專利名稱：一種漸變光學(xué)厚度窄帶負(fù)濾光片膜系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)薄膜領(lǐng)域，尤其涉及一種漸變光學(xué)厚度窄帶負(fù)濾光片膜系。
背景技術(shù)：
在光學(xué)薄膜領(lǐng)域，從某一波段光譜中去除某一波帶的濾光片，稱為負(fù)濾光片，通常是某一光譜范圍高反射率、其他光譜范圍高透射，這種濾光片在光電探測(cè)系統(tǒng)、光通訊、激光防護(hù)、空間探測(cè)等方面具有重要應(yīng)用。目前負(fù)濾光片的膜系結(jié)構(gòu)主要采用漸變折射率的方式實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)漸變折射率的薄膜結(jié)構(gòu)難度極大，同時(shí)這種膜系厚度很大，給薄膜的制備帶來(lái)了難度。負(fù)濾光片也可以采用兩種折射率的膜系結(jié)構(gòu)，利用等效層或高、低折射率光學(xué)厚度失配的方法實(shí)現(xiàn)，專利(CN2010237823.8)公開(kāi)了一種樹(shù)脂基板窄帶負(fù)濾光膜膜系，采用了兩種折射率材料光學(xué)厚度失配的Sub (0.35HL)nl.5H0.75L結(jié)構(gòu)，這種膜系結(jié)構(gòu)光學(xué)性能較差，并且實(shí)現(xiàn)更窄反射帶寬時(shí)容易出現(xiàn)較薄的膜層，難以精確控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)厚度漸變的窄帶負(fù)濾光片膜系，利用膜層光學(xué)厚度的逐漸變化來(lái)得到反射帶寬小、反射率高、透射帶波紋小的窄帶負(fù)濾光片，并且在空氣和基板兩側(cè)加上匹配膜系，可以進(jìn)一步壓縮通帶波紋。該膜系結(jié)構(gòu)膜層厚度均接近1/2工作波長(zhǎng)，可以用常規(guī)光學(xué)監(jiān)控的方式精確控制，具有較高的可制備性，便于推廣。本發(fā)明提供一種漸變光學(xué)厚度的窄帶負(fù)濾光片膜系，自下而上包括基板1、沉積在基板I上的第一薄膜2、位于第一 薄膜2上的第二薄膜3以及位于第二薄膜3上的第三薄膜4，第一薄膜2為基板側(cè)匹配薄膜，第三薄膜4為空氣側(cè)匹配薄膜，第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4均由高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L交替構(gòu)成，第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4連接處為高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L交替設(shè)置，第一薄膜2的低折射率材料膜層L位于基板I上方，第三薄膜4的最后一層為低折射率材料膜層L，其中:第二薄膜3的高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L光學(xué)厚度分別呈相反趨勢(shì)逐漸變化，用函數(shù)表示為:T = Λ !^( + Λ^ιη^/εΓηη^Ι+π 2))，其中A代表最大的光學(xué)厚度差，s為總膜層
數(shù)，I為膜層序數(shù)，λ為反射帶中心波長(zhǎng)。本發(fā)明中，所述基板為玻璃。本發(fā)明中，所述高折射率材料膜層為HfO2, Ta205或TiO2中任一種，低折射率材料膜層為MgF2或SiO2中任一種。本發(fā)明中，所述第二薄膜3中高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L光學(xué)厚度分別呈相反趨勢(shì)逐漸變化，可以采用線性或其他非線性的形式表示，隨著膜層序數(shù)增大，H (或L)膜層光學(xué)厚度從』/2增大到』/2* (1+J)，隨后減小到』/2，而相應(yīng)的L (或H)膜層光學(xué)厚度從』/2減小到』/2^ (1-A)，隨后增大到』/2。本發(fā)明中，所述第一薄膜2的高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L的光學(xué)厚度在0.45』 0.55』范圍內(nèi)。本發(fā)明中，所述第三薄膜4的高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L的光學(xué)厚度在0.4』5λ范圍內(nèi)，為了抑制透射帶的波紋，最后一層低折射率材料膜層L光學(xué)厚度在0.2』 0.25 λ范圍內(nèi)。