一種修正薄膜高低折射率材料相對厚度配比的膜系的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種修正薄膜元器件高低折射率材料相對厚度配比的膜系，該膜系的基本結構為Sub|HL1.5HLHL1.5HL|Air，Sub是薄膜元件基板，Air是出射介質空氣，H和L分別是1/4中心波長光學厚度的高低折射率材料。采用膜系結構的薄膜元件透射光譜特征峰較多，中心波長反射帶右側兩個等高特征峰用來修正高低材料的相對膜厚配比。本發明結構簡單、可參考光譜特征峰多、峰高對膜層材料配比敏感，光譜可用常規的光學監控或晶振監控實現，具有較高的可制備性，便于推廣。本發明在薄膜光學領域有廣闊的實用前景，可用于鍍膜機內膜層厚度均勻性及大尺寸光學元件整體厚度均勻性的修正，并且可用來校正高低折射率膜層材料相對厚度的配比，提高高精度光譜需求薄膜元件的制備精度和量產程度。
【專利說明】
一種修正薄膜高低折射率材料相對厚度配比的膜系
技術領域
[0001]本發明涉及光學薄膜，尤其涉及一種薄膜元件制備時修正高低折射率材料相對厚度配比的膜系。
【背景技術】
[0002]自19世紀初薄膜被制造使用以來，一代一代的科學家對薄膜的理論、制備工藝、材料和應用領域進行了不斷地深入研究，逐漸形成了較為完備的光學薄膜體系。現在薄膜技術在電子元器件、激光、航天等高科技行業領域有著極其廣泛地應用，并且薄膜技術越來越影響著其產品的性能，已成為高科技行業的重要技術。但是薄膜制備過程中可能會出現膜層均勻性不理想和高低折射率材料厚度比失配問題，膜層均勻性大家研究的比較多，主要包括兩個方面:一是在同一次鍍制過程中處于鍍膜機工件架不同位置的薄膜應該有相同的膜厚分布;二是同一個光學元件，其基板上面的薄膜特性應該處處相同。第一方面保證了光學元件產業化的鍍膜效率，后者保證每個光學元件的光譜準確性及大尺寸光學元件精確制備的可能性。因此，對于一臺新的鍍膜機或者一種新的鍍膜材料，薄膜制備者都會首先采取措施(例如通過修正掩膜板等)來保證薄膜的均勻性。但通常情況下，大家修正的都是整體光學厚度的一致性，即高低折射率材料光學厚度之和的一致性，而不追究高低折射率材料光學厚度比是否是設計所需求的1:1，對于普通光譜需求的薄膜，如高反射膜、單點增透膜而言，高低折射率材料相對光學厚度比不是1:1并不影響所需要的光譜精度。但是對高精度光譜需求的薄膜制備而言，如窄帶濾光片、高陡度帶通濾光片及寬波段增透膜等，僅僅修正光學元件膜層整體厚度均勻性是遠遠不夠的，它們不僅僅要保證總體光學厚度的準確性，還需要保證高低折射率材料光學厚度相對比例的準確性。因此發明一種能夠同時修正膜厚均勻性和高低折射率材料光學厚度配比的模系結構，對于制備大口徑、最佳膜厚均勻性及高精度光譜需求的薄膜、對指導大規模大批量光學薄膜生產實踐具有重要意義。
[0003]本發明利用了一種SubI HLl.5HLHL1.5HL | Air的膜系結構，來修正薄膜高低折射率材料厚度配比。這個膜系結構對應的光譜特征峰比較多，除了可以用來表征大尺寸元件整體膜層厚度的均勻性之外，還可以同時修正高低材料的膜厚配比分布。在中心波長反射帶右側的兩個特征峰透射率極小值的相對大小比值代表著高低折射率材料的膜厚比例的大小，可以通過透射率的比值簡易快捷地推算出高低折射率材料光學厚度的比值。此外該膜系結構對薄膜材料折射率的非均質性不敏感，尤其適合在由氧化鉿、氧化鋯等具有折射率非均質性材料構成的激光薄膜的制備中。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種可以修正膜厚高低折射率材料光學厚度相對配比的膜系結構，它能良好地實現鍍膜機內部膜層厚度均勻性及大尺寸光學元件厚度均勻性的修正，并且可以用來校正高低折射率材料光學厚度的相對配比。該膜系結構膜層數較少且都為規整結構，總體厚度可以根據實際需求調整設計波長實現，光譜可以用常規的光學監控或晶振監控實現，具有較高的可制備性，便于推廣。
