宽光谱监控法制作红外超宽带减反膜的研究

周言敏，李建芳，王 君，袁 勇，梅高国

（重庆电子工程职业学院 电子信息系，重庆401331）

宽光谱监控法制作红外超宽带减反膜的研究

周言敏，李建芳，王 君，袁 勇，梅高国

（重庆电子工程职业学院 电子信息系，重庆401331）

高科技光电仪器的不断发展要求仪器的光谱使用范围越来越宽，从而对光学元件的薄膜特性和精度提出了更高的要求，红外超宽带减反膜就是为适应这些需求而开发的一种膜系。宽光谱监控法是镀制高精度红外超宽带减反膜的最合适、最有效的方法之一，本文根据薄膜光学的基本方法，通过膜系设计、实际的制作过程和制作结果，充分证实了这一点。

薄膜光学；超宽带减反膜；宽光谱监控

1 引言

近年来,随着高科技光电仪器的不断更新，无论是民用、军用的光电仪器，还是普通数码产品都在不断提高其性能，光电仪器的光谱使用范围也越来越宽，使得光学产品对光学元件的光学特性的要求越来越高，特别是对光学薄膜的特性和精度要求。超宽带减反膜是光学薄膜中应用最多的膜系之一，高精度超宽带减反膜设计的核心是宽带的光谱特性,镀制的关键是膜层的准确性和重复性。本文以实例介绍红外超宽增透膜设计与制备。

2 膜层监控方式比较

对于超宽带减反膜只能采用非规整膜系进行设计，目前常用的监控方法有石英晶控、单波长监控以及宽光谱监控方法。由于石英晶控只能反映薄膜的几何厚度，所以对超宽带增透膜的镀制,最适合的监控方法是光学膜厚监控法,可以直接了解薄膜的光学特性。宽光谱监控和单波长监控属于光学膜厚监控方法，宽光谱监控是在很宽的波长范围内监视薄膜的光谱特性,实时测量的是宽带的光谱反射比数据,得到的是光谱曲线。单波长监控只监控一个波长点的反射比,实时得到的是监控波长点的反射比数据。以可见光为例,测量数据对比如图1所示,宽光谱监控实时得到的是400nm～800nm(1nm一个测量点,共401个数据)的光谱曲线,单波长监控实时得到的是500nm(监控波长)的一个反射比数据(即游标所在的位置)。两种监控方法测量数据量比为401∶1,方程(1)和(2)分别是宽光谱和单波长的测量数据随机误差公式:

可以看出,方程(1)的分母比方程(2)的分母大得多,所以宽光谱监控比单波长监控随机误差小的多。因此,用宽光谱监控镀制高精度宽带增透膜会使控制过程既直观又精确,而且重复性好。

3 红外超宽带减反膜设计、制作实例

目前，在红外光谱范围内的超宽带减反膜的应用也非常广泛，特别是军事及其他一些特殊领域。下面就是作者利用Filmaster设计的红外超宽带减反膜，采用宽光谱监控，在国产真空镀膜机上镀制的红外超宽带减反膜实例。膜层要求：900-1700nm，平均反射率＜0.5%，基底是K9玻璃。

3.1 膜系设计

以K9玻璃为基板,使用Filmaster膜系设计软件进行设计、优化得到G—0.04M0.1533L0.59H0.49L2.5105H0.2L0.95H1.82L|A的结构，设计的光谱理论曲线如图1所示，H-Ti3O5,MAl2O3,L-MgF2,其中三种膜料的光学参数是用镀制该膜系的镀膜机进行测试得到的实际光学参数。在同一台镀膜机上,镀膜工艺参数如真空度、基板温度、蒸发速率等相同的情况下进行镀制。

