CN114325910B - 一种阶梯特征通带窄带滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种阶梯特征通带窄带滤光片，包括：基片，基片的两面分别镀制有第一膜层和第二膜层；所述第一膜层从基片至外侧的结构为：a(HL)b(HL)(HL)sc(HL)d(HL)；所述第二膜层从基片至外侧的结构为：(HL)ny(H)(LH)nx(H)L[(HL)n2y(H)(LH)nL]m(HL)n+1y(H)(LH)n；其中，H代表高折射率材料膜层，L代表低折射率材料膜层；a、b、c、d、x、y代表括号内膜层结构的光学厚度，厚度单位为λ/4，0＜a、b、c、d＜2，‑1＜x＜1，y为整数2的倍数。m、n、s代表括号内结构的重复次数。
Description
技术领域
本发明涉及窄带滤光片技术领域，尤其是一种阶梯特征通带窄带滤光片。
背景技术
窄带滤光片，属带通滤光片，在光学***中起到滤光和选择谱线的功能，是一种重要的薄膜元件。其在光学***中的作用为：允许特定的波段光信号通过，而通带波段以外两侧的光信号被阻止。这样可降低非工作波段的杂散光的干扰从而提高***的信噪比。窄带滤光片常用加工方式是由高折射率材料膜层和低折射率材料膜层交替组成的多层膜，通带光谱曲线特性形似“几”字。窄带滤光片对工作角度十分敏感，当工作角度由0°逐渐增大，通带的中心波长位置会不断向短波移动。通常的窄带滤光片通带顶部平整，透过率值差别小。当产品要求滤光片通带工作特性为小工作角状态下的透过率要显著低于或高于大工作角状态时(光谱通带呈阶梯特征)，通常的窄带滤光片设计和加工方法是无法满足的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阶梯特征通带窄带滤光片，可使滤光片通带工作特性为小工作角状态下的透过率要显著低于或高于大工作角状态。
一种阶梯特征通带窄带滤光片，包括：基片，所述基片的两面分别镀制有第一膜层和第二膜层；
所述第一膜层从基片至外侧的结构为：
a(HL)b(HL)(HL)s c(HL)d(HL)；
所述第二膜层从基片至外侧的结构为：
(HL)n y(H)(LH)n x(H)L[(HL)n 2y(H)(LH)n L]m(HL)n+1y(H)(LH)n；
其中，H代表高折射率材料膜层，L代表低折射率材料膜层；a、b、c、d、x、y代表括号内膜层结构的光学厚度，厚度单位为λ/4，λ为工作波长，0＜a、b、c、d＜2，-1＜x＜1，y为整数2的倍数。m、n、s代表括号内结构的重复次数。
可选地，所述基片的材料为光学玻璃或有色玻璃。
可选地，所述高折射率材料的折射率值范围为2.0-3.0。
可选地，所述高折射率材料包括TiO2、Ti3O5、Ta2O5、Nb2O5、ZrO2和ZnS中的至少一种。
可选地，所述第一膜层中的高折射率材料和低折射率材料的交替镀制总层数为30-50层。
可选地，所述低折射率材料的折射率值范围为1.2-1.6。
可选地，所述低折射率材料包括SiO2和MgF2中的至少一种。
可选地，所述第一膜层中的高折射率材料和低折射率材料的交替镀制总层数为30-50层；
可选地，所述第二膜层中高折射率材料和低折射率材料的交替镀制总层数为40-60层。
本发明的有益效果是：全介质“法布里-珀罗”膜层结构中选择高折射率材料作为反射层，可减弱滤光片通带的角度偏移量，保证滤光片多角度工作性能。采用了独特的不对称“多腔”结构，设计中各“单腔”中不同的反射堆层数和反射层厚度所形成的差异化结构调制出独特的通带效应，通过增加/减少第1腔中敏感层厚度可使得第1腔通带中心波长向长波/短波偏移，进而使得调谐出的“多腔”结构通带曲线出现短波端/长波端透过率降低，通带呈阶梯特征，可在工作波长实现“小工作角状态下的透过率显著低于或高于大工作角状态时的透过率”的效果，可以满足不同工作角度的透过率值表现显著差值的要求；同时本薄膜设计方案仍保有通常设计方案通带带宽特性和截止带截止效果。
