一種介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學薄膜技術(shù)，具體涉及一種介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分色片在光學系統(tǒng)、特別是多波段探測的光學系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)寬光譜范圍的分色，例如實現(xiàn)可見光近紅外光與中長波紅外光的分離，分色片的分色膜系常采用介質(zhì)-金屬-介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，典型的例子為硫化鋅-銀-硫化鋅結(jié)構(gòu)。由于分色片通常是工作在傾斜入射的情況，由此會帶來光的偏振光譜分離。對于一些遙感光學系統(tǒng)來說，入射光存在偏振狀態(tài)變化，這會引起系統(tǒng)接收的光電信號變化，形成探測值和數(shù)據(jù)反演的誤差，因而對系統(tǒng)及光學元件提出了降低偏振靈敏度的要求。對于所探討的分色片，其偏振靈敏度定義為透射的P光與S光的透射率之差的絕對值除以兩者的和。傳統(tǒng)硫化鋅-銀-硫化鋅結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)透射光寬波段的低偏振靈敏度控制，且由于硫化鋅在藍光區(qū)有吸收，采用多個膜堆組合壓縮光譜過渡區(qū)時也將極大降低透光波段的能量。針對于此，我們在題為((Design of non-polarizing cut-off filters based on dielectric-metal-dielectric stacks》一文中，提出了一種利用兩種介質(zhì)-金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)的膜堆來組合設(shè)計低偏振靈敏度分色片的方法，見Optics Express第21卷16期19163-19172頁的記載。但該方法設(shè)計的膜堆較多，且每個膜堆都需嚴格匹配特定的光學導(dǎo)納方式，傳統(tǒng)的光學薄膜制作方法制備的誤差較大，很難保證低偏振靈敏度的實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提出了一種介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜的制作方法，其目的在于通過嚴格的光學監(jiān)控方式來嚴格匹配膜堆的光學導(dǎo)納，從而高精度地制備介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜，實現(xiàn)透射光寬波段的低偏振靈敏度控制。
[0004]—種介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜的制作方法，包括以下步驟:
[0005]I)根據(jù)低偏振靈敏度分色膜(4)的技術(shù)要求，選擇介質(zhì)膜材料和金屬膜材料，用于形成兩種介質(zhì)-金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過光學導(dǎo)納匹配方法進行組合，初步確定膜系結(jié)構(gòu)；
[0006]所述低偏振靈敏度分色膜系(4)為2種介質(zhì)-金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)的組合，膜系結(jié)構(gòu)為基底/(D' iM7 D^ZD1MD2/空氣，其中^^^〃^^^表示第一種介質(zhì)膜但厚度不同M'和M表示同一種金屬膜但厚度不同，D2表示第二種介質(zhì)膜，X為自然數(shù)，表示膜堆重復(fù)次數(shù)。介質(zhì)可為Ta2O5^Al2O3，S12,Nb2O5,MgF2^，金屬采用透光波段折射率η近似為零的材料，如Al，Ag，Au等金屬。
[0007]所述導(dǎo)納匹配方法為:當所有膜層的厚度變成其折射角的余弦值倍數(shù)時，設(shè)計用參考單色光為垂直入射，基底/W iM7 DMx的導(dǎo)納近似為基底折射率，基底/D1MD2的導(dǎo)納近似為空氣折射率。
[0008]2)利用Essential Macleod等薄膜設(shè)計軟件對膜系結(jié)構(gòu)進行微調(diào)和優(yōu)化，進一步降低透射光譜的偏振靈敏度，同時使膜系結(jié)構(gòu)方便監(jiān)控制作；
[0009]所述微調(diào)和優(yōu)化過程:調(diào)節(jié)膜層厚度成近似對稱結(jié)構(gòu)，使在監(jiān)控波長位置，膜堆D' iM7 D〃 i形成閉合導(dǎo)納圖；調(diào)節(jié)D1MD2膜層厚度，使M的導(dǎo)納曲線沿實軸對稱分布，使整個膜系的偏振靈敏度達到最低。
[0010]3)對沉積用基片進行清洗和沉積前處理，包括離子源轟擊激活或預(yù)沉積，確定沉積工藝，采用蒸發(fā)或濺射等方法進行薄膜沉積；
