于玥，付秀華，孟嘉譯

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

短波通濾光片作為一種重要的光學(xué)元件，被廣泛的應(yīng)用于數(shù)碼影像、生物醫(yī)療、指紋識(shí)別、衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域，其特性是讓某一波段范圍內(nèi)的光透過(guò)，而讓另一波段范圍內(nèi)的光截止。針對(duì)濾光片在指紋儀系統(tǒng)中的應(yīng)用，選取 TiO2和 SiO2兩種材料進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)和制備，研制過(guò)程中解決如下幾個(gè)難點(diǎn)：(1)采用常規(guī)膜系和材料得到的截止帶寬度達(dá)不到使用要求，因而在設(shè)計(jì)上必須展寬截止帶。(2)由于常規(guī)膜系在通帶內(nèi)存在著較大的波紋，因而要對(duì)波紋進(jìn)行壓縮提高透過(guò)率。(3)本文采用的是石英晶體振蕩法控制膜層厚度，因此要精確測(cè)定折射率n，從而確定晶控中的mastertooling值[1]，減少厚度誤差。(4)TiO2材料存在著吸收，影響膜層的透射率和反射率，因此如何減小吸收也是本文要考慮的問(wèn)題。

1 膜料的選擇和截止帶寬度的計(jì)算

L代表低折射率層，H代表高折射率層，它是一個(gè)周期性對(duì)稱膜系。由等效折射率理論可知[2]，截止帶的邊界由1= 1確定。其中

由(1)式計(jì)算出對(duì)稱膜系的截止帶的寬度表達(dá)式為：

由(2)式可知，截止帶寬度取決于膜料折射率之比，因此選擇介質(zhì)薄膜材料時(shí)除了要考慮透明度、應(yīng)力、機(jī)械牢固度等方面的性質(zhì)，還要考慮折射率，即盡可能選擇折射率差值大的兩種材料。常用的高折射率材料有TiO2、Ti2O3、Ta2O5、ZrO2等，其中 TiO2的折射率較高，在波長(zhǎng) 550nm處約為2.3，透明區(qū)為380nm~12m，蒸發(fā)穩(wěn)定，機(jī)械性能好，在潮濕的環(huán)境中也不易腐蝕，所以高折射率材料選擇 TiO2；常用的低折射率材料有 MgF2和SiO2，考慮 MgF2折射率偏低，應(yīng)力大，層數(shù)多時(shí)容易掉膜，而SiO2的折射率約為1.46，應(yīng)力小，無(wú)吸收，膜層牢固，耐磨，所以選擇SiO2作為低折射率材料。

根據(jù)使用要求，截止帶要達(dá)到330nm，必須展寬截止帶。

2 鍍膜材料折射率色散分布

材料折射率n并不是一個(gè)定值，它隨控制波長(zhǎng)及工藝參數(shù)的變化而變化[3]，所以在進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)和膜層制備之前，首先要精確測(cè)定材料的折射率n。由于 SiO2比較穩(wěn)定，折射率變化不大，只考慮TiO2的折射率色散分布。在K9基底上鍍3個(gè)極值的TiO2，其中控制波長(zhǎng)為550nm，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入薄膜軟件模擬出TiO2材料的折射率值如表1所示。

3 截止帶的展寬和通帶波紋的壓縮

采用兩個(gè)反射膜堆疊加的方法展寬截止帶，雖然增加濾光片的層數(shù)能使波紋更加平穩(wěn)，但層數(shù)太多一方面會(huì)使監(jiān)控時(shí)的厚度累積誤差增大，另一方面會(huì)使膜層的牢固度和附著力下降。基于以上考慮，最終確定的基礎(chǔ)膜系為G|(HL)^9(1.2H1.2L)^7 1.2H|A，其中H代表TiO2，L代表SiO2，其光學(xué)厚度均為/4，G代表基底，A代表空氣，中心波長(zhǎng)為650nm。膜系的理論光譜曲線如圖1所示。

