一种斜入射高性能窄带滤光薄膜的制备方法

1.本发明涉及膜厚控制技术领域，尤其是涉及一种斜入射高性能窄带滤光薄膜的制备方法。


背景技术：

2.窄带滤光薄膜广泛应用于光学、天文物理学、激光、通信等各个领域，其高光谱效率、高陡度和窄带宽特性是各类精密光学系统应用的理想条件。例如，利用窄带滤光片组将不同高功率激光光束耦合，从而提高激光器输出的总功率。
3.法布里-珀罗干涉薄膜是简单且常用的窄带滤光薄膜，这类薄膜有一个致命的缺点，即它们都只适用于垂直入射或小角度入射的准直光中，然而当入射角度增大，滤光片特性会显著恶化。其原因是斜入射时高低折射率膜层的有效折射率不同使两个偏振分量的中心波长不再重合，s偏振光和p偏振光特性产生分离，窄带滤光片的通带坍缩。但实际情况恰恰需要窄带滤光片在斜入射条件下服役，这严重限制了窄带滤光薄膜的实际应用。
4.针对滤光薄膜在大角度入射条件下应用的问题，人们对消偏振滤光薄膜进行了大量的研究。cai等人提出了一种基于介质-金属-介质膜堆的消偏振滤光薄膜的简单设计方法，然而由于金属材料的高吸收，低损伤阈值等缺点限制了其在高功率激光系统中的应用。baumeister使用驻波比技术来匹配反射带，并设计了一个45
°
的消偏振带通滤波器，然而这种使用多达7种材料，给制备带来了困难。thelen发现了另一种基于失谐f-p腔的新方法。然而这种滤光薄膜的通常需要不规整的膜层结构实现高透过率，但是制作过程复杂繁琐，同时由于薄膜结构的低容差和高敏感性，受监控误差和误差累积效应的影响，通带效率会降低，不利于薄膜的高效制备。迄今尚没有提出能高效、稳定制备斜入射高光谱性能窄带滤光薄膜的镀膜技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种斜入射高性能窄带滤光薄膜的制备方法，本发明能够解决现有技术中入射角度大于25
°
时窄带滤光薄膜的光学特性会发生显著变化的问题，且薄膜透过率高。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明提供一种斜入射高性能窄带滤光薄膜的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1：分别制备倾斜沉积的高、低折射率材料的单层膜；
9.步骤2：分别测试步骤1制备的高、低折射率材料的单层膜的透射率和反射率曲线，根据透射率和反射率分别拟合获取高、低折射率材料的单层膜的厚度和折射率参数；
10.步骤3：根据步骤2获取的高、低折射率材料的单层膜的厚度和折射率参数，设计并确定在工作角度下，五腔窄带滤光薄膜的膜系结构；
11.步骤4：根据步骤3确定的五腔窄带滤光薄膜的膜系结构，制备斜入射高性能窄带滤光薄膜，并测试制备好的斜入射高性能窄带滤光薄膜的透射光谱。
12.优选地，所述步骤3具体为：
13.根据步骤2获取的高、低折射率材料的单层膜的厚度和折射率参数，设计五腔窄带滤光薄膜的初始膜系结构，再根据薄膜的物理厚度和光学厚度之间的关系，优化五腔窄带滤光薄膜的初始膜系结构，确定五腔窄带滤光薄膜的膜系结构为：
14.sub|(1.02h 1.04l)^4 1.021h 4.17l(1.02h 1.04l)^10 1.2h 2.09l(1.02h1.04l)^10 1.02h 12.52l(1.02h 1.04l)^10 1.2h 2.09l(1.02h 1.04l)^10 1.02h 4.17l(1.02h 1.04l)^4 1.39h 1.37l|air；
15.其中，h为高折射率材料，l为低折射率材料。
16.优选地，描述薄膜的物理厚度和光学厚度之间的关系的公式如下所示：
[0017][0018]
式中，q为qwot的单位厚度，λ0为控制波长，θm为工作角度，n(λ0)为材料在控制波长处的折射率，nm为匹配介质折射率，d为物理厚度。
[0019]
优选地，步骤3中，所述五腔窄带滤光薄膜由高、低折射率材料的介质层交替组成，所述五腔窄带滤光薄膜的腔层采用低折射率材料。
[0020]
优选地，通过倾斜工装监控高、低折射率材料的单层膜以及斜入射高性能窄带滤光薄膜的倾斜沉积过程。
[0021]
优选地，所述倾斜工装包括光源、监控片、探测器和光控电脑，光束由光源发出，经过第二反射镜照射至监控片的背面，再经第一反射镜传送至探测器，由探测器传送至光控电脑中，所述监控片的倾斜角度与所述五腔窄带滤光薄膜的工作角度一致。
[0022]
优选地，所述步骤1中，通过双离子束溅射沉积方法分别制备高、低折射率材料的单层膜。