[0011]4)采用反射式光學監(jiān)控系統(tǒng)進行反射率監(jiān)控，采用半直接監(jiān)控方式，每個膜堆采用一個監(jiān)控片，三層膜沉積監(jiān)控方式分別為:第一層為介質(zhì)膜，沉積在新的監(jiān)控片上，采用光強值法監(jiān)控，當反射率達到設(shè)計值后進入下一層沉積;第二層為金屬層，反射率隨沉積先變小后變大，當反射率再次達到沉積初始的反射率值后進入第三層沉積，第三層為介質(zhì)層，反射率隨沉積過程變小，當達到極值時暫停沉積；
[0012]所述監(jiān)控方法采用的波長為膜堆D'形成閉合導(dǎo)納圖的波長。
[0013]5)判斷當前膜堆是否為最后一個膜堆，如果是，繼續(xù)沉積，直到反射率達到設(shè)計值;如果不是，更換監(jiān)控片，進入下一個膜堆的沉積，重復(fù)步驟4);
[0014]6)完成所有膜層的沉積，輸出成品。
[0015]本發(fā)明優(yōu)點在于:每個介質(zhì)-金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)均遵循嚴格的導(dǎo)納匹配方式進行制作，膜系設(shè)計與監(jiān)控制作相互聯(lián)系，能有效防止制作誤差累積放大，能確實保證設(shè)計功能的實現(xiàn)，完成高精度的低偏振靈敏度分色片的制作。
【附圖說明】
[0016]圖1是所述介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜的工作狀態(tài)示意圖，I為包含紫外到長波紅外的入射光，2為反射的中長波紅外光，3為透射的紫外可見近紅外光，4為介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜，Θ為入射角度。
[0017]圖2是所述介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜的制作流程圖。
[0018]圖3為示范實例初始設(shè)計膜系為石英/(38.9nm Ta205/9.4nm Ag/39.2nm Ta2O5)2(28.1nm Ta205/7.4nm Ag/81.1nm S12)/空氣在45°入射情況的透射偏振光譜情況。5為P光的透射率，6為S光的透射率。
[0019]圖4為示范實例最終設(shè)計膜系為石英/(36.0nm Ta205/7.9nm Ag/37.0nm Ta2O5)2(23.0nm Ta205/6.3nm Ag/81.4nm S12)/空氣在45°入射情況的透射偏振光譜情況。7為P光的透射率，8為S光的透射率。
[0020]圖5 為示范實例中兩種膜堆(36.0nm Ta205/7.9nm Ag/37.0nm Ta2O5) (9)(23.0nm Ta205/6.3nm Ag/81.4nm Si02)(10)的反射率監(jiān)控曲線。
[0021 ]圖6為示范實例低偏振靈敏度分色膜在45°入射情況的透射偏振靈敏度分布情況，11為設(shè)計值，12為實際值。
【具體實施方式】
[0022]下面根據(jù)實例和附圖，來說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0023]以工作在空氣環(huán)境中在45°入射情況的低偏振靈敏度分色膜系的制作為例，該膜系要求反射波長大于2000nm的所有波段，透射400-700nm的可見光，同時要求透射光波段保持偏振靈敏度小于1%?；捎萌凼⒉牧?，傳統(tǒng)的ZnS-Ag-ZnS膜系結(jié)構(gòu)是不能滿足低偏振靈敏度要求的，若鍍膜材料分別選擇Ta205、Ag和S12,采用本發(fā)明提出的制作方法，可以滿足低偏振靈敏度的控制要求，具體實施如下:
[0024]I)按所述導(dǎo)納匹配方式，設(shè)計的初步膜系結(jié)構(gòu)為石英/(38.9nm Ta205/9.4nm Ag/39.2nm Ta2O5)2(28.1nm Ta205/7.4nm Ag/81.1nm S12)/空氣，從偏振光譜圖(圖3)可以看到除了 400nm附近的偏振光譜分離較大，因此需要對膜系結(jié)構(gòu)進行微調(diào)，以消除這個偏振分離；
[0025]2)利用薄膜設(shè)計軟件Essential Macleod對膜系結(jié)構(gòu)進行微調(diào)和優(yōu)化，調(diào)節(jié)D' ιΜ7D〃 i膜厚成近似對稱結(jié)構(gòu)，使在監(jiān)控波長565nm位置形成閉合導(dǎo)納圖；調(diào)節(jié)D1MD2膜厚，使M的導(dǎo)納曲線沿實軸對稱分布，使整個膜系的偏振靈敏度達到最低，最后出來的膜系結(jié)構(gòu)為石英/(36.0nm Ta20s/7.9nm Ag/37.0nm Ta20s)2(23.0nm Ta20s/6.3nm Ag/81.4nm Si02)/空氣，從偏振光譜圖(圖4)可以看到400-700nm波段的偏振光譜分離極小。
[0026]3)監(jiān)控片采用熔石英片，單面拋光，拋光面為鍍膜面?；捎萌凼⑵?，沉積前進行離子源轟擊激活，在5.0 X 10—4Pa的真空環(huán)境中進行膜層沉積，采用電子束蒸發(fā)進行Ta205和Si02沉積，采用電阻加熱蒸發(fā)進行Ag沉積，沉積速率分別為0.3nm/s，0.6nm/s和0.5nm/s。
