[发明专利]矩形深截止超窄带带通滤光片的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种主要用于1.06微米激光器及其应用系统，同时具有通带高矩形度和禁带深截止性能的超窄带带通滤光片。

背景技术

激光具有同向性、高亮度、单色性和高能量密度的四大光学特性。由于其相对普通光线的特殊特性，激光器及其应用系统在现代社会发展中起到了越来越重要的作用，广泛应用于各种民用和军用领域。在激光器及其应用系统的光学系统中，为了达到系统设计要求，系统中光路所经过的光学元件一般都需要镀制光学薄膜。

所谓光学薄膜，是指选取不同光学折射率的镀膜材料，使用物理或化学沉积的方法将不同膜料按光学原理计算好的厚度和顺序沉积在待镀膜元件的表面，使元件最终获得具有系统要求的光学性能。

激光光学系统中一类非常重要的光学元件就是带通滤光片。这类滤光片主要应用于各种激光探测器、接收器系统。随同工作波长的激光同时通过滤光片的还有环境中各种杂散光，包括自然光、各种人工照明等，基本包含了光谱范围内的各个波长的光线。带通滤光片的功能即允许工作波长的激光信号通过，同时滤除所有其他波长的无关光线。允许通过的波长范围即通带，滤除的波长范围即禁带。

带通滤光片的三个主要性能指标为：

1.矩形度。理想的带通滤光片在通带完全通过，禁带完全截止，其光谱相应曲线在通带形同矩形，但是这种结果需要无限多层的薄膜来逼近。实际制作中，滤光片的通带形状由于误差的影响及膜系本身层数有限而不可能完全成矩形，其通带形状与矩形的相似程度称为矩形度。

2.截止度。滤光片对于禁带波长范围的能量抑制程度称为截止度。对于任何系统，信噪比越高，系统性能越优异。信噪比的指标对于激光接收、探测系统尤为重要，因为探测器本身的光谱响应范围一般都比激光工作波长宽得多。为了获得尽可能高的信噪比，需要尽可能降低禁带信号的强度，要求滤光片在禁带的截止度越高越好。

3.通带宽度。根据滤光片的应用要求，滤光片有不同的通带宽带。有时候也用滤光片峰值透过率一半时通带两侧的波长差值也就是半宽来表征这一指标。一般通带宽度小于10nm以下的带通滤光片，称之为超窄带滤光片。

激光系统中常用的带通滤光片都是基于法布里-帕罗原理设计的干涉滤光片。该干涉滤光片选取两种不同折射率的材料作为薄膜材料，其中折射率高的材料定义为H，折射率低的材料定义为L。典型的法布里-帕罗原理干涉滤光片的膜系结构为：基板/(HL)^m H nL(HL)^(m+1)/空气，其中m和n分别是正整数，其单位厚度为滤光片工作波长的四分之一，其具体取值取决于需要获得产品的指标要求，上述结构即为一个干涉腔。图4描述了现有技术一个典型的1.06微米波长单腔带通滤光片的光谱测试结果。从图4可以看出，这种简单设计的滤光片有如下局限：

1.矩形度差。由于设计原理本身的局限，单腔的干涉滤光片通带形状一般都接近半圆形甚至锥形，从而导致通带很窄，在需要时无法提供较大的通带宽度，导致总的激光能量透过率不高。由此引发的实际使用中的问题是滤光片抗温漂性能差。众所周知，滤光片在实际使用中光谱会随着温度的变化产生漂移。单腔滤光片光谱随温度漂移后，在工作波长上的透过率可能发生非常大的变化，不利于工作的稳定性。

2.截止度差。这同样是由其设计原理造成的。从图4可以看出，单腔滤光片在通带和禁带之间通过率变化缓慢，而且截止度很低。

光学薄膜的实际生产时，会将要镀膜的工件置于待蒸发的膜料上方的圆形工件载盘中。工件载盘在镀膜时会高速旋转，其中心放置监控片，镀膜机通过监测监控片的透射或反射光信号的强度随膜料沉积厚度的变化来控制镀膜进程。这种方法即为常用的中心监控法。该方法的特点是监控点处的薄膜可以很高程度符合理论设计，但离监控点越远，由于位置差异导致的误差越大，最终导致以监控点为中心的一定半径范围内的薄膜可达到设计要求，其外即为次品或废品。该半径内的面积称之为镀膜有效面积。由于多腔滤光片对于误差控制的要求很高，其有效面积远小于普通光学薄膜产品。一般光学薄膜的镀膜机其工件安装的伞架或载盘直径可轻易达到1.5米以上。以日本光驰生产的M111滤光片专用镀膜机为例，其工件载盘的直径仅有330毫米，实际镀制多腔滤光片时，可用面积更是远小于该直径，对于高要求的矩形深截止超窄带带通滤光片，甚至可用面积的直径仅有20余毫米。

同时，多层膜随着膜层层数的增加，对镀膜时控制精度的要求也越高。尤其是对于多腔滤光片这种对控制误差极为敏感的精密薄膜，镀膜工程中稍有不慎极有可能多腔之间互相影响，导致获得的产片通带变形甚至塌陷成为废品。实际镀膜时如何控制和减小误差，将很大程度上决定获得的产品质量。

发明内容