矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法

專利名稱：矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種主要用于1. 06微米激光器及其應用系統，同時具有通帶高矩形 度和禁帶深截止性能的超窄帶帶通濾光片。
背景技術：
激光具有同向性、高亮度、單色性和高能量密度的四大光學特性。由于其相對普通 光線的特殊特性，激光器及其應用系統在現代社會發展中起到了越來越重要的作用，廣泛 應用于各種民用和軍用領域。在激光器及其應用系統的光學系統中，為了達到系統設計要 求，系統中光路所經過的光學元件一般都需要鍍制光學薄膜。所謂光學薄膜，是指選取不同光學折射率的鍍膜材料，使用物理或化學沉積的方 法將不同膜料按光學原理計算好的厚度和順序沉積在待鍍膜元件的表面，使元件最終獲得 具有系統要求的光學性能。激光光學系統中一類非常重要的光學元件就是帶通濾光片。這類濾光片主要應用 于各種激光探測器、接收器系統。隨同工作波長的激光同時通過濾光片的還有環境中各種 雜散光，包括自然光、各種人工照明等，基本包含了光譜范圍內的各個波長的光線。帶通濾 光片的功能即允許工作波長的激光信號通過，同時濾除所有其他波長的無關光線。允許通 過的波長范圍即通帶，濾除的波長范圍即禁帶。帶通濾光片的三個主要性能指標為1.矩形度。理想的帶通濾光片在通帶完全通過，禁帶完全截止，其光譜相應曲線在 通帶形同矩形，但是這種結果需要無限多層的薄膜來逼近。實際制作中，濾光片的通帶形狀 由于誤差的影響及膜系本身層數有限而不可能完全成矩形，其通帶形狀與矩形的相似程度 稱為矩形度。2.截止度。濾光片對于禁帶波長范圍的能量抑制程度稱為截止度。對于任何系 統，信噪比越高，系統性能越優異。信噪比的指標對于激光接收、探測系統尤為重要，因為探 測器本身的光譜響應范圍一般都比激光工作波長寬得多。為了獲得盡可能高的信噪比，需 要盡可能降低禁帶信號的強度，要求濾光片在禁帶的截止度越高越好。3.通帶寬度。根據濾光片的應用要求，濾光片有不同的通帶寬帶。有時候也用濾 光片峰值透過率一半時通帶兩側的波長差值也就是半寬來表征這一指標。一般通帶寬度小 于IOnm以下的帶通濾光片，稱之為超窄帶濾光片。激光系統中常用的帶通濾光片都是基于法布里-帕羅原理設計的干涉濾光片。該 干涉濾光片選取兩種不同折射率的材料作為薄膜材料，其中折射率高的材料定義為H，折射 率低的材料定義為L。典型的法布里-帕羅原理干涉濾光片的膜系結構為基板/(HL) ~m H nL (HL) ~ (m+1) /空氣，其中m和η分別是正整數，其單位厚度為濾光片工作波長的四分之一， 其具體取值取決于需要獲得產品的指標要求，上述結構即為一個干涉腔。圖4描述了現有 技術一個典型的1.06微米波長單腔帶通濾光片的光譜測試結果。從圖4可以看出，這種簡 單設計的濾光片有如下局限
1.矩形度差。由于設計原理本身的局限，單腔的干涉濾光片通帶形狀一般都接近 半圓形甚至錐形，從而導致通帶很窄，在需要時無法提供較大的通帶寬度，導致總的激光能 量透過率不高。由此引發的實際使用中的問題是濾光片抗溫漂性能差。眾所周知，濾光片 在實際使用中光譜會隨著溫度的變化產生漂移。單腔濾光片光譜隨溫度漂移后，在工作波 長上的透過率可能發生非常大的變化，不利于工作的穩定性。2.截止度差。這同樣是由其設計原理造成的。從圖4可以看出，單腔濾光片在通 帶和禁帶之間通過率變化緩慢，而且截止度很低。光學薄膜的實際生產時，會將要鍍膜的工件置于待蒸發的膜料上方的圓形工件載 盤中。工件載盤在鍍膜時會高速旋轉，其中心放置監控片，鍍膜機通過監測監控片的透射或 反射光信號的強度隨膜料沉積厚度的變化來控制鍍膜進程。這種方法即為常用的中心監控 法。該方法的特點是監控點處的薄膜可以很高程度符合理論設計，但離監控點越遠，由于位 置差異導致的誤差越大，最終導致以監控點為中心的一定半徑范圍內的薄膜可達到設計要 求，其外即為次品或廢品。該半徑內的面積稱之為鍍膜有效面積。由于多腔濾光片對于誤 差控制的要求很高，其有效面積遠小于普通光學薄膜產品。一般光學薄膜的鍍膜機其工件 安裝的傘架或載盤直徑可輕易達到1.5米以上。以日本光馳生產的Mill濾光片專用鍍膜 機為例，其工件載盤的直徑僅有330毫米，實際鍍制多腔濾光片時，可用面積更是遠小于該 直徑，對于高要求的矩形深截止超窄帶帶通濾光片，甚至可用面積的直徑僅有20余毫米。同時，多層膜隨著膜層層數的增加，對鍍膜時控制精度的要求也越高。尤其是對于 多腔濾光片這種對控制誤差極為敏感的精密薄膜，鍍膜工程中稍有不慎極有可能多腔之間 互相影響，導致獲得的產片通帶變形甚至塌陷成為廢品。實際鍍膜時如何控制和減小誤差， 將很大程度上決定獲得的產品質量。