复杂光学干涉滤光片技术的最新进展与极限
基本信息
英文标题：Capability and limits of the technology of complex optical interference filters
中文标题：复杂光学干涉滤光片技术的最新进展与极限
作者：Antonin Moreau, Cihan Koc, Olivier Hector, Fabien Lemarchand, Frédéric Lemarquis, Aude Lereu, Julien Lumeau
单位：Aix-Marseille Univ, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel, UMR 7249, 法国马赛
来源期刊：EPJ Web of Conferences 287, EOSAM 2023
DOI：https://doi.org/10.1051/epjconf/202328705027
原文链接：https://www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2023/13/epjconf_eosam2023_05027.pdf
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1. 引言
利用干涉效应获得光谱透射和反射特性的光学滤光片是广泛应用于各种光学系统（如电信、生物光子学、工业、建筑）的经典光学元件。这些光学功能是通过在基底上叠加具有不同折射率和厚度的薄膜层来实现的。它们可以实现几乎无限多的光谱功能，包括：带通滤光片（窄带和宽带）、边缘滤光片（长通和短通）、陷波滤光片（单波段或多波段）、分束器（偏振或非偏振）、反射镜涂层等。
本文将介绍在法国Fresnel研究所开展的相关工作，重点介绍这类滤光片的设计和制造。
2. 复杂光学干涉滤光片的设计与制造
2.1 设计工具的进步
首先，随着计算能力的提高以及更复杂设计程序和算法的发展，现在使用商业软件可以找到大多数物理设计问题的解决方案。然而，必须始终记住，这些设计的多层膜堆也必须与制造能力相一致。
为了预测和完美地使监控策略与膜堆设计相适应，人们一直致力于开发所谓的"虚拟沉积工艺"（VDP），即能够模拟沉积过程的软件，因此可以考虑到所有波动、误差、处理方法等，以预测滤光片制造后的性能。
虽然这些VDP有一些局限性，因为很难在软件中完美地重现确切的实验条件，但已被证明具有极大价值，因为它们为开发最佳监控策略提供了一种新途径。
2.2 制造工艺的进步
除了这些理论发展之外，由于工艺自动化的发展，沉积和监控技术也有了惊人的进步。现在可以运行全自动沉积过程，持续数十小时，包含数百层，总膜堆厚度达数十微米。
虽然电子束沉积是制造光学干涉滤光片最常规的技术之一，但溅射已被证明是众多应用的更好选择，因为它提供了更稳定和可重复的沉积速率。在各种可用的溅射技术中，等离子体辅助反应磁控溅射结合稳定可重复的光学监控系统，已被证明在制造复杂多层滤光片时是一种非常可靠的技术。
对于上述大多数应用，光谱要求要么在滤光片的透射特性上，要么在其反射特性上。这些光学功能通过仅由电介质层组成的膜堆来实现。因此，人们一直在努力将这些滤光片中的吸收损耗和散射损耗降至最低。通过两种电介质材料的组合，可以设计和制造大多数无损耗的光学功能。
最终滤光片的质量取决于在控制每层厚度方面达到的精度，而这高度依赖于所实施的光学监控方法和策略的 quality。最近，我们团队一直在生成计算最佳光学监控策略的新算法方面做出努力，包括单色和宽带技术。这样就可以将误差降至最低水平，相当于平均随机误差仅为0.1%左右。
3. 滤光片实例
以下滤光片实例已在Espace Photonique平台上使用等离子体辅助电子束沉积和等离子体辅助反应磁控溅射制备。
3.1 高反射镜
第一个示例是在515 nm处、在s和p偏振下22°入射角的高反射镜（R>99.95%）。这些反射镜包含33层交替的HfO₂和SiO₂材料，总厚度为2.5 μm。
3.2 紫外带通滤光片
另一个示例是紫外带通滤光片，中心波长为351 nm±2 nm，半高宽为20 nm±2 nm，在344-358 nm光谱范围内的平均透射率>90%，截止波长范围从200 nm到1200 nm，光学密度~3。
这些滤光片是通过在熔融石英基底的两面沉积获得的。所用材料同样是HfO₂和SiO₂。前表面包含170层，总厚度为11.4 μm；第二表面镀有92层，总厚度为13.7 μm。
3.3 宽带光谱控制滤光片
我们展示的最后一类滤光片是具有宽带光谱控制功能的滤光片。这些滤光片通常与白光光源结合使用，以产生具有恒定光谱亮度的宽带照明。因此，滤光片的透射率必须再现白光光源的强度分布的倒数，最终还要考虑将用于测量的探测器的光谱灵敏度。
该滤光片通过沉积30层交替的HfO₂和SiO₂材料来实现，总厚度为2.3 μm。
4. 结论
光学干涉滤光片技术已取得显著进展。通过改进的设计工具、虚拟沉积工艺和先进的制造技术，现在可以制造具有数十到数百层的高性能复杂滤光片。然而，仍存在一些挑战和限制需要克服：
1.误差控制：膜层厚度的精确控制仍然是一个关键挑战
2.监控策略：需要开发更智能的监控算法
3.材料选择：找到性能更优的材料组合
4.大面积均匀性：在更大尺寸基底上保持性能一致性
未来的发展将集中在进一步提高滤光片性能、降低制造成本和扩大应用范围。
参考文献
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