本文引自：中国光学

超窄带滤光片--绿光波段532nm 0.06nm 超窄带滤光片的研制

作者：王凯旋1,2,3，陈　刚1，刘定权1,2,3 *，马　冲1，张秋玉1,3（1. 中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083；2. 上海科技大学 物质学院，上海 201210；3. 中国科学院大学，北京 100049）

摘要：

由于在大气中具有很强的穿透能力，532 nm波长的绿色激光器具有广泛的应用，包括自由空间光通信和激光三维测绘。半功率带宽小于100 pm的光谱滤光片是抑制背景光干扰的重要光学元件。因此，该文设计并制造了一种基于光学干涉膜的超窄带通滤波器。高折射率膜和低折射率膜分别由五氧化二钽（Ta 2 O 5 ）和二氧化硅（SiO 2 ）制成。采用双离子束溅射沉积法将设计的光学薄膜沉积在熔融石英衬底上。滤光片的透射光谱由可调谐激光器和功率计测量。滤波器的半功率带宽为（60±2）pm，透射率达到62.6%。

本文作者分享了制造中心波长532nm,半高宽0.06nm的超窄带滤光片的工艺，本文作者从产品的镀膜方式，基板的选择，薄膜的吸收以及做成成品后光谱的测量等多个方面进行了详细的分析，提供了数据进行佐证。

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1. 引言

波长为532nm的绿色激光在大气中具有很强的穿透能力，相应的光源和光电接收器性能稳定。该波长激光器在激光激光雷达、自由空间光通信、空间激光遥感、三维测绘成像等领域 [1-4] 具有良好的应用前景。为了减少背景光的干扰，特别是太阳辐射的强烈影响，需要通带宽度低于100 pm（即0.1 nm）的光谱滤光片来抑制背景光 [5] 。对于这种滤波器，可以采用的主要滤波技术包括：声声调制、原子滤波、法布里-珀罗（F-P）标准具、薄膜干涉滤波等。 [6-8]

对于星载光学仪器（尤其是那些面临深空飞行的仪器），可靠性、高光效率和轻量化是需要考虑的关键因素，因此F-P标准具和薄膜干涉是主要的技术选择。E. Troupaki [5] 等人利用F-P标准具技术构建了光谱滤波器，并在美国ICESat-2卫星上实现了30 pm带宽光谱滤波，用于冰雪、云和陆地的高程测绘。该仪器使用 6 束激光束进行测绘。ICESat-2是目前在国外使用的唯一高度测绘卫星。这种光谱滤光片对温度控制要求很高。此外，当需要相当多的激光束时，很难布置许多光谱滤光片。为了开发具有更多激光束的空间高程映射，我们设计并制造了一种基于精密光学薄膜的目标带宽为60 pm的带通滤光片。

2. 薄膜系统的设计与制造

表1列出了几种相关的亚纳米级光谱滤波技术，每种技术都有自己的特点。该文采用基于薄膜干涉的光谱滤波技术。

2.1 滤膜系统设计

对于半功率带宽非常窄的带通滤波器，考虑到每层薄膜的实际沉积误差，采用单谐振腔的F-P结构形成全介质薄膜层滤波器。其波形可与基于F-P标准具的滤波器相媲美，通过增加间隔层的干涉阶数可以改善其频谱矩形。Ta2O5 因其在近紫外、可见光和短波红外波段 [9-11] 具有优异的物理化学稳定性和透明度，因此被选为高折射率薄膜层，适用于超窄带通滤光片，如4G和5G光通信中使用的密集波分复用（DWDM）滤光片。选择SiO 2 作为低折射率薄膜层，由于共享相同材料，透明度好，理化稳定性高，与熔融石英制成的基板热匹配性好。熔融石英（JGS-1,4 mm厚）因其良好的热稳定性 [12] 而被选为超窄带通滤光片的基板。