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明采用漸變光學(xué)厚度的膜系結(jié)構(gòu)，同時(shí)選擇合適的匹配膜系抑制通帶波紋，實(shí)現(xiàn)了窄帶高反射、兩側(cè)寬帶高透射的性能，相比現(xiàn)有的漸變折射率負(fù)濾光膜系及等效層膜系，極大降低了對(duì)薄膜制備精度的要求，可以用常規(guī)的鍍膜設(shè)備進(jìn)行制備。本發(fā)明可以降低制作成本，提高負(fù)濾光膜可制備性，并且根據(jù)反射帶寬、中心波長(zhǎng)要求可調(diào)整結(jié)構(gòu)或者材料參數(shù)，適用于可見(jiàn)和近紅外光波段激光系統(tǒng)。


圖1是漸變光學(xué)厚度窄帶負(fù)濾光片膜系的示意圖。圖2是Hf02/Si02漸變光學(xué)厚度負(fù)濾光片膜系結(jié)構(gòu)圖。圖3是Hf02/Si02漸變光學(xué)厚度負(fù)濾光片的透射率曲線圖。圖中標(biāo)號(hào):1是基板，2是第一薄膜，3是第二薄膜，4是第三薄膜，5是低折射率材料膜層L，6是高折射率材料膜層H。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1:如圖1所示，本發(fā)明的膜系結(jié)構(gòu)為在基板I上沉積第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4，低折射率材料膜層L所占膜層為奇數(shù)層，高折射率材料膜層H所占的膜層為偶數(shù)層，第一薄膜2為基板側(cè)匹配膜系，第二薄膜3為高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L光學(xué)厚度分別呈相反趨勢(shì)逐漸變化的主膜系，第三薄膜4為空氣側(cè)匹配膜系。介質(zhì)材料在應(yīng)用波段必須全透明，在可見(jiàn)光及近紅外區(qū)高折射率材料膜層H主要采用TiO2,Ta2O5, HfO2等透射率較高的材料，低折射率材料膜層L為MgF2, SiO2等。第一薄膜2由高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L交替構(gòu)成，各膜層光學(xué)厚度接近反射帶中心波長(zhǎng)的二分之一，能夠抑制透射帶的波紋，增加膜層數(shù)可增大透射率。第二薄膜3中高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L光學(xué)厚度分別呈相反趨勢(shì)漸變，可以用三角函數(shù)表示，
T=IfI ε)*5 η(π*1+π 2)) , 7=1，2，3....其中A代表最大的光學(xué)厚度差，s為總膜層數(shù)，Λ為反射帶中心波長(zhǎng)，增加s可以提高反射率，增大或減小J可以相應(yīng)的改變反射帶寬度。第二薄膜3中高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L光學(xué)厚度也可以是線性漸變或其它非線性變化的形式，隨著膜層序數(shù)增大，H (或L)膜層光學(xué)厚度從』/2增大到』/2*(1+4，隨后減小到』/2，而相應(yīng)的L(或H)膜層光學(xué)厚度從』/2減小到』/2* (Ij)，隨后增大到』/2。第三薄膜4由高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L交替構(gòu)成，各膜層光學(xué)厚度接近』/2，為了抑制透射帶的波紋，最后一層光學(xué)厚度約為』/4。一種漸變光學(xué) 厚度的窄帶負(fù)濾光片膜系結(jié)構(gòu)如圖2所示，入射介質(zhì)為空氣，基板I采用K9玻璃，高折射率材料膜層H為HfO2,低折射率材料膜層L為SiO2,0度角入射。匹配薄膜2為3層結(jié)構(gòu)，光學(xué)厚度分別為260nm/256.4nm/253nm，薄膜3的各膜層光學(xué)厚度為:Τ^ 12*(l+^*sm(7r*i/ s)+π! 2)) ,7=1，2，3....中心波長(zhǎng)』為527nm，光學(xué)厚度最大變化J為0.45，總膜層數(shù)s為43，奇數(shù)層為高折射率材料HfO2，偶數(shù)層為低折射率材料Si02。空氣側(cè)匹配薄膜4為3層，光學(xué)厚度分別為228.5nm/233.5nm/117nm。計(jì)算得到的光譜曲線在圖2中給出，可以看到在507_547nm范圍內(nèi)，反射率大于99% ;膜系透射帶波 紋較小，在400-500nm，550_760nm波段透射率大于95%。
