本發(fā)明屬于1.06微米激光器及其應用系統(tǒng)領域，涉及一種矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法。

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(tǒng)在現(xiàn)代社會發(fā)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(tǒng)的光學系統(tǒng)中，為了達到系統(tǒng)設計要求，系統(tǒng)中光路所經(jīng)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(tǒng)要求的光學性能。

激光光學系統(tǒng)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(tǒng)。隨同工作波長的激光同時通過濾光片的還有環(huán)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(shù)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(tǒng)，信噪比越高，系統(tǒng)性能越優(yōu)異。信噪比的指標對于激光接收、探測系統(tǒng)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(jù)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10nm以下的帶通濾光片，稱之為超窄帶濾光片。

激光系統(tǒng)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n分別是正整數(shù)，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(chǎn)品的指標要求，上述結構即為一個干涉腔。圖4描述了現(xiàn)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(fā)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(chǎn)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(fā)生非常大的變化，不利于工作的穩(wěn)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(chǎn)時，會將要鍍膜的工件置于待蒸發(fā)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(jiān)控片，鍍膜機通過監(jiān)測監(jiān)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(jiān)控法。該方法的特點是監(jiān)控點處的薄膜可以很高程度符合理論設計，但離監(jiān)控點越遠，由于位置差異導致的誤差越大，最終導致以監(jiān)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(chǎn)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(chǎn)的M111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(shù)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(chǎn)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(chǎn)品質量。

技術實現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是：針對現(xiàn)有技術存在的不足之處，提出一種生產(chǎn)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作方法。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法，其包括如下步驟：

(1)確定理論膜系，根據(jù)超窄帶帶通濾光片預先要求的性能參數(shù)確定濾光片的膜系結構；

(2)使用全自動鍍膜機，根據(jù)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(jiān)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。

其中，所述步驟(1)中，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SiO₂在λ/4的單位光學厚度為H和L。

其中，所述步驟(2)中，全自動鍍膜機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.。

其中，所述矩形深截止超窄帶帶通濾光片工作于1064nm，典型半寬5.2nm。

其中，所述超窄帶帶通濾光片預先要求的性能參數(shù)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(qū)域，其寬度不小于3nm。

其中，所述步驟(1)中，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(jù)超窄帶帶通濾光片要求的性能參數(shù)確定濾光片的膜系結構。

其中，所述膜系結構為：基板/(HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL)(HLHLHLHLH4LHLHLHLHLHL)(HLHLHLHLH4LHLHLHLHL0.6H0.8L)/空氣。

其中，所述膜系結構中的典型膜系結構為：基板/(HL)^a H bL(HL)^(a+1)(HL)^c H dL(HL)^(c+1)……(HL)^m H nL(HL)^(m+1)/空氣，實際鍍制時腔的數(shù)量和每個腔的具體參數(shù)由所需產(chǎn)品的性能參數(shù)決定。

其中，所述步驟(3)中，偏心監(jiān)控方式的監(jiān)控點的選擇以獲得盡可能大的鍍膜有效面積為目的。

其中，偏心監(jiān)控方式中，選定離工件載盤中心半徑為22mm的圓周上一點為監(jiān)控點，通過監(jiān)控基板上該點的透射光強度來控制鍍膜進程實現(xiàn)的。

(三)有益效果

上述技術方案所提供的矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明在現(xiàn)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(qū)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(jù)多次試驗結果的經(jīng)驗，配合計算機軟件的誤差分析證明，使用本發(fā)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(chǎn)品。

本發(fā)明摒棄常用的中心監(jiān)控法，采用偏心監(jiān)控的控制方式，有效提高鍍膜有效面積。經(jīng)多次試驗和比較后，選定離工件載盤中心為22mm的點為監(jiān)控點。偏心監(jiān)控法的優(yōu)點在于：首先，該方法實際監(jiān)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(jiān)控點兩側的區(qū)域都接近于監(jiān)控點，明顯強于中心監(jiān)控法的一側區(qū)域，因此該方法可以明顯提高鍍膜有效面積。通過本發(fā)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(chǎn)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(chǎn)品的最大波長差異僅為0.4nm，具有良好的均勻性。

本發(fā)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(jiān)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(chǎn)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(chǎn)品的生產(chǎn)效率，尤其對于大口徑的此類濾光片生產(chǎn)具有很高的實用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明工作于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(jù)本發(fā)明工藝鍍制的實際產(chǎn)品的測試結果的曲線示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)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(xiàn)有技術典型單腔帶通濾光片曲線示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內容和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

本發(fā)明提供的矩形深截止超窄帶帶通濾光片的制作方法包括如下步驟：

(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SiO₂在λ/4的單位光學厚度為H和L，根據(jù)超窄帶帶通濾光片預先要求的性能參數(shù)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(jù)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(jiān)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。

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(jù)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SiO₂在λ/4的單位光學厚度為H和L。濾光片的性能參數(shù)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(qū)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(jù)超窄帶帶通濾光片要求的性能參數(shù)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 H bL(HL)^(a+1)(HL)^c H dL(HL)^(c+1)……(HL)^m H nL(HL)^(m+1)/空氣，實際鍍制時腔的數(shù)量和每個腔的具體參數(shù)由所需產(chǎn)品的性能參數(shù)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(chǎn)的NBPF-M0111型窄帶濾光片專用鍍膜機進行。然后，根據(jù)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(jiān)控的控制方式。該偏心監(jiān)控方式的監(jiān)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(jiān)控點，通過監(jiān)控基板上該點的透射光強度來控制鍍膜進程實現(xiàn)的。監(jiān)控點兩側的區(qū)域都接近于監(jiān)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(fā)明實際生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)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。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。