[0005]本發明提出的一種修正薄膜元件高低折射率材料相對厚度配比的膜系，所述膜系的結構為:Sub I HLl.5HLHL1.5HL | Air，其中:Sub為薄膜元件基板，Air為出射介質空氣，H和L分別代表1/4中心波長光學厚度的高折射率材料、低折射率材料;所述膜系結構的主要特征峰有3個，中心波長反射帶左側有I個特征峰，右側有2個特征峰，所述3個特征峰都可以用來表征判斷薄膜元件整體厚度的偏差和均勻性，位于中心波長反射帶右側的2個特征峰可以用來根據透過率的高低來判斷高低折射率材料厚度相對配比系數。
[0006]本發明中，所述薄膜元件基板采用玻璃或晶體，所述玻璃為K9玻璃或石英玻璃。
[0007]本發明中，高折射率材料是Ta205、Ti02、Hf02或ZrO2等氧化物中的任一種，或是硫化物、砸化物等材料種的任一種;低折射率材料是Si02、Al203或MgF2等材料中的任一種。
[0008]本發明中，所述膜系對材料的非均質性不敏感，適合于由氧化鉿、氧化鋯等激光薄膜中常用的含有非均質性材料薄膜元件的制備中。
[0009]本發明中，所述膜系的設計波長可以根據所用設備的特點及需求任意選取。
[0010]本發明中，中心波長反射帶右側的2個特征峰可以用來根據透過率的高低來判斷高低折射率材料厚度相對配比系數，具體為:若位于中心波長反射帶右側的2個特征峰的透射率高度一致，則可以判斷高折射率材料和低折射率材料的光學厚度比是1:1，如果兩者的高度不一致，則可以根據2個透射峰的高低判定它們光學厚度的比值，當左邊特征峰高時，則高折射率材料和低折射率材料的光學厚度比大于I，當右邊特征峰高時，則高折射率材料和低折射率材料的光學厚度比小于I。
[0011 ]本發明的方法是在任意光學基板上采用物理氣相沉積方式依次生長高低折射率介質膜層。
[0012]本發明中，此膜系的制備可以用常規的光學監控或晶振監控輕易實現。
[0013]本發明的有益效果在于:具有膜系結構簡單、可參考光譜特征峰多、峰高對膜層材料厚度配比敏感，并且此膜系結構的光譜特征峰對材料的非均質性不敏感。同時此膜系結構為準規整結構，可以用常規的光學監控或晶振監控輕易實現。根據此膜系可以很方便的判斷和修正鍍膜機內各處樣品的膜厚搭配比例和整體厚度的分布。
【附圖說明】
[0014]圖1:實施例1膜系結構Glass| HLl.5HLHL1.5HL | Air的光譜曲線，設計波長為550nmo
[0015]圖2:膜系結構Glass| HLl.5HLHL1.5HL | Air的示意圖。
[0016]圖3:實施例1尺寸為200mm X 200mm的1064nm窄帶濾光片的理論光譜和實測光譜。
[0017]圖4:實施例2尺寸為10mmX10mm的1064nm寬角度超高陡度薄膜實測光譜。
【具體實施方式】
[0018]下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。
[0019]實施例1:
需要制備半寬度小于6nm，尺寸為200mm X 200mm 口徑的雙腔窄帶濾光元件，由于其膜系的對稱結構，對高低折射率材料的厚度配比要求極其嚴格，同時對于如此大尺寸的窄帶濾光片要想實現整個尺寸內的光譜均勻性也是極高的要求。為此，先采用本設計中提到的膜系結構SUB I HLl.5HLHL1.5HL | AIR來同時修正氧化鉿、氧化硅材料薄膜元件的厚度配比，其中SUB為石英基板，H為HfO2、L為S12 ο其光譜曲線如圖1所示，設計波長為550nm，其主要特征峰有3個，這3個峰都可以用來表征判斷薄膜元件整體厚度的偏差和均勻性以及高低折射率厚度配比，通過比較測量值與計算值峰的漂移程度來計算厚度的偏差和均勻性，其中中心波長反射帶右側2個特征峰可以用來根據透過率的高低來判斷高低折射率材料厚度配比系數。若兩者的透射率高度一致，則可以判斷高低折射率材料的光學厚度比是1:1，如果高度不一致，則可以根據透射峰的高低判定它們光學厚度的比值，其中左側峰對應高折射率材料，右側峰對應低折射率材料，當左邊特征峰高時，則高折射率材料和低折射率材料的光學厚度比大于I，當右邊特征峰高時，則高折射率材料和低折射率材料的光學厚度比小于I。