附图说明
图1是本发明的阶梯特征通带窄带滤光片的结构示意图；
图2是本发明的一种实施例的滤光片的通带光谱透射曲线图；
图3是本发明的另一种实施例的滤光片的通带光谱透射曲线图。
在以上图中：1基片；2第一膜层；3第二膜层。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细、完整的解释，但所描述的实施例仅为本发明一部分。
本发明提出一种阶梯特征通带窄带滤光片，包括：基片1，所述基片1的两面分别镀制有第一膜层2和第二膜层3；
所述第一膜层2从基片1至外侧的结构为：
a(HL)b(HL)(HL)s c(HL)d(HL)；
所述第二膜层3从基片1至外侧的结构为：
(HL)n y(H)(LH)n x(H)L[(HL)n 2y(H)(LH)n L]m(HL)n+1y(H)(LH)n；
其中，H代表高折射率材料膜层，L代表低折射率材料膜层；a、b、c、d、x、y代表括号内膜层结构的光学厚度，厚度单位为λ/4，λ为工作波长1064nm，0＜a、b、c、d＜2，-1＜x＜1，y为整数2的倍数。m、n、s代表括号内结构的重复次数。
膜层结构为周期性带通滤光膜堆。第三膜层3交替镀制有高折射率材料膜层和低折射率材料，第三膜层3结构为全介质“法布里-珀罗”结构。
本发明的技术原理可简述为，利用全介质“法布里-珀罗”膜层结构实现对除工作波长外一定范围的长波、短波光线的截止，利用带通滤光膜堆实现除基片1材料吸收波段和“法布里-珀罗”膜层结构截止波段以外波段光线的截止，最终形成窄通带、宽截止带的通带带宽特性和截止带截止效果。所述全介质“法布里-珀罗”结构中，选择高折射率材料作为反射层，可减弱滤光片通带的角度偏移量，保证滤光片多角度工作性能。
第一膜层2中，(HL)s是带通滤光膜结构主要部分，抑制指定波长范围内光的透过，两侧的a(HL)b(HL)与c(HL)d(HL)通过合适的配比，可抑制通带波纹的产生，提高性能。
第二膜层3中，(HL)n y(H)(LH)n，为一个典型的全介质“法布里-珀罗”单腔结构，其中“y(H)”为反射层，反射层两侧的“(HL)n”和“(LH)n”为反射堆。多个单腔结构间***低折射率材料L作为耦合层，可串置单腔结构形成多腔结构。这里将靠近基片的(HL)n y(H)(LH)n x(H)结构称为第1腔，将x(H)称为第1腔中的敏感层。将其后的[(HL)n 2y(H)(LH)n L]m+1结构称为第2、……、m+1腔，最后的(HL)n+1y(H)(LH)n结构称为第m+2腔。
设计中各“单腔”中不同的反射堆层数和反射层厚度所形成的差异化结构调制出独特的通带效应，通过增加/减少第1腔中敏感层厚度可使得第1腔通带中心波长向长波/短波偏移，进而使得调谐出的“多腔”结构通带曲线出现短波端/长波端透过率降低，通带呈阶梯特征，可在工作波长实现“小工作角状态下的透过率显著低于或高于大工作角状态时的透过率”的效果。
实施例1