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術存在的不足之處，提出一種生產效率高，能夠提高 帶通濾光片有效面積和截止度，有效控制誤差的負面影響的超窄帶帶通濾光片的制造方 法。本發明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種矩形深截止超窄帶帶通濾光片 的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)確定理論膜系，以多腔濾光片的典型膜系結構為基礎，選取Ta2O5作為高折射 率材料，SiO2為低折射率材料，分別定義Ta2O5和SiA在λ /4的單位光學厚度為H和L，在 計算機上，使用膜系設計軟件TFC Calc,根據超窄帶帶通濾光片要求的性能參數確定濾光 片的膜系結構；(2)使用具有石英晶體振蕩膜厚控制儀、高精度光學膜厚控制儀和射頻離子源輔 助鍍膜的全自動鍍膜機，根據上述獲得的理論膜系結構，制作出該鍍膜機自動控制用的模 板控制文件；(3)在鍍膜機內裝入選定的鍍膜材料，采用偏心監控的控制方式，鍍膜機按選定的 模板控制文件自動完成濾光片的制作。本發明相比于現有技術具有如下的有益效果。本發明在現有技術單腔濾光片的基礎上，采用多腔濾光片，通過多個單腔設計的堆疊，可以很好地提高矩形度；在明顯壓縮通帶和禁帶之間過渡區域的同時，獲得遠高于單 腔濾光片的截止度。改進濾光片的鍍制工藝。根據多次試驗結果的經驗，配合計算機軟件的誤差分析 證明，使用本發明制定的工藝控制方法，可以有效控制誤差的負面影響，獲得與理論設計相 符合的實際產品。本發明摒棄常用的中心監控法，采用偏心監控的控制方式，有效提高鍍膜有效面 積。經多次試驗和比較后，選定離工件載盤中心為22mm的點為監控點。偏心監控法的優點 在于首先，該方法實際監控的是高速旋轉的工件上該半徑處整個圓周上所有點的平均值， 因而在一定程度上減小了誤差；其次，由于監控點兩側的區域都接近于監控點，明顯強于中 心監控法的一側區域，因此該方法可以明顯提高鍍膜有效面積。通過本發明上述特別制定 的工藝控制方法，可以將此類濾光片的有效面積的半徑提升至40mm，很大程度提高了生產 效率和成品率。從圖3可以看出，在半徑40mm的有效面積內，獲得產品的最大波長差異僅 為0. 4nm，具有良好的均勻性。本發明選定多腔設計的方法，獲得了具有良好矩形度及高截止度的理論設計結 果。在實際制作過程中，采用偏心監控法限制和減小控制誤差，實際獲得了具有大的有效面 積和良好均勻性的產品，可以很大程度提高矩形深截止超窄帶帶通濾光片這類要求很高的 高端光學薄膜產品的生產效率，尤其對于大口徑的此類濾光片生產具有很高的實用價值。


圖1本發明是工作于1064nm，典型半寬5. 2nm的矩形深截止超窄帶帶通濾光片的 理論設計曲線示意圖。圖2根據本發明工藝鍍制的實際產品的測試結果的曲線示意圖。圖3是根據本發明工藝鍍制的大口徑矩形深截止超窄帶帶通濾光片均勻性分布 的曲線示意圖。圖4是現有技術典型單腔帶通濾光片曲線示意圖。
具體實施例方式參閱圖1。為了解決單腔濾光片的不足，對于對濾光片性能要求非常苛刻的應用 領域，通常可以使用多腔濾光片的設計，通過多個干涉腔的疊加，獲得更好的矩形度、截止 度和需要的通帶寬度。根據工作于1064nm，典型半寬5. 2nm的矩形深截止超窄帶帶通濾光 片的理論設計曲線，首先，確定理論膜系，以多腔濾光片的典型膜系結構為基礎，選取Ta2O5 作為高折射率材料，SiO2為低折射率材料，以λ為1064nm，分別定義Ta2O5和SW2在λ /4 的單位光學厚度為H和L。濾光片的性能參數包括，理論半寬，分布值為5 5. 4nm，通帶平 均透過率大于或等于95%的區域，其寬度不小于3nm。在計算機上，使用膜系設計軟件TFC Calc對上述H和L進行模擬，根據超窄帶帶通濾光片要求的性能參數確定濾光片的膜系結 構為基板/ (HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL) (HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL) (HLHLHLHLH4LHLHLHLHL0. 6H0. 8L) / 空氣。其典型膜系結構為基板 /(HL)" a HbL (HL)" (a+1) (HL) "c H dL(HL)"(c+l)......(HL) "m H nL (HL) ~ (m+1) / 空氣，實際鍍制時腔的數量和每個腔的具體參數由所需產品的性能參數決定。濾光片實際制作時，使用具有石英晶體振蕩膜厚控制儀、高精度光學膜厚控制儀 和射頻離子源的全自動鍍膜機。該鍍膜機可以選用日本光馳公司生產的NBPF-M0111型窄 帶濾光片專用鍍膜機進行。