滤膜系统设计为Sub./（1H 1L） 10 1H 2L 1H （1L 1H） 10 1L/Air，其中H和L分别代表光厚为1/4中心波长的Ta 2 O 5 和SiO 2 薄膜层，即激光波长为532 nm。低折射率薄膜层2L被设计为间隔片，因为它具有较小的线膨胀系数和折射率温度系数，因此与2H间隔片相比具有更稳定的滤光光谱。当然，这种胶片系统对入射角也更加敏感。这是一种具有单个谐振器的法布里-珀罗结构，完全由介电薄膜组成。

通带宽度可以用公式（1） [13-14] 近似：

其中n H 和n L 分别是高折射率和低折射率薄膜层的折射率，n g 是基板的折射率（n g =1.445），x是反射膜堆栈中高折射率薄膜层数（x=11），λ 0 是中心波长（λ 0 =532 nm），m是滤光片的干涉阶数（m = 1）。在532 nm波长下，假设n H 和n L [14] 分别为2.108和1.442进行计算，半功率带宽的设计值确定为0.053 nm（53 pm）。公式（1）计算的带宽值是一系列分离值，其中53 pm是接近目标的计算值。由于实际薄膜生长过程中各种技术因素的影响以及薄膜厚度监测误差的存在，光谱通带将在一定程度上变宽。

通过“Film Wizard”薄膜设计软件，从设计的薄膜系统中得到带通滤光片的透射光谱曲线，如图1所示（在线彩图）。在基板的另一侧没有设计抗反射膜层。当不考虑薄膜层的光吸收时，峰值透射率T P 达到93%，半功率带宽值为57 pm，与公式（1）的结果差异不大。当考虑薄膜层的光吸收，引入 [15] 高低折射率薄膜层的消光系数（k H =1.5× −5 10，k L =1.0×10 −5 ）时，峰值透光率T P 下降到74%，半功率带宽值增加到65 pm。在波长小于531.5 nm且大于532.5 nm的波段中，将使用另一个具有更宽通带的滤光片进行光谱拦截。

图 1.所设计的超窄带通滤波器的透射光谱

2.2 薄膜制造

对于超窄带通滤光片，其光学薄膜主要采用两种技术制备：（1）离子束辅助沉积（IBAD）;（2）双离子束溅射（DIBS）。相对而言，DIBS技术制备的薄膜密度更大，薄膜及其组分更可靠、更稳定 [16-19] 。本文采用DIBS技术制备薄膜。镀膜设备真空室的布局和工作原理图见参考文献[15]。溅射离子源RF16是主要离子源，产生会聚的高能（Ar + ）离子束对靶材（Ta和SiO 2 靶材）进行溅射。RF12产生的（O 2+ 和Ar + ）混合离子束用于轰击生长中的薄膜，以实现薄膜的完全氧化和致密生长。靶材纯度为≥99.99%。涂膜后，工件板高速旋转，转速可达800转/分。

在薄膜沉积和生长过程中，光学监测系统（OMS）发出532nm的光，直接穿过监测玻璃，被检测器接收。然后，从探测器输出电信号以观察光强度的变化。通过将第2.1节设计的滤膜系统代入编程软件“Film Maker”中，可以计算并显示透射光信号的强度变化和趋势，如图2所示。从图2可以看出，从14 th 层传递到31 st 层的光学监测信号趋于平坦，变化很小，会带来较大的监测误差。这需要改进监测方法，在开始在不敏感层中涂膜时引入新的监测玻璃。“OptiLayer”胶片软件用于分析每个胶片层的灵敏度。灵敏度表示薄膜层误差对滤光片光谱的影响程度。灵敏度越低，误差的影响越小。每个薄膜层的灵敏度如图3所示。可以看出，灵敏度从第13层开始迅速增加。因此，为了提高薄膜层的监测精度，有必要增加薄膜层14−31中光学监测信号的变化幅度。因此，在12 th 层沉积后，应使用新的监测玻璃来监测接下来的32层（13 th 至44 th 层）的沉积和生长，从而有效提高敏感膜层的监测精度。图例. 图4显示了引入两个监测样品后，光学监测信号随薄膜层数的增加而变化。可以看出，变化幅度明显增加。

