低折射率膜层；所述窄带滤光片主膜系的总膜层数为40层～55层，所述截止膜系的总膜层数为30层～45层；中国专利201610971376.6公开的一种短波红外窄带滤光片包括：基板和形成在基板两侧表面上的正面膜系a/(hl)^4l(hl)^8l(hl)^8l(hl)^41.64h0.64l/s和反面膜系a/(0.5hl0.5h)^11α(0.5hl0.5h)^12β(0.5lh0.5l)^7γ(0.5lh0.5l)^10ω(0.5lh0.5l)^10/s，膜系中的符号含义：a为空气，s为h-k9l玻璃基底，h为高折射率材料五氧化二钛，l为低折射率材料二氧化硅，α、β、γ和ω分别表示各膜系中心波长与中心波长的倍数；中国专利201611007468.9公开的一种宽带截止超窄带滤光片包括基底，所述基底的两个表面分别记为a面和b面，所述a面和所述b面均具有多层反射膜，在所述a面上具有宽带截止滤光薄膜，膜系结构为：基底/αi(0.5hl0.5h)^aαi-1(0.5hl0.5h)^a...α1(0.5hl0.5h)^aβ1(0.5lh0.5l)^bβ2(0.5lh0.5l)^b...βj(0.5lh0.5l)^b/空气，其中h为高折射率材料，l为低折射率材料，αi＝0.8αi-1，...，α2＝0.8α1，α1＝0.8，β1＝1.2，β2＝1.2β1，...，βj＝1.2βj-1；其中根据截止带宽要求选择i和j值，根据截止度要求选择a和b值；在所述b面上具有超窄带滤光薄膜，膜系结构为：基底/l(hl)^mnh(lh)^ml(hl)^mnh(lh)^mlhl/空气，根据所述超窄带滤光薄膜的带宽和截止度要求选择m和n值；中国专利201710421753.3公开的一种窄带滤光片镀膜方法包括如下步骤：s1：在空白玻璃基底的一侧表面镀制主膜膜堆，使所述主膜膜堆与空白玻璃基底构成等效基底，所述等效基底在中心波长处的等效折射率与所述空白玻璃基底折射率相等；s2：所述等效基底的一侧表面镀制第一副膜膜堆、在另一侧表面镀制第二副膜膜堆；中国专利201720097206.x公开的一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片包括基底以及分别设置在基底两侧的主膜系和截止膜系，主膜系和截止膜系均由四个不同等效折射率的法布里-珀罗滤光片的三重周期膜组成，主膜系优选为g[(hl)^4h2l3h(lh)^4l(hl)^5h2lh(lh)^5l(hl)^5h2l3h(lh)^5l(hl)^4h2l3h(lh)^4l]3a，其中，h和l分别表示四分之一波长膜厚的高折射率膜和低折射率膜，高折射率膜为氧化钛、氧化铌或氧化钽，低折射率膜为氧化硅；中国专利201611192856.9公开的一种用于中高层大气白天风场观测的超窄带滤光片包括：组合放置的干涉滤光片与固态f-p标准具；其中，所述干涉滤光片用于初步抑制背景光；所述固态f-p标准具用于控制整体滤光片的带宽，所述固态f-p标准具是根据干涉原理，采用两块平行的玻璃平板或石英板组成，入射光照射到标准具后，在出射端会产生干涉条纹；上述专利涉及的滤光片均为窄带滤光片，窄带滤光片的主要作用是对光进行光谱选择，使需要的光通过，不需要的波长的光被截止，窄带滤光片是光电应用和激光技术中极重要的光学元器件，要求其具有良好的光学与机械性能，如中心波长具有良好的稳定性、峰值透过率高、截止带有高抑制比、膜层具有良好的均匀性及牢固度等；深紫外滤光片可以消除可见和紫外区的杂光，在光谱学、激光、天文物理学等很多领域有着广泛的应用；目前还没有应用于深紫外波段的窄带滤光片。因此，研发设计一种深紫外窄带滤光片制备方法，以制备带宽窄和透过率高的滤光片，实现宽广范围的深度截止，解决深紫外滤波问题，有良好的社会和经济价值，应用前景广阔。
全介质带通滤光片的截止带较窄，但只在有限区域是有效的，全介质窄带滤光片的高反射膜具有反射带宽，所以滤光片透射率峰值两边会出现旁通带。在大多数应用中，必须将旁通带抑制掉：通常短波旁通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸收玻璃滤光片来去掉，短波通吸收玻璃滤光片虽然可以有效抑制长波通旁带，但其短波方面透射率太低，降低了整体膜系的峰值透过率，而且在200nm-250nm的范围内滤光片截止是非常困难的，因为在这个光谱范围内没有短波通吸收玻璃滤光片。目前的研究有两种截止方法，一种是增加金属-介质滤光片，另一种是与滤光片串联反射镜获得截止，一级次金属-介质法布里-珀珞滤光片的优点就是没有长波旁通带，缺点是峰值透射率很低，半宽度就很大，以致截止度和通带形状无法使用。