然后，根據獲得的理論膜系，制作出該鍍膜機自動控制用的模板 控制文件。在此步驟中，采用偏心監控的控制方式。該偏心監控方式的監控點的選擇以獲 得盡可能大的鍍膜有效面積為目的，可以是在選定離工件載盤中心半徑為22mm的圓周上 一點為監控點，通過監控基板上該點的透射光強度來控制鍍膜進程實現的。監控點兩側的 區域都接近于監控點。在鍍膜機內裝入選定的鍍膜材料Ta2O5和SiO2,將鍍膜工件置于工件 載盤中，啟動鍍膜機，鍍膜機按選定的模板控制文件自動完成濾光片的制作。圖2描述了使用本發明實際生產的1. 06微米波長3腔帶通濾光片的光譜測試結 果。其中圖線1是實際產品上中心點的測試結果，圖線2是理論設計。從圖中可以看到，實 際制成的產品除了在通帶透過率稍低于理論值以外，可以很好地達到理論設計要求。圖3描述了濾光片的均勻性分布。對于制得的半徑40mm圓形濾光片，分別選取了 圖線3圓心，半圖線4徑20毫米點和圖線5半徑40毫米點，共3個位置測試。測試結果表 明制得的濾光片，在徑向分布上最大波長差異僅為0. 4nm，具有良好的均勻性，證明本發明 可以很好地應用于大口徑矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作。
權利要求
1.一種矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)確定理論膜系，以多腔濾光片的典型膜系結構為基礎，選取Ta2O5作為高折射率材 料，SiO2為低折射率材料，以λ為濾光片的工作波長，分別定義Ta2O5和SiO2在λ/4的單 位光學厚度為H和L，在計算機上，使用膜系設計軟件TFCCalc，根據超窄帶帶通濾光片要求 的性能參數確定濾光片的膜系結構；(2)使用具有石英晶體振蕩膜厚控制儀、高精度光學膜厚控制儀和射頻離子源輔助鍍 膜的全自動鍍膜機，并根據上述獲得的理論膜系結構，制作出該鍍膜機自動控制用的模板 控制文件；(3)在鍍膜機內裝入選定的鍍膜材料，采用偏心監控的控制方式，鍍膜機按選定的模板 控制文件自動完成濾光片的制作。
2.如權利要求1所述的矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法，其特征在于，所述 濾光片的膜系結構為基板 / (HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL) (HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL), (HLHLHLHLH4LHLHLHLHL0. 6H0. 8L)/ 空氣。
3.如權利要求1所述的矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法，其特征在于，所述膜系結構為基板/(HL) H bL(HL)"(a+l) (HL) "c HdL(HL) “ (c+1)......(HL) "m HnL (HL) ~(m+l)/空氣。
4.如權利要求1所述的矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法，其特征在于，濾光 片的性能參數包括，理論半寬，分布值為5 5. ^m，通帶平均透過率大于或等于95%的區 域，其寬度不小于3nm。
5.如權利要求1所述的矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法，其特征在于，所述 的偏心監控方式是在選定離工件載盤中心一定半徑的圓周上一點為監控點，通過監控基板 上該點的透射光強度來控制鍍膜進程實現的。
全文摘要
本發明提出的一種矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法，利用本方法，可顯著地提高帶通濾光片有效面積和截止度，有效控制誤差的負面影響。本發明通過下述技術方案予以實現(1)確定理論膜系，以多腔濾光片的典型膜系結構為基礎，選取Ta2O5作為高折射率材料，SiO2為低折射率材料，以λ為濾光片的工作波長，分別定義Ta2O5和SiO2在λ/4的單位光學厚度為H和L，在計算機上，使用膜系設計軟件TFC Calc，根據超窄帶帶通濾光片要求的性能參數確定濾光片的膜系結構；(2)使用全自動鍍膜機，根據上述獲得的理論膜系結構，制作出該鍍膜機自動控制用的模板控制文件；(3)在鍍膜機內裝入選定的鍍膜材料，采用偏心監控的控制方式，鍍膜機按選定的模板控制文件自動完成濾光片的制作。
文檔編號G02B5/20GK102141645SQ20111007585
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者姚德武, 王平秋, 肖琦, 馬孜 申請人:西南技術物理研究所