一种消除量子效率差异的膜层设计方法

1.本发明属于光电测量与薄膜光学领域，特别涉及一种消除量子效率差异的膜层设计方法。


背景技术：

2.随着激光谱合成等技术的飞速发展，包含丰富光谱信息的激光源已经应用至测量、加工、通信等多领域，其相应的光电探测设备也在不断优化。
3.量子效率通常表示为光电探测系统在特定波长下单位时间内光电转换所产生的平均光电子数与入射光子数的比值。量子效率差异一般特指不同波长下的量子效率差值，是探测宽光谱激光源或未知波长激光源的重要指标。当探测波段量子效率差异过大时，对于宽光谱激光，易导致探测所得的激光光谱信息丢失；对于波长未知或波长不稳定的窄带激光，也会引入绝对功率测量的误差。
4.为解决这一问题，很多光电探测系统在设计之初，就致力于消除量子效率差异，但往往受限于光电材料特性。例如，si单晶材料在室温下的禁带约为1.1ev，根据光子能量公式，silicon光电探测器只对波长约1100nm以内的光产生光电转换效应，其红光量子效率已经降至绿光的一半以下。
5.相较而言，在集成光电探测系统时增设光学元件来消除系统总量子效率差异更为便捷有效。在探测系统前端设置以玻璃为基底的光学薄膜时，膜层的透过率将直接影响系统总量子效率。通过探测系统量子效率曲线以及系统总量子效率差异的允许范围，可以获取所需的膜层透过光谱，基于此可以仿真设计光学膜层，有望使系统的总量子效率实现所需的一致性。
6.现有技术中，光学膜层的设计方法有矢量法和导纳图解法。但是都需求针对光学特性方程组进行计算，当对膜层设计的要求不再是单一透过率而是具有固定变化要求的光谱曲线时，方程组的解算将十分繁琐。因此现在亟需一种简洁有效的消除量子效率差异的膜层设计方法。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明公开了一种消除量子效率差异的膜层设计方法，所述膜层设计方法包括以下步骤：
8.步骤s1：测定量子效率曲线，选定量子效率差异不满足应用需求的波段区间；
9.步骤s2：分析选定波段的量子效率曲线的特征；
10.步骤s3：根据所述特征匹配相应的光学膜层。
11.进一步的，所述步骤s3之后还包括：
12.步骤s4：测定镀膜后的总量子效率曲线，判断总量子效率曲线是否满足应用需求，若不满足则通过调整参考波长、调整膜层厚度、调整膜层层数、换用基底材料或换用膜层材料，直至总量子效率曲线满足应用需求。
13.进一步的所述步骤s1具体包括：
14.使用量子效率检测仪进行实时数据测量，选择工作波段中量子效率最大值与最小值的差值变化范围超过预定变化范围的区间作为不满足应用需求的波段区间。
15.进一步的，当所述特征为单减型时，将参考波长设定在波段区间内最长波长附近，使用g/hlh/a、g/mlh/a、g/hlm/a或g/mlm/a的膜层设计；
16.当所述特征为单增型时，将参考波长设定在波段区间内最短波长附近，使用g/hlh/a、g/mlh/a、g/hlm/a或g/mlm/a的膜层设计；
17.其中，g、a、l、m和h分别代表玻璃、空气、低折射率、中折射率和高折射率材料。
18.进一步的，当所述特征为单谷型时，将参考波长设定在波段区间内峰值所在波长附近，使用g/hlh/a、g/mlh/a、g/hlm/a或g/mlm/a的膜层设计；
19.当所述特征为单峰型时，将参考波长设定在波段区间内谷值所在波长附近，使用g/lhl/a、g/mhl/a、g/lhm/a或g/mhm/a的膜层设计；
20.其中，g、a、l、m和h分别代表玻璃、空气、低折射率、中折射率和高折射率材料。
21.进一步的，当所述特征为双谷型时，将参考波长设定在双峰中心所在波长附近，使用g/mhl/a的膜层设计；
22.当所述特征为双峰型时，参考波长设定在振荡所在波段以外，使用g/mlh/a的膜层设计；
23.其中，g、a、l、m和h分别代表玻璃、空气、低折射率、中折射率和高折射率材料。
24.进一步的，当所述特征为振荡型时，将参考波长设定在振荡区间外，使用g/mlhlh/a或g/hlhlh/a的膜层设计，如果使用g/mlhlh/a或g/hlhlh/a的膜层设计不能完全消除量子效率差异，在g/mlhlh/a或g/hlhlh/a的基础上叠加数层lh，直至仿真结果足以消除量子效率差异为止；