[0027]4)采用反射式光學監(jiān)控系統(tǒng)進行反射率監(jiān)控，采用半直接監(jiān)控方式，每個膜堆采用一個監(jiān)控片，其在565nm波長的反射率監(jiān)控曲線如圖5所示，可以看到監(jiān)控信號明確:對于第一個膜堆(36.0nm Ta205/7.9nm Ag/37.0nm Ta2O5)的監(jiān)控曲線(9)，36.0nm Ta2O5的判停條件為反射率達到18.5%,7.9nm Ag的判停條件為反射率再次達到18.5%,37.0nm Ta2O5的判停條件為反射率達到極小值;對于第二個膜堆(23.0nm Ta205/6.3nm Ag/81.4nm Si02)的監(jiān)控曲線(10)，23.0nm Ta2O5的判停條件為反射率達到11.2 %，6.3nm Ag的判停條件為反射率再次達到11.2%，81.4nm S12的判停條件為反射率達到極小值后再增加0.7%。
[0028]5)完成所有膜層的沉積后，輸出成品，完成的400-700nm波段的偏振靈敏度控制如圖6所示。
【主權(quán)項】
1.一種介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜的制作方法，其特征在于包括以下步驟: 1)根據(jù)分色膜的技術(shù)要求，選擇介質(zhì)膜材料和金屬膜材料，用于形成兩種介質(zhì)-金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過光學導(dǎo)納匹配方法進行組合，初步確定膜系結(jié)構(gòu):膜系結(jié)構(gòu)為基底/(D' IM7D〃i)xDiMD2/空氣，其中，D' 1、D〃i和Di表不第一種介質(zhì)膜但厚度不同，Μ'和M表不同一種金屬膜但厚度不同，D2表示第二種介質(zhì)膜，X為自然數(shù)，表示膜堆重復(fù)次數(shù);介質(zhì)可為Ta2O5 ,Al2O3，S12 ,Nb2O5或MgF2,金屬采用透光波段折射率η近似為零的Al，Ag或Au材料；導(dǎo)納匹配方法為:當所有膜層的厚度變成其折射角的余弦值倍數(shù)時，設(shè)計用參考單色光為垂直入射，基底/(D'通'的導(dǎo)納近似為基底折射率，基底/D1MD2的導(dǎo)納近似為空氣折射率； 2)利用EssentialMacleod等薄膜設(shè)計軟件對膜系結(jié)構(gòu)進行微調(diào)和優(yōu)化，進一步降低透射光譜的偏振靈敏度，同時使膜系結(jié)構(gòu)方便監(jiān)控制作:調(diào)節(jié)D' iM7 D%膜厚成近似對稱結(jié)構(gòu)，使在監(jiān)控波長位置，膜堆D' iM'DS形成閉合導(dǎo)納圖；調(diào)節(jié)D1MD2膜厚，使M的導(dǎo)納曲線沿實軸對稱分布，使整個膜系的偏振靈敏度達到最低； 3)對沉積用基片進行清洗和沉積前處理，包括離子源轟擊激活或預(yù)沉積，確定沉積工藝，采用蒸發(fā)或濺射等方法進行薄膜沉積； 4)采用反射式光學監(jiān)控系統(tǒng)進行反射率監(jiān)控，采用半直接監(jiān)控方式，每個膜堆采用一個監(jiān)控片，三層膜沉積監(jiān)控方式分別為:第一層為介質(zhì)膜，沉積在新的監(jiān)控片上，采用光強值法監(jiān)控，當反射率達到設(shè)計值后進入下一層沉積;第二層為金屬層，反射率隨沉積先變小后變大，當反射率再次達到沉積初始的反射率值后進入第三層沉積，第三層為介質(zhì)層，反射率隨沉積過程變小，當達到極值時暫停沉積； 5)判斷當前膜堆是否為最后一個膜堆，如果是，繼續(xù)沉積，直到反射率達到設(shè)計值;如果不是，更換監(jiān)控片，進入下一個膜堆的沉積，重復(fù)步驟4); 6)完成所有膜層的沉積，輸出成品。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種介質(zhì)金屬膜堆的低偏振靈敏度分色膜的制作方法，首先基于介質(zhì)-金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)的膜堆組合，通過光學導(dǎo)納技術(shù)來確定初步的光學薄膜設(shè)計；通過光學薄膜設(shè)計軟件進行膜系微調(diào)和優(yōu)化，使膜系結(jié)構(gòu)方便監(jiān)控制作；對基片進行清洗和鍍前處理，采用蒸發(fā)或濺射方法進行薄膜沉積；采用反射式光學監(jiān)控系統(tǒng)進行半直接監(jiān)控，每個膜堆采用一個監(jiān)控片；完成所有膜堆的沉積，輸出成品。本發(fā)明可以制作高精度的低偏振靈敏度分色膜，分色光譜性能優(yōu)異，同時保持透光波段的低偏振靈敏度。
【IPC分類】G02B1/10
【公開號】CN105629355
【申請?zhí)枴緾N201610020758
【發(fā)明人】蔡清元, 劉定權(quán), 鄭玉祥, 周靖, 羅海瀚, 叢蕊, 秦楊, 王曙光, 劉保劍
【申請人】中國科學院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年1月13日