[0023]
优选地，所述步骤2中，采用光谱仪测试450nm～1200nm的单层膜光谱，通过包络法分别拟合获取高、低折射率材料的单层膜的厚度和折射率参数。
[0024]
优选地，通过双离子束溅射沉积方法制备斜入射高性能窄带滤光薄膜。
[0025]
优选地，通过倾斜直接单波长监控和时间监控混合监控策略，监测并控制斜入射高性能窄带滤光薄膜在沉积过程中的膜层厚度。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
[0027]
(1)本发明提供的一种斜入射高性能窄带滤光薄膜的制备方法，通过获取高、低折射率材料的单层膜的厚度和折射率参数，设计五腔窄带滤光薄膜的初始膜系结构，再根据描述薄膜的物理厚度和光学厚度之间的关系的公式对膜系结构进行优化，使得本发明设计制备的薄膜，在入射角度大于25
°
时，高低折射率层的有效折射率相同，使两个偏振分量的中心波长重合，从而抑制通带坍塌，解决了现有技术中入射角度大于25
°
时窄带滤光薄膜的光学特性会发生显著变化的问题。
[0028]
(2)本发明提供的一种斜入射高性能窄带滤光薄膜的制备方法，通过设计倾斜工装，实现倾斜监控窄带滤光薄膜，结合窄带滤光薄膜结构特性，最大程度减小厚度误差及误差累积对光谱的影响。
[0029]
(3)本发明提供的一种斜入射高性能窄带滤光薄膜的制备方法，通过采用双离子束溅射沉积方法制备单层膜，能够确保倾斜沉积与正常沉积的单层膜的折射率几乎没有差
1.358h 1.317l|air
[0051]
再根据薄膜的物理厚度和光学厚度之间的关系，优化并确认五腔窄带滤光薄膜的膜系结构为：
[0052]
sub|(1.02h 1.04l)^4 1.021h 4.17l(1.02h 1.04l)^10 1.2h 2.09l(1.02h1.04l)^10 1.02h 12.52l(1.02h 1.04l)^10 1.2h 2.09l(1.02h 1.04l)^10 1.02h 4.17l(1.02h 1.04l)^4 1.39h 1.37l|air，
[0053]
其中h代表高折射率材料，l代表低折射率材料，工作波长为1064nm。
[0054]
具体地，描述薄膜的物理厚度和光学厚度之间的关系的公式如下所示：
[0055][0056]
式中，q为qwot的单位厚度，λ0为控制波长，θm为匹配角度，n(λ0)为材料在控制波长处的折射率，nm为匹配介质折射率，d为物理厚度。
[0057]
由于此膜系的理论光谱在0
°
入射时具有良好的通带波形，但是入射角度大于25
°
时，通带会发生严重的坍塌，参考图4所示。其原因是大角度入射下高低折射率膜层的有效折射率不同使两个偏振分量的中心波长不再重合。因此本发明通过描述薄膜的物理厚度和光学厚度之间的关系的公式优化膜系结构，进而可以获得在入射角度大于25
°
时，高低折射率层的有效折射率相同，使两个偏振分量的中心波长重合，从而抑制通带坍塌。
[0058]
作为一种可选的实施方式，所述五腔窄带滤光薄膜由高、低折射率的介质层交替组成，其中，腔层采用低折射率材料，以提升薄膜在强激光系统中的耐损伤性能；
[0059]
步骤4：根据步骤3确定的五腔窄带滤光薄膜的膜系结构，制备斜入射高性能窄带滤光薄膜，并测试制备好的斜入射高性能窄带滤光薄膜的透射光谱。
[0060]
作为一种可选的实施方式，通过双离子束溅射沉积方法制备斜入射高性能窄带滤光薄膜。
[0061]
作为一种可选的实施方式，通过倾斜直接单波长监控和时间监控混合监控策略，监测并控制斜入射高性能窄带滤光薄膜在沉积过程中的膜层厚度。
[0062]
作为一种可选的实施方式，通过倾斜工装监控高、低折射率材料的单层膜以及斜入射高性能窄带滤光薄膜的倾斜沉积过程。
[0063]
具体地，该倾斜工装包括光源、监控片、探测器和光控电脑，光束由光源发出，经过第二反射镜m2照射至监控片的背面，再经第一反射镜m1传送至探测器，由探测器传送至光控电脑中，该监控片的倾斜角度与五腔窄带滤光薄膜的工作角度一致。
[0064]
将以上优选的实施方式进行任意组合可以得到更优的实施方式，下面将所有的实施方式进行组合得到的一种最优的实施方式进行具体描述。
[0065]
采用jgs1作为基板，该基板双面抛光，规格为φ50*3mm。
[0066]
镀膜材料选择高折射率材料ta2o5和低折射率材料sio2。
[0067]
步骤0：设计倾斜角度与五腔窄带滤光薄膜的工作角度一致的倾斜工装。
[0068]