技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种深紫外窄带滤光片制备方法，制备一种带宽窄和透过率高，能够实现宽广范围的深度截止，解决深紫外滤波问题的滤光片。
为了实现上述目的，本发明涉及的深紫外窄带滤光片制备方法的具体工艺过程包括设计膜系公式、制备基底层、制备滤光片层、制备膜层和控制膜层厚度共五个步骤：
(一)设计膜系公式：根据基底层、滤光片层、膜层和保护层的材料折射率、消光系数和设定的带宽值技术要求，设计出膜系公式，采用essentialmacleod(光学薄膜分析与设计软件)或tfcalc(薄膜设计软件)对膜系公式进行模拟仿真、优化和物理厚度值得更改；
(二)制备基底层：按照设定的尺寸裁剪基底层；
(三)制备滤光片层：按照在基底层的上表面沉积1层反射层，再在反射层的上表面镀1层滤光片层间隔层的顺序，总共沉积3层反射层，镀3层滤光片层间隔层，完成滤光片层的制作；
在反射层的表面镀滤光片层间隔层的作用是防止反射层氧化；
(四)制备膜层：选取折射率较低的为膜层间隔层，折射率较高的为折射层，按照在滤光片层的上表面沉积1层折射层，再在折射层的上表面镀1层膜层间隔层的顺序，总共沉积n层折射层，镀n层膜层间隔层，完成膜层的制作，在膜层的表面镀1层保护层，得到深紫外窄带滤光片；
(五)控制膜层厚度：根据实际需要采用电子束蒸发法或离子溅射法，采用晶体监控的方式通过控制膜层的生长时间进而控制深紫外窄带滤光片的厚度，使膜层间隔层成为反射层的增透膜，以提高深紫外窄带滤光片的透射率。
本发明制备的深紫外窄带滤光片的主体结构包括基底层、滤光片层、膜层和保护层；基底层的表面沉积有3层f-p腔的滤光片层，最上层滤光片层的表面沉积有2n-1(n为大于1的整数)层纯介质多腔滤光片的膜层，膜层的表面镀有保护层；基底层和保护层的材质包括mgf2(氟化镁)、lif(氟化锂)，sio2(石英)、k9玻璃和jgs1(石英玻璃片)；滤光片层的主体结构包括滤光片层间隔层和反射层，反射层的上表面沉积滤光片层间隔层，滤光片层为双半波f-p干涉滤光片结构(反射层/滤光片层间隔层/反射层/滤光片层间隔层/反射层/滤光片层间隔层)；膜层的主体结构包括折射层和膜层间隔层，折射层的上表面沉积膜层间隔层，膜层为高折射率材料/低折射率材料组合的f-p滤光片膜系，高折射率材料与低折射率材料组合能够减小深紫外窄带滤光片的半带宽，膜层的层数越多，深紫外窄带滤光片的半带宽越小，光学性能越低；滤光片层间隔层和膜层间隔层的材质包括mgf2和sio2；反射层的材质包括al(铝)、hfo2(二氧化铪)、alf3(三氟化铝)和pbf2(氟化铅)；折射层的材质包括al2o3(氧化铝)。
本发明制备的深紫外窄带滤光片的折射层与膜层间隔层的配合使膜层的透过率大于滤光片层的透过率，还能够达到深紫外窄带滤光片的增透目的，减少界面的反射光，提高光谱的透射率。
本发明制备的深紫外窄带滤光片的膜系结构为基底层/反射层/间隔层/反射层/间隔层/反射层/间隔层/折射层/间隔层/....../折射层/间隔层/空气。
本发明制备的深紫外窄带滤光片通过增加滤光片层的厚度降低深紫外窄带滤光片的半带宽；镀保护层、滤光片层间隔层和膜层间隔层以及沉积反射层和折射层的方法包括电子束蒸发法和磁控溅射法。
本发明制备的深紫外窄带滤光片具有高峰值透过率和宽长波截止度的光谱特性，特别适合应用于要求截止区较宽的场合；选用金属材料作为f-p带通滤光膜系的标准反射板，对可见及近红外的光谱进行有效的抑制，同时能够与膜层配合形成紫外透射带，避免常规的介质膜层为了得到理想的紫外三角形通带效果，而叠加标准反射板，带来膜层厚度较厚，制备难度较大，形成透射区域光谱误差的问题。
本发明与现有技术相比，利用f-p带通滤光膜的设计概念对金属-介质组合的透射滤光片进行设计，选择串置金属-介质滤光片来抑制长波区的旁通带，采用全介质滤光片来降低带宽，在双半波f-p干涉滤光片结构(反射层/间隔层/反射层/间隔层/反射层/间隔层)基础上串置以高折射率材料/低折射率材料组成的多层膜结构形成结构简单的f-p滤光片，在波段，实现在特定的深紫外波段的深度截止，通过改变滤光片层的形状，能够降低深紫外窄带滤光片的半带宽，使选定的膜层从膜系中分离出来，整个膜系的组合用两个选定的有效界面来表示，只要考虑选定膜层中的多束光干涉，多层膜的光学特性即可求得，并从中获得设计膜系的方法；其滤光片结构简单，制作方法简便，原理科学可靠，保证了可见光的透过率和深度截止，降低了深紫外窄带滤光片的半带宽。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程框图。