25.其中，g、a、l、m和h分别代表玻璃、空气、低折射率、中折射率和高折射率材料。
26.进一步的，根据所述选定波段的透过率需求，所述光学膜层的基底材料选用玻璃、cr或si；
27.高折射率材料包括ta2o5、tio2、hfo2、zns和zro2；
28.中折射率材料包括al2o3、yf3和sio2；
29.低折射率材料包括mgf2、na3alf6和alf3。
30.进一步的，对于具有单增、单减、单谷或单峰特征的量子效率曲线，所述光学膜层的膜层层数为三层及以上；
31.对于具有振荡型特征的量子效率曲线，所述光学膜层的膜层层数为五层及以上。
32.进一步的，所述光学膜层中，首次设定的单层厚度设置为1/4λ或1/2λ，λ为参考波长。
33.本发明的优点具体如下：
34.1)在谱合成激光源和波长不稳定的单色激光源的功率标定和强度分布测量等领域均可减小测量误差。
35.2)对于不同特性的探测系统量子效率曲线都提出了详细分析步骤，具有良好的普适性。
36.3)对于膜层设计所需的参数均给出了具体参考值或参考方向，利于针对具体的量
子效率曲线进行快速有效地仿真设计，具有良好的应用性。
37.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1示出了根据本发明实施例中消除量子效率差异的膜层设计方法的流程图；
40.图2示出了采用本方法设计的膜层在消除ingaas光电探测器量子效率差异实验数据对比图；
41.图3示出了采用本方法设计的膜层在消除silicon光电探测器量子效率差异实验数据对比图。
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.如图1所示，本发明公开了一种消除量子效率差异的膜层设计方法，所述膜层设计方法包括以下步骤：
44.步骤s1：测定量子效率曲线，选定量子效率差异不满足应用需求的波段区间；
45.步骤s2：分析选定波段的量子效率曲线的特征，其中，所述特性包括单减型、单增型、单谷型、单峰型、双谷型、双峰型和振荡型；
46.步骤s3：根据所述特征匹配相应的光学膜层。
47.具体的，以光电探测系统为例，光电探测系统量子效率存在一定的差异，因此需要对相关器件进行覆膜处理。而光电探测系统并不是在全波段均存在量子效率差异，因此在设计覆膜层时需要将相应的波段区间进行筛选出来，进行针对性的覆膜处理，以此达到对量子效率差异进行精准控制。在一般情况下，在量子效率曲线中，量子效率差异不满足应用需求的波段区间表现为量子效率差异过大，例如在量子效率曲线中，量子效率急剧上升或下降的边界波段，所述量子效率差异在量子效率曲线上量化为最大值与最小值的差值。选取了不符合应用需求的量子效率曲线后，分析选定的量子效率曲线特征，然后根据所述特征匹配相应的光学膜层。设计光学膜层选用essential macleod仿真软件，根据不同的量子效率曲线特征匹配不同光学膜层的属性，光学膜层的属性由基底材料、膜层层数、膜层厚度和膜层材料等决定。通过在仿真软件中不断改变光学膜层的属性以此来降低量子效率差异。
48.进一步的，所述步骤s1具体包括：使用量子效率检测仪进行实时数据测量，选择工
作波段中量子效率最大值与最小值的差值变化范围超过预定变化范围的区间作为不满足应用需求的波段区间。
49.具体的，在绘制量子效率曲线时可以参考器件出厂标定的数据绘制量子效率曲线。为了保证量子效率曲线的准确性，在本实施例中通过量子效率测量仪进行数据的实时测量，以此绘制量子效率曲线。
50.在选取不符合应用需求的量子效率曲线时，选取的依据是在量子效率最大值与最小值的差值变化范围超过预定变化范围的区间。
51.进一步的，在进行一次量子效率特性匹配后的光学膜层还不能使得量子效率差异完全符合应用需求。为了解决这一问题，在本实施例中所述步骤s3之后还包括：步骤s4：测定镀膜后的总量子效率曲线，判断总量子效率曲线是否满足应用需求，若不满足则通过调整参考波长、调整膜层厚度、调整膜层层数、换用基底材料或换用膜层材料，直至总量子效率曲线满足应用需求。通过多次对光学膜层的属性进行调整可以使得最终的总量子效率曲线完全满足应用需求。