[0020]通過此種修正后，成功在0PT0RUN生產的配備反射式間接監控鍍膜設備0TFC-1300上面制備出通光口徑達200mm X 200mm，帶寬為5.2nm，中心波長誤差不超過2nm的雙腔窄帶濾光片。其設計光譜和實測光譜如圖3所示。
[0021]實施例2:
在激光系統中有寬角度超高陡度薄膜的需求，例如，需要在10mm X 10mm石英基底上鍍制薄膜，入射角度范圍為0-14°，光譜要求為T〈0.1%@ 1000nm-1047nm,T>90%il064nm-llOOnm。此膜系有兩個特點，一是截至度很高，二是要求對角度不敏感。這個膜系需要對高低折射率的厚度制備精度控制的極其準確，否則截止度不可能達到要求。同時，10mmX10mm的尺寸對薄膜整體厚度均勻性的控制也提出了極高的要求。在實際制備過程中，先采用本設計中提到的膜系結構SUB I HLl.5HLHL1.5HL | AIR來同時修正氧化鉿、氧化硅材料薄膜元件的厚度配比，其中SUB為石英基板，H為Hf02、L為Si02。使材料的厚度配比及膜厚均勻性均達到0.1%的精度，最終成功制備出滿足指標要求的光學元件，其實測光譜曲線如圖4所不O
【主權項】
1.一種修正薄膜元件高低折射率材料相對厚度配比的膜系，其特征在于所述膜系的結構為:Sub I HLl.5HLHL1.5HL | Air，其中:Sub為薄膜元件基板，Air為出射介質空氣，H和L分別代表1/4中心波長光學厚度的高折射率材料、低折射率材料;所述膜系結構的主要特征峰有3個，中心波長反射帶左側有I個特征峰，右側有2個特征峰，所述3個特征峰都可以用來表征判斷薄膜元件整體厚度的偏差和均勻性，位于中心波長反射帶右側的2個特征峰可以用來根據透過率的高低來判斷高低折射率材料厚度相對配比系數。2.根據權利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相對厚度配比的膜系，其特征在于所述薄膜元件基板采用玻璃或晶體，所述玻璃為K9玻璃或石英玻璃。3.根據權利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相對厚度配比的膜系，其特征在于高折射率材料是Ta205、Ti02、Hf02或ZrO2中的任一種，或是硫化物、砸化物中的任一種；低折射率材料是Si02、Al203或MgF2中的任一種。4.根據權利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相對厚度配比的膜系，其特征在于所述膜系對材料的非均質性不敏感，適合于由氧化鉿、氧化鋯等激光薄膜中常用的含有非均質性材料薄膜元件的制備中。5.根據權利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相對厚度配比的膜系，其特征在于所述膜系的設計波長可以根據所用設備的特點及需求任意選取。6.根據權利要求1所述的修正薄膜元件高低折射率材料相對厚度配比的膜系，其特征在于中心波長反射帶右側的2個特征峰可以用來根據透過率的高低來判斷高低折射率材料厚度相對配比系數，具體為:若位于中心波長反射帶右側的2個特征峰的透射率高度一致，則可以判斷高折射率材料和低折射率材料的光學厚度比是I: I，如果兩者的高度不一致，則可以根據2個透射峰的高低判定它們光學厚度的比值，當左邊特征峰高時，則高折射率材料和低折射率材料的光學厚度比大于I，當右邊特征峰高時，則高折射率材料和低折射率材料的光學厚度比小于I。
【文檔編號】G02B1/10GK106066498SQ201610595894
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月27日
【發明人】焦宏飛, 何宇, 鮑剛華, 馬彬, 程鑫彬, 王占山, 李剛正, 孫英會
【申請人】同濟大學, 光馳科技(上海)有限公司