[实用新型]一种高光学稳定性的超窄带滤光片

说明书

本实用新型公开一种高光学稳定性的超窄带滤光片，包括基底及设置在基底上的超窄带滤光膜。基底为FEP光学塑料，超窄带滤光膜为修正的三腔结构。滤光片中心波长λ₀＝530nm，膜层数为60层，总几何厚度为4771nm。膜系选用高折射率TiO₂膜和低折射率SiO₂膜，所有膜层均釆用离子辅助淀积，离子能量为350eV。FEP塑料的热线膨胀系数达140×10^‑6/度，并选择热线膨胀系数小、折射率温度系数正负匹配的膜料，以消除环境温度引起的波长漂移。这种超窄带滤光片可广泛应用于光学、光电和激光系统及仪器作为稳定的信号滤波器。

技术领域

本实用新型涉及一种高光学稳定性的超窄带滤光片，属于光学薄膜领域，可广泛应用于光学、光电和激光系统及仪器作为信号滤波器。

背景技术

薄膜带通滤光片作为光学滤波器在光学、光谱学、激光、天文物理等领域具有不可替代的重要应用。表征带通滤光片特性的主要参数包括中心波长或峰值波长λ₀、峰值透射率T_m和半宽度△λ。如图1所示，半宽度是一半峰值透射率处的波长宽度，并常用△λ/λ₀表示相对宽度。△λ/λ₀大于5％的滤光片叫宽带滤光片，介于5％和1％之间的叫窄带滤光片，小于1％的叫超窄带滤光片。本实用新型中涉及的滤光片半宽度为1nm，相对宽度为1/530＝0.19％，属典型的超窄带滤光片。

超窄带滤光片使用时会遇到非常棘手的光学稳定性问题，所谓光学稳定性是指滤光片使用过程中随着使用环境的相对湿度和环境温度变化所产生的光学特性的不稳定性：即滤光片中心波长或峰值波长λ₀、峰值透射率T_m和半宽度△λ会随使用环境的相对湿度和环境温度的变化而变化，其中变化最大的是中心波长或峰值波长λ₀的移动，习惯上称λ₀的移动为波长漂移，这种波长漂移轻则导致滤光片滤波功能下降，重则会完全截断光路，失去信号。

导致滤光片光学不稳定性的机理现在已经基本搞清楚了。上世纪70年代，薄膜工作者发现任何用加热蒸发制备的薄膜无一例外地都是多孔的柱状微结构(如图2所示)，这意味着薄膜内部的柱体表面实际上与薄膜外表面一样都是暴露于环境气氛中的，且柱体内表面的面积要比薄膜外表面的面积大十倍以上。薄膜柱体之间的空隙犹如贯穿薄膜的毛细孔，在环境气氛中具有极强的水吸附效应。为研究这种多孔的柱状结构，提出了一个简单明了的物理概念--聚集密度P，其定义为：

对常规工艺制备的各种薄膜测试表明，P一般在0.75～0.95之间，这迫使人们重新认识：原来薄膜内部不是致密的，而是疏松的。即使采用优化工艺制备的薄膜，P一般也只能达到0.9～0.95。若取P＝0.92计算，当环境相对湿度从10％变化到95％时的滤光片高、低两种折射率的变化值代入商用TFC程序，则可算得滤光片的中心波长或峰值波长λ₀漂移约为10nm左右，这就是以前为什么滤光片常须置于一个恒湿密封盒中才能使用的原因。λ₀漂移的原因是直截了当的：当相对湿度为10％时，薄膜空隙中填充的基本上是折射率为1.0的空气，而当相对湿度上升到95％时，薄膜空隙中填充的基本上是折射率为1.33的水。这就是说，在高湿环境中，薄膜的折射率升高，致使光学厚度增大，故滤光片特性向长波漂移；反之，若相对湿度由高变低，则滤光片特性向短波漂移。这就是由环境相对湿度引起的漂忽不停的光学不稳定性。这种光学不稳定性直到世纪之交出现的光通讯波分复用器件的突破才得到基本解决，这就是离子辅助淀积：借助于辅助离子的动量传递来提高淀积薄膜分子的动能及迁移率，获得聚集密度为1的致密薄膜。但是，离子辅助淀积必须建筑在合理精准使用离子源的基础上，否则即使采用离子辅助，nm级的漂移仍然经常存在。