線(xiàn)性漸變?yōu)V光片的制備方法研究

陳鵬+羅露雯+盛斌+黃元申

摘要：

提出了一種離子束刻蝕制備線(xiàn)性漸變?yōu)V光片（LVOF）的方法。離子束刻蝕過(guò)程中，通過(guò)在樣片和離子束出射窗口之間加入開(kāi)有三角形透射窗口的擋板以及樣片水平方向多次來(lái)回運(yùn)動(dòng)完成楔形諧振腔層制備，配合離子束輔助反應(yīng)電子束真空鍍膜技術(shù)，完成線(xiàn)性漸變?yōu)V光片的制作。設(shè)計(jì)三組不同刻蝕次數(shù)的制作實(shí)驗(yàn)，制作出了工作波長(zhǎng)為500～580 nm、線(xiàn)色散系數(shù)為1.03 nm·mm-1的線(xiàn)性漸變?yōu)V光片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)樣品臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率或者刻蝕次數(shù)，能夠制備出具有預(yù)期楔角諧振腔層的線(xiàn)性漸變?yōu)V光片。

關(guān)鍵詞：

線(xiàn)性漸變?yōu)V光片（LVOF）； 間隔層； 離子束刻蝕

中圖分類(lèi)號(hào)： O 43文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.006

Abstract：

Method of fabricating linear variable optical filters（LVOF） by ion beam etching with masking mechanisms has been proposed.A triangle-shaped mask is designed and set between the ion source and sample.During the ion etching，the sample is moved back and forth repeatedly with a constant velocity for purpose of obtaining the linearly varied thickness of the cavity.Combining with ion beam assistant thermal oxidative electron beam evaporation deposition technology，the fabrication of LVOF can be completed.Three different times for etching during ion beam etching process were designed and performed.Filtering range lies in 500～580 nm and line dispersion coefficient of 1.03 nm·mm-1 have been fabricated.The measured results indicated that by adjusting the scanning frequency and time of ion beam etching，LVOFs which have anticipated wedge-shape resonant cavity can be obtained.

Keywords：

linear variable optical filter（LVOF）； resonant cavity； ion beam etching

引言

線(xiàn)性漸變?yōu)V光片（LVOF）是繼棱鏡、光柵以及近期發(fā)展的多種分光元件之后發(fā)展起來(lái)的一種新型分光元件，它與棱鏡、光柵等傳統(tǒng)的分光元件相比具有體積小、通帶多、通帶位置可以任意設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。由于線(xiàn)性漸變?yōu)V光片可與CCD/CMOS探測(cè)器列陣結(jié)合共同構(gòu)成可識(shí)別光譜的探測(cè)器，大大簡(jiǎn)化分光系統(tǒng)，提高儀器的可靠性、穩(wěn)定性和光學(xué)效率，受到越來(lái)越多的關(guān)注。以線(xiàn)性漸變?yōu)V光片為核心分光元件的光譜儀已經(jīng)成功應(yīng)用到航天航空、野外探測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)、生物流體分析和多/高/超光譜成像等多個(gè)領(lǐng)域[1-5]，因此針對(duì)漸變?yōu)V光片的研究具有重要意義。

目前，線(xiàn)性漸變?yōu)V光片的理論設(shè)計(jì)方法較為成熟，在制作方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者也分別提出不同方法[6-13]。秦潔玉等[6]提出了一種膜厚修正擋板的設(shè)計(jì)方法，給出了使用擋板情況下基片膜厚和監(jiān)控片膜厚的關(guān)系，并用設(shè)計(jì)的擋板成功鍍制了線(xiàn)性漸變?yōu)V光片。Piegari等[7-8]使用了類(lèi)似的方法，在線(xiàn)性漸變?yōu)V光片鍍制過(guò)程中，濾光片上方加入了特定形狀并且可來(lái)回移動(dòng)的擋板，通過(guò)控制擋板來(lái)回移動(dòng)的速率和次數(shù)，鍍制出滿(mǎn)足要求的線(xiàn)性漸變?yōu)V光片。Emadi等[9]通過(guò)在鍍制好的平整諧振腔層上旋涂光刻膠，在特定的掩模板下曝光和顯影，利用光刻膠的熱流動(dòng)特性獲得楔形光刻膠層，通過(guò)離子束刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到中間諧振腔層，配合鍍膜技術(shù)完成線(xiàn)性漸變?yōu)V光片制作。這些方法大多關(guān)注于鍍膜過(guò)程中獲得的楔形諧振腔層，而通過(guò)離子束刻蝕來(lái)獲得楔形諧振腔層的方法卻鮮有報(bào)道。

本文以法布里-珀羅結(jié)構(gòu)濾光片為基礎(chǔ)，提出一種簡(jiǎn)便的離子束刻蝕制備線(xiàn)性漸變?yōu)V光片的方法。

式中：n、d分別表示間隔層的折射率、厚度；φ1、φ2分別為上下反射膜系的位相；m為k+（φ1+φ2）/2π，k=0，1，2，…。

由式（1）可知，法布里-珀羅結(jié)構(gòu)濾光片的峰值透射波長(zhǎng)與中間層的光學(xué)厚度（nd）成正比，而線(xiàn)性漸變?yōu)V光片其中間諧振腔層厚度沿某一方向線(xiàn)性變化，因此線(xiàn)性漸變?yōu)V光片的中心透射波長(zhǎng)沿諧振腔厚度變化方向線(xiàn)性變化。設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)550 nm的線(xiàn)性漸變?yōu)V光片，其膜系結(jié)構(gòu)如下：

Glass/A（BA）5（xB）（AB）5A/Air

其中A（BA）5、xB、（AB）5A分別為下反射膜系、諧振腔層和上反射膜系。上下反射膜系分布在諧振腔兩側(cè)，成鏡面對(duì)稱(chēng)；A和B分別為高折射率Ta2O5和低折射率SiO2膜層材料；x為中間諧振腔層的厚度變化因子。

不同諧振腔層厚度對(duì)應(yīng)的透射譜線(xiàn)如圖1所示。隨著諧振腔厚度增加，對(duì)應(yīng)級(jí)次的透射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，而自由光譜范圍（FSR）會(huì)限制線(xiàn)性漸變?yōu)V光片工作波段范圍。綜合考慮光譜分辨率和自由光譜范圍等因素，設(shè)計(jì)了470～640 nm厚度的楔形諧振腔層，相應(yīng)的中心波長(zhǎng)在500～580 nm之間，不同諧振腔層厚度對(duì)應(yīng)的理論峰值透射率平均可達(dá)75%以上，透射帶寬在1.5～2 nm左右，相對(duì)透射帶寬在0.27%～0.36%左右。