52.进一步的，当选取的量子效率曲线特征为单减时，将参考波长设定在波段区间内最长波长附近，使用g/hlh/a、g/mlh/a、g/hlm/a或g/mlm/a的膜层设计；
53.当所述特征为单增型时，将参考波长设定在波段区间内最短波长附近，使用g/hlh/a、g/mlh/a、g/hlm/a或g/mlm/a的膜层设计；
54.其中，g、a、l、m和h分别代表玻璃、空气、低折射率、中折射率和高折射率材料。
55.示例性的，量子效率曲线特征的单减型表现形式为量子效率一直下降，且下降范围超过预定的下降范围。在量子效率曲线的特征为单减型时，设计所述光学膜层的参考波长设定在波段该波段区间内的最长波长附近。值得解释的是，g/hlh/a表示在膜的一侧为玻璃，另一侧为空气，中间的膜为三层，分别使用高折射率材料、低折射率材料和高折射率材料。g/mlh/a、g/hlm/a或g/mlm/a同理。下面其他实施例中关于膜的组成模式同理可得，因此再次不再赘述。
56.进一步的，当所述特征为单谷型时，将参考波长设定在波段区间内峰值所在波长附近，使用g/hlh/a、g/mlh/a、g/hlm/a或g/mlm/a的膜层设计；
57.当所述特征为单峰型时，将参考波长设定在波段区间内谷值所在波长附近，使用g/lhl/a、g/mhl/a、g/lhm/a或g/mhm/a的膜层设计；
58.其中，g、a、l、m和h分别代表玻璃、空气、低折射率、中折射率和高折射率材料。
59.进一步的，当所述特征为双谷型时，将参考波长设定在双峰中心所在波长附近，使用g/mhl/a的膜层设计；
60.当所述特征为双峰型时，参考波长设定在振荡所在波段以外，使用g/mlh/a的膜层设计；
61.其中，g、a、l、m和h分别代表玻璃、空气、低折射率、中折射率和高折射率材料。
62.进一步的，当所述特征为振荡型时，将参考波长设定在振荡区间外，使用g/mlhlh/a或g/hlhlh/a的膜层设计，如果使用g/mlhlh/a或g/hlhlh/a的膜层设计不能完全消除量子效率差异，在g/mlhlh/a或g/hlhlh/a的基础上叠加数层lh，例如g/mlhlhlh/a或g/hlhlhlh/a，以及g/mlhlhlhlh/a或g/hlhlhlhlh/a，直至仿真结果足以消除量子效率差异为止；
63.其中，g、a、l、m和h分别代表玻璃、空气、低折射率、中折射率和高折射率材料。值得
解释的是，g/mlhlh/a类型的膜由五层材质构成，g/mlhlhlh/a类型的膜由七层材质构成，g/mlhlhlhlh/a类型的膜由九层材质构成。
64.进一步的，根据所述选定波段的透过率需求，所述光学膜层的基底材料选用玻璃、cr或si；
65.高折射率材料包括ta2o5、tio2、hfo2、zns和zro2；
66.中折射率材料包括al2o3、yf3和sio2；
67.低折射率材料包括mgf2、na3alf6和alf3。
68.进一步的，对于具有单增、单减、单谷或单峰特征的量子效率曲线，所述光学膜层的膜层层数为三层及以上；
69.对于具有振荡型特征的量子效率曲线，所述光学膜层的膜层层数为五层及以上。
70.进一步的，所述光学膜层中，首次设定的单层厚度设置为1/4λ或1/2λ，λ为参考波长。
71.为了验证上述实施例的效果，图2和图3分别示出了采用本方法设计的膜层在消除ingaas光电探测器量子效率差异和消除silicon光电探测器量子效率差异的实验仿真数据。
72.如图2所示，原探测器量子效率差异所在波段为800～1200nm，差异约为12.5％。所述的膜层设计的参考波长初始设置为800nm，优化后调整为750nm，折射率分布为g/lhm/a，靠近基底第一层材料为na3alf6，第二层为zns，第三层为al2o3，膜层厚度为1/4λ。增设膜层后，系统的总量子效率差异减为约1.9％。
73.如图3所示，原探测器量子效率差异所在波段为400～800nm，差异约为24.8％。参考波长为500nm，折射率分布为g/hlm/a，靠近基底第一层材料为zns，第二层为alf3，第三层为al2o3，膜层厚度为1/4λ。增设膜层后，系统的总量子效率差异减为约1.8％。
74.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。