權(quán)利要求
1.一種漸變光學(xué)厚度的窄帶負(fù)濾光片膜系，其特征在于自下而上包括基板(I)、沉積在基板(I)上的第一薄膜(2)、位于第一薄膜(2)上的第二薄膜(3)以及位于第二薄膜(3)上的第三薄膜(4)，第一薄膜(2)為基板側(cè)匹配薄膜，第三薄膜(4)為空氣側(cè)匹配薄膜，第一薄膜(2)、第二薄膜(3)和第三薄膜(4)均由高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L交替構(gòu)成，第一薄膜(2)、第二薄膜(3)和第三薄膜(4)連接處為高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L交替設(shè)置，第一薄膜(2)的低折射率材料膜層L位于基板(I)上方，第三薄膜(4)的最后一層為低折射率材料膜層L，其中:第二薄膜(3)的高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L光學(xué)厚度分別呈相反趨勢(shì)逐漸變化，用函數(shù)表示為:T = Λ / 2 * (I + J/ s) *sin(ir*/ +π/ 2))，其中A代表最大的光學(xué)厚度差，s為總膜層數(shù)，I為膜層序數(shù)，λ為反射帶中心波長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變光學(xué)厚度的窄帶負(fù)濾光片膜系，其特征在于所述基板為玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變光學(xué)厚度的窄帶負(fù)濾光片膜系，其特征在于所述高折射率材料膜層為HfO2, Ta2O5或TiO2中任一種，所述低折射率材料膜層為MgF2或Si02。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變光學(xué)厚度的窄帶負(fù)濾光片膜系，其特征在于所述第二薄膜(3)中高折射率材料膜層H和低折射率材料膜層L光學(xué)厚度分別呈相反趨勢(shì)逐漸變化，采用線性或其他非線性的形式表示，隨著膜層序數(shù)增大，高折射率材料膜層H或低折射率材料膜層L光學(xué)厚度從』/2增大到』/2* (1+4，隨后減小到』/2，而相應(yīng)的低折射率材料膜層L或高折射率材料膜層H光學(xué)厚度從』/2減小到』/2^ (1-A)，隨后增大到』/2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變光學(xué)厚度的窄帶負(fù)濾光片膜系，其特征在于所述第一薄膜(2)的高折射率材料膜層H或低折射率材料膜層L光學(xué)厚度在0.45』55』范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變光學(xué)厚度的窄帶負(fù)濾光片膜系，其特征在于所述第三薄膜(4)的高折射率材料膜層H或低折射率材料膜層L光學(xué)厚度在0.4』5』范圍內(nèi)，為抑制透射帶的波紋， 最后一層低折射率材料膜層L光學(xué)厚度在0.2』 0.25Λ范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)濾波的漸變光學(xué)厚度負(fù)濾光片膜系。該膜系應(yīng)用光學(xué)厚度呈函數(shù)漸變的主膜系及匹配膜系構(gòu)建了窄帶高反射、兩側(cè)寬帶高透射的高性能負(fù)濾光片。本發(fā)明提出的膜系結(jié)構(gòu)采用兩種折射率材料，各膜層光學(xué)厚度適合常規(guī)薄膜監(jiān)控方式，相比原有漸變折射率及等效層負(fù)濾光片具有更高的可制備性。由本發(fā)明構(gòu)建的窄帶負(fù)濾光片具有材料選擇范圍廣、能實(shí)現(xiàn)頻帶寬、制作成本低、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)，在光電探測(cè)器、激光防護(hù)、光譜學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B5/20GK103217730SQ20131013462
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者張錦龍, 謝雨江, 曹翀, 程鑫彬, 王占山 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)