表1 400～900nm波段TiO2折射率值Tab.1 The refractive index of TiO2for ranges of 400～900nm

圖1 膜系的理論光譜曲線Fig.1 The theory spectrum curve of the film

由圖1可以看出截止帶寬基本滿足設(shè)計(jì)要求，只是曲線中380nm～550nm的通帶出現(xiàn)了比較大的波紋，這是多層膜的等效折射率與基底和入射介質(zhì)匹配不好造成的[4]，要壓縮波紋可以在多層膜的兩側(cè)加鍍匹配層，使其同基片以及入射介質(zhì)相匹配，相當(dāng)于在通帶內(nèi)形成一個(gè)增透膜。這里利用薄膜軟件對(duì)膜系進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿足使用要求的非規(guī)整膜系S|1.109H 1.030L 1.001H 0.963L 0.993H 0.933L 0.989H 0.934L 0.990H 0.917L 1.021H 0.855L 1.057H 0.871L 1.044H 0.917L 1.035H 1.046L 1.197H 1.433L 1.184H 1.181L 1.096H 1.330L 1.234H 1.240L 1.033H1.201L1.173H1.355L|A。膜系的理論光譜曲線如圖2所示。

4 薄膜的制備

實(shí)際制備過(guò)程中，由于薄膜的沉積速率、基片溫度等會(huì)影響薄膜的光譜特性，所以必須進(jìn)行多次鍍膜實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)。

圖2 優(yōu)化后的膜系光譜曲線Fig.2 The optimized spectrum curve of the film

采用成都天星生產(chǎn)的TXX700-Ⅱ型箱式真空鍍膜機(jī)進(jìn)行鍍膜，該設(shè)備配有光學(xué)膜厚控制儀(光控)和IC/5石英晶體膜厚控制儀(晶控)，光控法適合控制光學(xué)厚度為1/4波長(zhǎng)整數(shù)倍的膜層，而晶控法可以控制任意厚度的膜層[5]，由于優(yōu)化后的膜系為非周期膜系，所以采用晶控控制膜層的厚度。由于基片和晶控片位置不同，所以二者厚度必然存在差異，而通帶波紋對(duì)膜層相對(duì)厚度十分敏感，很小的誤差都會(huì)引起通帶透射率的變化[6]，因此為了精確控制膜層的厚度，必須調(diào)整晶控儀中的master tooling值使顯示厚度等于膜層的實(shí)際厚度，其中：

修正tooling值依據(jù)的是物理厚度d，而膜系設(shè)計(jì)時(shí)使用的是光學(xué)厚度nd，所以前面測(cè)折射率n值對(duì)于準(zhǔn)確修正晶控tooling值是十分必要的。

考慮二氧化鈦蒸發(fā)速率過(guò)高時(shí)易失氧、易噴濺，所以適當(dāng)降低沉積速率，在真空室壓強(qiáng)為3×103Pa時(shí)對(duì)真空室充氧，當(dāng)充氧量為1.0×102Pa，基片溫度為300℃時(shí)，以0.3nm/s的沉積速率進(jìn)行沉積，沉積后用高倍顯微鏡觀察薄膜，發(fā)現(xiàn)膜層表面有噴點(diǎn)且光譜曲線透射區(qū)偏低，考慮有可能是吸收引起的。為了避免這種現(xiàn)象，降低沉積速率，保持其它參數(shù)不變，以0.2nm/s的沉積速率進(jìn)行沉積，沉積后同樣用顯微鏡觀察，結(jié)果此種方法制備出的膜層表面光滑、具有高的表面質(zhì)量。

確定沉積速率之后，還需進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)計(jì)算出材料的master tooling值，由公式(3)計(jì)算出二氧化鈦材料的master tooling值為108%。

由于二氧化硅蒸發(fā)過(guò)程中較穩(wěn)定且沉積速率對(duì)膜層性能的影響不大，故以0.6nm/s的沉積速率進(jìn)行沉積，采用同樣方法計(jì)算出二氧化硅材料的master tooling值為90%。

為防止基片炸裂，鍍膜完成后恒溫30分鐘再降溫，當(dāng)溫度降低到室溫時(shí)在放氣，取出樣品。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用日本島津UV-3150分光光度計(jì)對(duì)制備出的薄膜進(jìn)行光譜測(cè)試，測(cè)得曲線如圖3所示。

圖3 樣品的實(shí)測(cè)光譜曲線Fig.3 The measured spectrum curve of the film

經(jīng)測(cè)試，所鍍膜層在380～550nm波段平均透射率達(dá)到91%，570～900nm的平均反射率達(dá)到99.2%，并且在光學(xué)性能和穩(wěn)定性方面都滿足使用要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用兩個(gè)中心波長(zhǎng)不同的多層膜疊加的方法設(shè)計(jì)膜系，有效的展寬了短波通濾光片的截止帶寬，通過(guò)膜系優(yōu)化壓縮了通帶波紋，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)減少了TiO2的吸收，最終制備出的濾光片滿足使用要求。如何進(jìn)一步使通帶曲線變平滑，將成為我們今后研究的重點(diǎn)。

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