引言

线性渐变滤光片(LVOF)是继棱镜、光栅以及近期发展的多种分光元件之后发展起来的一种新型分光元件, 它与棱镜、光栅等传统的分光元件相比具有体积小、通带多、通带位置可以任意设计等优点。由于线性渐变滤光片可与CCD/CMOS探测器列阵结合共同构成可识别光谱的探测器, 大大简化分光系统, 提高仪器的可靠性、稳定性和光学效率, 受到越来越多的关注。以线性渐变滤光片为核心分光元件的光谱仪已经成功应用到航天航空、野外探测、大气监测、食品安全检测、生物流体分析和多/高/超光谱成像等多个领域^[1-5], 因此针对渐变滤光片的研究具有重要意义。

目前, 线性渐变滤光片的理论设计方法较为成熟, 在制作方面国内外学者也分别提出不同方法^[6-13]。秦洁玉等^[6]提出了一种膜厚修正挡板的设计方法, 给出了使用挡板情况下基片膜厚和监控片膜厚的关系, 并用设计的挡板成功镀制了线性渐变滤光片。Piegari等^[7-8]使用了类似的方法, 在线性渐变滤光片镀制过程中, 滤光片上方加入了特定形状并且可来回移动的挡板, 通过控制挡板来回移动的速率和次数, 镀制出满足要求的线性渐变滤光片。Emadi等^[9]通过在镀制好的平整谐振腔层上旋涂光刻胶, 在特定的掩模板下曝光和显影, 利用光刻胶的热流动特性获得楔形光刻胶层, 通过离子束刻蚀将图形转移到中间谐振腔层, 配合镀膜技术完成线性渐变滤光片制作。这些方法大多关注于镀膜过程中获得的楔形谐振腔层, 而通过离子束刻蚀来获得楔形谐振腔层的方法却鲜有报道。

本文以法布里-珀罗结构滤光片为基础, 提出一种简便的离子束刻蚀制备线性渐变滤光片的方法。

1 膜系设计和制备方法 1.1 膜系设计

对于法布里-珀罗滤光片, 其峰值透射波长λ₀由以下经典公式给出^[14]:

(1)

式中:n、d分别表示间隔层的折射率、厚度; φ₁、φ₂分别为上下反射膜系的位相; m为k+(φ₁+φ₂)/2π, k=0, 1, 2, …。

由式(1)可知, 法布里-珀罗结构滤光片的峰值透射波长与中间层的光学厚度(nd)成正比, 而线性渐变滤光片其中间谐振腔层厚度沿某一方向线性变化, 因此线性渐变滤光片的中心透射波长沿谐振腔厚度变化方向线性变化。设计中心波长550 nm的线性渐变滤光片, 其膜系结构如下:

其中A(BA)⁵、xB、(AB)⁵A分别为下反射膜系、谐振腔层和上反射膜系。上下反射膜系分布在谐振腔两侧, 成镜面对称; A和B分别为高折射率Ta₂O₅和低折射率SiO₂膜层材料; x为中间谐振腔层的厚度变化因子。

不同谐振腔层厚度对应的透射谱线如图 1所示。随着谐振腔厚度增加, 对应级次的透射波长向长波方向移动, 而自由光谱范围(FSR)会限制线性渐变滤光片工作波段范围。综合考虑光谱分辨率和自由光谱范围等因素, 设计了470~640 nm厚度的楔形谐振腔层, 相应的中心波长在500~580 nm之间, 不同谐振腔层厚度对应的理论峰值透射率平均可达75%以上, 透射带宽在1.5~2 nm左右, 相对透射带宽在0.27%~0.36%左右。

1.2 制备方法

在离子束出射窗口和待加工样片之间, 垂直于离子束出射方向放置开有三角形窗口的挡板, 离子束刻蚀时, 样片以某一恒定速率来回运动, 经过一定的刻蚀次数后, 获得垂直于样品运动方向上的厚度差异, 最终获得设计的楔形间隔层。

线性渐变滤光片制备的完整工艺流程如图 2所示:首先, 在K9基底上进行第一次镀膜, 将下层膜系和中间谐振腔层镀好; 其次, 按上述方法对中间层进行刻蚀, 获得具有一定楔角的楔形谐振腔层; 最后, 配合第二次镀膜, 即可完成线性渐变滤光片的制备。

图 3为离子束刻蚀过程示意图, 图 4为楔形谐振腔层各个参数示意图, 三角形底边长度为L, 三角形的高为H, 沿样品台运动方向不同高度对应的开口宽度为D, 对应的高为h, 则D是关于h的函数, 可表示为