现在提出一种具体实施例进行说明，本发明的一种阶梯特征通带窄带滤光片中的基片1所选材料为HWB850玻璃，高折射率膜层H选用Ta2O5材料，低折射率膜层L选用SiO2材料，抛光和清洗基片1后，在基片1的一面交替蒸镀Ta2O5层和SiO2层，以此形成第一膜层2，第一膜层2中的Ta2O5层和SiO2层总层数为33层。在基片1的另一面交替蒸镀Ta2O5层和SiO2层，第二膜层3中的Ta2O5层和SiO2层总层数为46层。第一膜层2和第二膜层3中的Ta2O5层的厚度设置为130nm，SiO2层的厚度设置为190nm，Ta2O5材料在546nm时的折射率为2.20，SiO2在546nm时的折射率为1.48；采用离子束辅助蒸发Ta2O5层和SiO2层，Ta2O5的蒸发速率为0.2nm/s，Ar为15sccm，O2为85sccm，离子源能量为7000w，SiO2的蒸发速率为0.3nm/s，Ar为15sccm，O2为15sccm，离子源能量8000w。
本实施例得到的膜系结构如下：
第一膜层2：中心波长880nm，
0.8(HL)0.9(HL)(HL)110.8(HL)1.5(HL)；
第二膜层3：中心波长1070nm，
(HL)2(2)H(LH)2(0.5)HL[(HL)2(4)H(LH)2L]2(HL)3(2)H(LH)2；
其中，H：Ta2O5材料膜层；L：SiO2材料膜层。
对本实施例的滤光片进行光谱测量，如图2所示，本实施例制备的滤光片在工作角度为12°角时，在波长1040-1045nm阶段透过率几乎为0，在波长1045-1050nm阶段透过率开始上升至5％，在波长1050-1055nm阶段透过率呈指数上升至60％，在波长1055-1057nm阶段透过率几乎不变，在波长1057-1063nm阶段透过率指数上升至85％，在波长1063-1068nm阶段透过率维持85％不变，在波长1068-1085nm阶段透过率呈指数下降至1％，在波长1085-1100nm阶段透过率缓慢下降到0。
本实施例制备的滤光片在工作角度为0°角时，在波长1040-1050nm阶段透过率几乎为0，在波长1050-1055nm阶段透过率开始上升至2％，在波长1055-1063nm阶段透过率呈指数上升至56％，在波长1063-1065nm阶段透过率几乎不变，在波长1065-1073nm阶段透过率指数上升至87％，在波长1073-1077nm阶段透过率维持87％不变，在波长1077-1090nm阶段透过率呈指数下降至2％，在波长1090-1100nm阶段透过率缓慢下降到0。
从图2中可以看出，在波长1045-1071nm阶段，滤光片在大工作角(12°)状态下透过率显著高于小工作角(0°)状态下的透过率；在波长1071-1090nm阶段，滤光片在小工作角(0°)状态下透过率显著低于大工作角(12°)状态下的透过率。工作波长λ＝1064nm，滤光片在大工作角(12°)状态下透过率显著高于小工作角(0°)状态下的透过率。
实施例2
现在提出另一种具体实施例进行说明，本发明的一种阶梯特征通带窄带滤光片中的基片1材料为HWB850玻璃，高折射率膜层H选用ZnS材料，低折射率膜层L选用MgF2材料，抛光和清洗基片1后，在基片1的一面交替镀制ZnS层和MgF2层，以此形成第一膜层2，在基片1另一面交替镀制ZnS层和MgF2层，以此形成第二膜层3。第一膜层中的ZnS层和MgF2层总层数为33层，第二膜层3中的ZnS层和MgF2层总层数为46层，每一面ZnS层的厚度设置为120nm，每一面MgF2层的厚度设置为200nm，ZnS材料在546nm时的折射率为2.30，MgF2材料在546nm时的折射率为1.38；采用离子束辅助蒸发，ZnS的蒸发速率为0.2nm/s，Ar为20sccm，离子源功率为300W，MgF2的蒸发速率为0.6nm/s，Ar为20sccm，离子源功率为300W。
本实施例得到的膜系结构如下：
第一膜层2：中心波长880nm，
0.8(HL)0.9(HL)(HL)110.8(HL)1.5(HL)；
第二膜层3：中心波长1070nm，
(HL)2(2)H(LH)2(0.44)HL[(HL)2(4)H(LH)2L]2(HL)3(2)H(LH)2；