图2.光信号透射率随薄膜层数的变化

图3.薄膜层误差对各层滤光片光谱的敏感度

图4.使用两块分离的监视器玻璃板改变光学监控信号

从图4（b）可以看出，监控玻璃2上的20 th 层（整个32 nd 层）的监测信号几乎没有变化，因此该层采用时间监测方法。这是一层SiO 2 薄膜。该层前面的3层SiO 2 薄膜的平均沉积时间由控制计算机计算，作为该层的沉积时间。从图3可以看出，该层的灵敏度相对较低。使用这种方法可以达到更高的监测精度。

2.3 光谱测量

对于带宽小于1 nm的超窄带通滤光片，其透射光谱测量需要更精确的仪器。仪器的光谱分辨率应优于滤光片带宽的 1/10。穿透滤光片的光谱积分能量非常小，因此仪器需要非常高的检测灵敏度，需要有效控制电测量噪声和背景光干扰。

光谱测量设置如图5所示。光源为超连续光源，光谱范围为400−2000 nm，输出功率为8W，占空比为≥99%。光从光纤中引出，准直后垂直入射到滤光片表面。收集后，穿透滤光片的光由光纤引导到光谱分析仪（横河电机AQ6373B）。选择波长范围为531.5−532.5 nm，采样间隔为0.003 nm。滤光片样品的透射率光谱曲线如图6所示。在通带的两侧都可以看到一些波动。这些波动是测量噪声，曲线没有平滑。

图5.透射频谱测量装置示意图

图6.测得的超窄带通滤波器的透射光谱

3. 分析与讨论

3.1 测量光谱分析

图6和图1的比较表明，实际测量的光谱通带变宽了，峰值透射率有所降低。具体数据对比见表2。

表 2.测量和设计的传输频谱数据

实际沉积后形成的薄膜具有一定的光吸收性。在沉积和生长过程中，膜层厚度的光学控制总是存在一些误差。基于这两个原因，实际测量的光谱与设计的光谱不一致。

（1）薄膜吸收效果。薄膜吸收降低了光能的透射率，使光谱曲线的透射率整体降低。从图1可以看出，对于这种超窄带滤光片，峰值透射率比没有薄膜吸收的要小得多，并且在远离峰值波长的波长处，透射率略有降低。因此，半峰值对应的带宽增加，B值与A值不同，如表2所示。

（2）膜厚控制误差的影响。膜厚的控制误差主要包括随机误差和更换监控玻璃引起的误差。随机误差通常非常小，特别是在高精度控制系统中。更换监控玻璃会改变薄膜的初始生长状态，从而带来一定的误差 [20] 。由于采用一阶垂直透射单波长极值监测方法，后期沉积的薄膜层可以补偿早期薄膜层的误差，使整个薄膜系统的光学厚度误差不会被放大。为了研究随机误差对光谱的影响，使用“OptiLayer”胶片软件进行仿真。在仿真之前，需要选择适当的随机误差。由于滤光片带宽和中心波长的测量值与设计值相差不大，因此引入的随机误差应使仿真结果尽可能接近设计结果，不宜过大或过小。经过多次尝试后，所有层都引入了相当于通带宽度10%（即6 pm）的光学厚度的随机误差。仿真结果如图7（a）所示。由于在13 th 层电镀开始时更换了监控玻璃，因此需要单独研究该层的随机误差对光谱的影响。对于滤光片，通带宽度和中心波长的变化在带宽的10%以内是可以接受的。经过反复尝试，每个薄膜层的随机误差被抵消，随机误差在0.5%以内（即0.将32 nm）的光学厚度分别引入到13 th 层中，得到图7（b）所示的模拟结果。通过使用DIBS沉积技术，膜厚精度可以控制在0.5%。