图1 红外超宽带减反膜理论光谱曲线

3.2 镀制

宽光谱法是利用实测的光谱曲线与目标光谱曲线进行比较,计算出评价函数并将其反馈给控制系统,当评价函数的极小值为零时,被认为膜层厚度达到了目标值,停止蒸镀。在理论上,这样镀出来的产品的光学特性与设计应该完全吻合。但实际上,评价函数的极小值总是大于零。这是由于在实际镀制中,镀膜材料没有达到理论计算所要求的折射率以及折射率的不均匀性对增透膜的影响等诸多原因,使得实际镀膜的光谱特性和理论值存在比较大的偏差。同时,这也给判停带来了极大的困难。为了解决这种偏差,在保证工艺参数基本稳定的情况下,我们需要完善评价函数算法,确立合理的目标光谱曲线,减小实际镀膜的光谱特性和目标特性的偏差,使评价函数的极小值趋近于零,达到最佳膜厚。

调试好真空镀膜机，打开宽光谱监控仪，当真空度达到3×10-3Pa时，取暗底，标定结束后，就可打开挡板进行蒸镀了，蒸镀时要控制好蒸发速度，每层判停是采用目测法，即观察目标光谱曲线与理论设计曲线重合时,立即关掉挡板。图2是第一层蒸镀时的判停曲线图。

图3 镀制完成的结果测试曲线

我们可以看出,镀制的曲线与理论曲线基本相符，在此基础上,我们用同样的镀制方法,又做了几炉，但以后的几炉都是以第一炉的工艺曲线作为判停标志，结果一致性较好。

4 结论

图2 第一层蒸镀时的判停曲线图

(1)宽光谱光学镀膜监控系统在镀制宽带减反膜等宽带产品方面具有特有的优势,监控过程变简单、高效,特别是产品镀制出来基本能达到设计效果，而且曲线的重复性较好。

(2)结合折射率在线测量功能,针对每台镀膜机膜层参数的不同进行膜系设计修正,采用合适的高精度多手段的判停方式以及重复性、一致性的保证,该监控技术适合产品研制与工业化批量生产。

（3）目前国内的宽光谱光学镀膜监控系统一般只能监控400nm～1000nm的光谱范围，而且只对光谱曲线进行时时监视作用，对于超出这一光谱范围的膜系和判停，都需要操作者具有一定的经验。

（4）目前国内的宽光谱光学镀膜监控系统还不能控制镀膜机的蒸发速率，所以在实际使用中，建议配合石英晶控一起使用，避免由于蒸发速率过高，会给基片带来溅射点子。这样镀制的产品，既有很好的光洁度，又能保证光谱特性的需要。

按照同样的方法蒸镀后面的七层，为了提高判停精度，在镀第七层时，换了第二块宽光谱监控比较片，其他操作同前面的步骤。图3是镀制完成的结果测试曲线。

[1]唐晋发，郑权.应用薄膜光学[M].上海：上海科学技术出版社，1984.

[2]顾培夫.薄膜技术[M].杭州：浙江大学出版社，1990.

[3]周九林，尹树百，译.光学薄膜技术[M].北京：国防工业出版社，1974.

[4]贾秋平，张喆民，卢维强，李小龙.宽光谱监控法镀制高精度增透膜的研究[J].真空科学与技术学报，2009，（3）.

On the Breadth Spectrum Supervision Legal System Makes Red the Outside Super Breadth Reducing the Anti-film

ZHOU Yanmin，LI Jianfang,WANG Jun,YUAN Yong，MEI Gaoguo
(The Department of Electronic Information,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

Continuously develop along with the high-tech optoelectronics instrument,request instrumental spectrum to use scope more and more breadth,make a high request to thin film characteristic and accuracy of optical component thus,red the outside super breadth takes to reduce a kind of film that the anti-film is developed to adapt to these needs to fasten.The breadth spectrum supervision method is to plate to make high the accuracy red the outside super breadth taking one of the quite the cheese and the most effective methods of reducing the anti-film,this text according to the basic method of thin film optics,through a film fasten design,actual creation process and creation result,well proved this.

thin film optics;the super breadth taking to reduce an anti-film;the breadth spectrum supervises and controls

TB43

A

1674－5787（2011）03－0147－02

2011-03-05

周言敏（1972—），男，重庆璧山人，工程师，主要从事光学薄膜设计、制作及教学。

责任编辑 王荣辉