参考图2所示，该工装包括光源、监控片、探测器和光控电脑，光束由光源发出，经过第二反射镜m2照射至监控片的背面，再经第一反射镜m1传送至探测器，由探测器传送至光控电脑中，在本实施例中，该监控片的倾斜角度为25
°
。
[0069]
步骤1：制备倾斜生长的ta2o5单层膜与sio2单层膜；
[0070]
在开始制备斜入射窄带滤光薄膜前，需要先获得准确的高、低折射率材料的折射率参数，在本实验中，采用双离子束溅射沉积方法制备中心波长为1064nm，光学厚度为4qw的ta2o5和sio2单层膜。
[0071]
步骤2：分别测试步骤1制备的ta2o5单层膜与sio2单层膜的透射率和反射率曲线，拟合获取ta2o5单层膜与sio2单层膜的厚度和折射率参数；
[0072]
采用光谱仪测试450nm～1200nm的单层膜光谱，测试倾斜沉积的ta2o5单层膜，参考图3所示，通过包络法拟合获得ta2o5单层膜在两种沉积方式下的厚度和折射率参数。拟合获得正常沉积的ta2o5单层膜物理厚度为504.4nm，倾斜沉积的ta2o5单层膜物理厚度为453.9nm，倾斜沉积与正常沉积的ta2o5折射率几乎没有差异，在1064nm处nh＝2.111。
[0073]
采用同种方法获得sio2倾斜沉积的折射率参数，同样地，倾斜沉积与正常沉积的sio2折射率几乎没有差异，在1064nm处n
l
＝1.478。
[0074]
步骤3：根据步骤2获取的高、低折射率材料的单层膜的厚度和折射率参数，设计并确定工作角度为25
°
的五腔窄带滤光薄膜的膜系结构，该五腔窄带滤光薄膜由ta2o5/sio2介质层交替组成，其中，腔层采用sio2材料。
[0075]
通过商用软件optilayer的wdm模块实现该窄带滤光薄膜的设计。
[0076]
初始的设计结构为sub|(h l)^4h 4l(h l)^10h 2l(h l)^10h 12l(h l)^10h l(h l)^10h l(h l)^4 1.358h 1.317l|air。
[0077]
尽管此膜系的理论光谱在0
°
入射时具有良好的通带波形，但是入射角度增加指25
°
时，通带会发生严重的坍塌，参考图4所示。其原因是，大角度入射下高低折射率膜层的有效折射率不同使两个偏振分量的中心波长不再重合。
[0078]
因此本发明将一种特殊的物理厚度与光学厚度联系起来，这种关系式是由材料的折射率、匹配角折射率，匹配角度确定的，这里提到的匹配角度即为工作角度，表达式如下:
[0079][0080]
这里的q为qwot的单位厚度，λ0为控制波长，θm为匹配角度(工作角度)，n(λ0)为材料在控制波长处的折射率，nm为匹配介质折射率，d为物理厚度。
[0081]
依据此方法可以获得在25
°
入射下高低折射率层的有效折射率相同，使两个偏振分量的中心波长重合，从而抑制通带坍塌，如图5所示。
[0082]
最终确认的膜系结构为sub|(1.02h 1.04l)^4 1.021h 4.17l(1.02h 1.04l)^101.2h 2.09l(1.02h 1.04l)^10 1.02h 12.52l(1.02h 1.04l)^10 1.2h 2.09l(1.02h1.04l)^10 1.02h 4.17l(1.02h 1.04l)^4 1.39h 1.37l|air，其中h代表高折射率材料，l代表低折射率材料，工作波长为1064nm，窄带滤光薄膜的结构如图6所示。
[0083]
步骤4：根据步骤3确定的五腔窄带滤光薄膜的膜系结构，制备斜入射高性能窄带滤光薄膜，并测试制备好的斜入射高性能窄带滤光薄膜的透射光谱。
[0084]
采用双离子束溅射沉积方法制备窄带滤光薄膜，靶材选用ta靶和sio2靶，溅射沉积速率分别为和镀膜开始时的腔内真空度为2
×
10-4
torr，烘烤基板温度恒定为150℃。沉积过程中采用倾斜直接单波长监控和时间监控混合监控策略控制膜层厚度。倾斜直接单波长监控的监控波长和拟合波长为1064nm，判停方式为极值点监控策略，倾斜单波长监控的监控曲线如图7所示。时间监控策略应用于膜系结构中的间隔层及导纳匹
配层，所涉及的层数为20、44、64、88、107、108，时间监控参数的获取来源于沉积至间隔层的前6层平均沉积速率。
[0085]
使用agilent公司的cary7000测试制备的窄带滤光薄膜的透射光谱，测试角度为25
°
，测试结果如图8所示，1064nm波长处的透过率为98％，带宽约为3nm。
[0086]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。