其中，H：ZnS材料膜层；L：MgF2材料膜层。
对本实施例得到的滤光片进行光谱测量，如图3所示，本实施例制备的滤光片在工作角度为12°角时，在波长1040-1050nm阶段透过率几乎为0，在波长1050-1055nm阶段透过率开始上升至2％，在波长1055-1058nm阶段透过率呈指数上升至45％，在波长1058-1062nm阶段透过率下降至42％，在波长1062-1065nm阶段透过率指数上升至75％，在波长1065-1067nm阶段透过率下降至70％，在波长1067-1075nm阶段透过率呈指数下降至2％，在波长1075-1100nm阶段透过率缓慢下降到0。
本实施例制备的滤光片在工作角度为0°角时，在波长1040-1060nm阶段透过率几乎为0，在波长1060-1065nm阶段透过率呈指数上升至37％，在波长1065-1067nm阶段透过率下降至36％，在波长1067-1073nm阶段透过率呈指数上升至75％，在波长1073-1075nm阶段透过率缓慢下降至74％，在波长1077-1085nm阶段透过率呈指数下降至接近0，在波长1085-1100nm阶段透过率呈指数几乎为0。
从图3中可以看出，在波长1050-1069nm阶段，滤光片在大工作角(12°)状态下透过率显著高于小工作角(0°)状态下的透过率；在波长1069-1085nm阶段，滤光片在大工作角(12°)状态下透过率显著低于小工作角(0°)状态下的透过率。工作波长λ＝1064nm，滤光片在大工作角(12°)状态下透过率显著高于小工作角(0°)状态下的透过率。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (8)
1.一种阶梯特征通带窄带滤光片，其特征在于，包括：基片(1)，所述基片(1)的两面分别镀制有第一膜层(2)和第二膜层(3)；
所述第一膜层(2)从基片(1)至外侧的结构为：
a(HL)b(HL)(HL)s c(HL)d(HL)；
所述第二膜层(3)从基片(1)至外侧的结构为：
(HL)n y(H)(LH)n x(H)L[(HL)n 2y(H)(LH)n L]m(HL)n+1y(H)(LH)n；
其中，H代表高折射率材料膜层，L代表低折射率材料膜层；a、b、c、d、x、y代表括号内膜层结构的光学厚度，厚度单位为λ/4，λ为工作波长，a＝0.8、b＝0.9、c＝0.8、d＝1.5，-1＜x＜1，y＝2；m＝2、n＝2、s＝11，代表括号内结构的重复次数。
2.根据权利要求1所述的阶梯特征通带窄带滤光片，其特征在于，所述基片(1)的材料为光学玻璃或有色玻璃。
3.根据权利要求1所述的阶梯特征通带窄带滤光片，其特征在于，所述高折射率材料的折射率值范围为2.0-3.0。
4.根据权利要求3所述的阶梯特征通带窄带滤光片，其特征在于，所述高折射率材料包括TiO2、Ti3O5、Ta2O5、Nb2O5、ZrO2和ZnS中的至少一种。
5.根据权利要求3或4所述的阶梯特征通带窄带滤光片，其特征在于，所述第一膜层(2)中的高折射率材料和低折射率材料的交替镀制总层数为30-50层。
6.根据权利要求1所述的阶梯特征通带窄带滤光片，其特征在于，所述低折射率材料的折射率值范围为1.2-1.6。
7.根据权利要求6所述的阶梯特征通带窄带滤光片，其特征在于，所述低折射率材料包括SiO2和MgF2中的至少一种。
8.根据权利要求6或7所述的阶梯特征通带窄带滤光片，其特征在于，所述第二膜层(3)中高折射率材料和低折射率材料的交替镀制总层数为40-60层。
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