(2)

不同高度对应的蚀刻深度可表示为

(3)

式中:v为介质材料在特定蚀刻条件下的蚀刻速率; V为样品台的运动速率; N为来回刻蚀的遍数。实验采用的挡板尺寸为L=60 mm、H=80 mm, 样品刻蚀前, 首先对谐振腔层材料的刻蚀速率进行标定, 根据设计的蚀刻深度要求以及标定的材料刻蚀速率, 计算出需要来回刻蚀的遍数。在离子束刻蚀机中设定好相关参数, 刻蚀后即可获得预期的楔形谐振腔层。

2 滤光片制备和数据分析

滤光片采用了尺寸为80 mm×10 mm的K9基片。首先, 需要完成下层反射膜系以及中间谐振腔层的镀制。谐振腔层厚度设计为670 nm, 镀膜设备使用光驰optorun 900型离子束辅助反应电子束真空镀膜机。第一次镀膜完成后, 进行样品刻蚀前的速率标定实验。刻蚀设备为MRIBE-220M型反应离子束刻蚀机, 离子源采用美国Vecco公司22 cm×6 cm矩形射频离子源, 在直线往复匀速运动的情况下, 其刻蚀不均匀性≤2%, 满足蚀刻精度要求。实验均采用相同的离子源参数:加速电压500 eV、束流200 mA。分别设定工作气体参数为Ar流量15 sccm(1 sccm=1 mL/min)、Ar/CF₄流量5/10 sccm, 测定了两种条件下SiO₂材料的刻蚀速率分别为1.33 nm/s和3.83 nm/s。

为提高刻蚀效率, 选用Ar和CF₄作为工作气体。设定工作气体参数Ar/CF₄流量5/10 sccm, 样品台的运动速率V=2 mm/s, 该条件下要获得预期的470~630 nm厚度范围的谐振腔层, 样品来回刻蚀3遍即可。设计了刻蚀遍数N=1, 2, 3三组谐振腔层刻蚀实验, 不同的刻蚀遍数会产生不同的谐振腔结构, 在滤光片性能上体现为具有不同的工作波段范围。多遍刻蚀时, 每遍刻蚀之间间隔10~20 min以避免持续刻蚀产生的基片过热对材料刻蚀速率的影响。待三组样片谐振腔层刻蚀完成以后, 进行第二次镀膜即上层膜系的镀制, 镀制完以后, 即完成了线性滤光片的制备。

使用改进测量光路后的Lambda 1050测量实验样片的光谱透过曲线, 沿波长渐变方向每隔6 mm取一个采样点, 采样光斑为0.6 mm。第3组滤光片测得的每个采样点的光谱透射曲线如图 5所示, 平均峰值透过率可达70%, 透射带宽在3 nm左右, 基本满足理论设计要求。

三组滤光片中心透过波长同位置的关系如图 6所示, 其中圆点为实验数据, 直线为线性拟合数据, 三组滤光片拟合R²值和线色散系数如表 1所示, 其中拟合R²值均在0.99左右, 可见滤光片中心透过波长同位置是线性关系, 线色散数值分别为0.31 nm·mm^-1、0.70 nm·mm^-1、1.03 nm·mm^-1, 而且随着刻蚀遍数的增加, 线色散系数也基本上呈线性增加。其中, 第三组滤光片的实际线色散系数1.03 nm·mm^-1与设计线色散系数1 nm·mm^-1基本吻合。实验结果表明, 提出的方法能够制备出满足要求并具有较高线性度的线性渐变滤光片。通过调节样品台运动速率V或者刻蚀遍数N, 能够制备出具有预期楔角谐振腔层的线性渐变滤光片。

3 结论

提出了一种简便的离子束刻蚀制备线性渐变滤光片的方法, 通过在离子束出射窗口和待加工样片之间加入特定形状挡板, 通过控制挡板来回移动的速率和遍数, 来获得设计的楔形谐振腔层结构, 配合镀膜技术, 即可完成线性渐变滤光片的制作。设计了三组不同刻蚀遍数实验, 验证了该方法的可行性, 完成了工作波段500~580 nm的线性渐变滤光片的制作。相比现有的滤光片制作方法, 本文方法只涉及镀膜和刻蚀两种制备工艺, 具有离子束刻蚀速率稳定可调控, 楔形谐振腔层可自由设计, 制备基本不受滤光片尺寸大小影响等特点, 对于线性渐变滤光片的制作具有实际参考价值。