图2为本发明制备的深紫外窄带滤光片的主体结构原理示意图。
图3为本发明实施例涉及的深紫外窄带滤光片的透过率与波长线性关系示意图。
图4为本发明实施例涉及的深紫外窄带滤光片的透过率与波长线性关系log形式示意图。
图5为本发明实施例涉及的深紫外窄带滤光片制备方法的具体工艺过程示意图。
图6为本发明背景技术涉及的垂直入射时所取的电矢量方向符号示意图。
图7为本发明背景技术涉及的单层膜等效界面示意图。
图8为本发明背景技术涉及的单层膜的电场示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的深紫外窄带滤光片的深紫外窄带滤光片制备方法的具体工艺过程包括设计膜系公式、制备基底层、制备滤光片层、制备膜层和控制膜层厚度共五个步骤：
(一)设计膜系公式：根据实施例1选择的jgs1、al、sio2、al2o3和mgf2的折射率、消光系数和带宽小于2nm的技术要求设计出膜系公式：sio2|hmhh2mh(mh)^2m(hm)^2h2mh(mh)^2(nl)^3|jgs1，其中l为al，h为al2o3，m为mgf2，n为sio2，采用essentialmacleod(光学薄膜分析与设计软件)或tfcalc(薄膜设计软件)对膜系公式进行模拟仿真、优化和物理厚度值的更改；
(二)制备基底层：按照设定的尺寸将jgs1裁剪成基底层1；
(三)制备滤光片层：选取sio2为滤光片层间隔层10，al为反射层20，按照在基底层1的上表面沉积1层al膜，再在al膜的上表面镀1层sio2膜的顺序，总共沉积3层al膜，镀3层sio2膜，完成滤光片层2的制作；
在al膜的表面镀sio2膜的作用是防止al膜氧化；
(四)制备膜层：选取折射率较低的mgf2为膜层间隔层40，折射率较高的al2o3为折射层30，按照在滤光片层2的上表面沉积1层al2o3膜，再在al2o3膜的上表面镀1层mgf2膜的顺序，总共沉积13层al2o3膜，镀13层mgf2膜，完成膜层3的制作，在膜层3上镀1层保护层4，得到深紫外窄带滤光片；
(五)控制膜层厚度：根据实际需要采用电子束蒸发法或离子溅射法，采用晶体监控的方式通过控制膜层2的生长时间进而控制深紫外窄带滤光片的厚度，使mgf2膜成为al膜的增透膜，以提高深紫外窄带滤光片的透射率。
本实施例制备的深紫外窄带滤光片的主体结构包括基底层1、滤光片层2、膜层3和保护层4；基底层1的上表面沉积有3层滤光片层2，最上层滤光片层2的上表面沉积有13层膜层3；基底层1为jgs1；滤光片层2的主体结构包括滤光片层间隔层10和反射层20，反射层20的上表面沉积滤光片层间隔层10，滤光片层间隔层10为sio2，反射层20为al，滤光片层2为双半波f-p干涉滤光片结构(al/sio2/al/sio2/al/sio2)，金属al在可见光波段具有较大的消光系数和高反射特性，al与sio2的组合能够实现特定波段的深度截止和在深紫外波段的高透射率；膜层3的主体结构包括滤光片层间隔层10和折射层30，折射层30的上表面沉积滤光片层间隔层10，折射层30为al2o3，膜层间隔层40为mgf2，mgf2在紫外波段的消光系数使mgf2能够作为深紫外波段的光学薄膜材料，膜层3为al2o3/mgf2组合的f-p滤光片膜系，al2o3与mgf2的组合能够降低深紫外窄带滤光片的半带宽，保护层4为sio2。
本实施例制备的深紫外窄带滤光片的al2o3膜与mgf2膜的合理配合使膜层3的透过率大于滤光片层2的透过率，还能够达到深紫外窄带滤光片的增透目的，减少界面的反射光，提高光谱的透射率。
本实施例制备的深紫外窄带滤光片的膜系结构为jgs1/al/sio2/al/sio2/al/sio2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/al2o3/mgf2/sio2。
本实施例制备的深紫外窄带滤光片中的al膜在可见光波段具有较大的消光系数和高反射特性，能够实现10-195nm的波长的截止，通过增加滤光片层2的厚度来降低深紫外窄带滤光片的半带宽；镀mgf2膜以及沉积al膜和al2o3膜的方法包括电子束蒸发法和磁控溅射法。