图7.随机引入控制误差后光谱曲线的变化

从图7可以看出，这些误差的引入对光谱影响不大。与图6的对比表明，本文采用的监测方法可以将随机误差控制在6 pm左右，从而在532 nm波长处形成宽度为60 pm的光谱通带。薄膜的实际吸收大于设定值，导致峰值透射率进一步降低。带宽没有明显变化，在测量误差范围内。

3.2 基材的影响

基板的材料和表面质量对这种超窄带滤光片的光谱特性有一定的影响。薄膜沉积温度在（100±5）°C范围内，而过滤器通常在常温下使用。此外，环境可能会有温度变化。因此，薄膜的线膨胀系数α应尽可能接近基板的线膨胀系数，薄膜和基板的折射率温度系数（dn/dT）应尽可能小。表 3 给出了替代基板材料，包括晶体石英 （CQ）、几种类型的玻璃和蓝宝石 （Al 2 O 3 ）。

表 3.本研究中 [12, 21-22] 基板和薄膜的光学和热性能

表3中给出的CQ和蓝宝石（Al 2 O 3 ）具有双折射（但表3中的数据是针对普通光（O光））和较大的线性膨胀系数，因此本研究未选择它们。由于微晶玻璃的折射率温度系数高，也没有被选中。光学玻璃（K9、BK7等）通常掺杂一些含重金属的物质，在空间照射下透过率下降，这在我们之前的实验研究中已经得到证实。部分数据来自肖特的网站。本研究选用中国JGS-1熔融石英作为基体材料。

基板的表面质量也会影响滤光片的光谱性能。如果表面不够光滑，则在薄膜与基板的界面处会形成折射率不确定的薄过渡层，如图8所示，其中d s-f 为过渡层的几何厚度。过渡层的折射率n s-f 由公式（2）确定，

图8.粗糙基板表面与薄膜边界示意图

其中ρ s 是过渡层中基板材料的体积比例，n s 和n分别是基板和第一层的折射率。过渡层引起的光学厚度偏差可以由公式（3）给出，

可以看出，较粗糙的表面相应具有较大的 Δd 值。

在这项研究中，Δd 不应大于 6 pm（带宽的 10%）。假设体积比例ρ s 为0.5，第一层为Ta 2 O 5 ，并考虑图4所示的薄膜层灵敏度，基板表面的粗糙度P-V应小于2 nm，因此表面为超光滑表面。

3.3 Spectrum stability  3.3 频谱稳定性

滤光片样品的光谱测量是在切割完成一个月后进行的。选择具有合格光谱的样品作为产品并应用于激光测绘系统。经过一个月的老化，膜内应力已经释放，膜系趋于稳定。间隔层2L的光学稳定性对光谱的影响最大，而其他层的影响相对较小。间隔层由与基材相同的材料制成。在温度控制下，微小的温度变化不会产生新的应力。薄膜的光学特性随温度的变化将导致光谱偏移，可以用公式（4） [12] 近似：

通过将滤光片的薄膜系统参数代入公式（4），确定了其透射光谱随温度的变化。在温度变化为10°C时，光谱漂移约为54 pm，在温度变化为3°C时约为16 pm，在温度变化为2°C时约为2 pm。在应用滤光片的实际光学系统中，温度控制条件设置为±2°C。滤光片在太空中实际的激光测绘过程中表现稳定。

4. 结论

以Ta 2 O 5 和SiO 2 分别为高折射率和低折射率薄膜材料，以熔融石英为基底，通过DIBS沉积制备了半功率带宽为（60±2）pm、中心波长为532.0 nm、峰值透射率为62.6%的超窄带滤光片。当不敏感的薄膜层沉积时，切换监控玻璃，采用两块监控玻璃板依次使用一阶透射极值监测方法，有效控制了误差的累积放大。最后，得到了一个测得半功率带宽约为60 pm的超窄带滤波器。