绿光波段60 pm超窄带滤光片的研制

基本信息

• 文章标题：绿光波段60 pm超窄带滤光片的研制
• 作者：王凯旋、陈刚、刘定权、马冲、张秋玉
• 单位：中国科学院上海技术物理研究所
• 文章来源：中国光学（第15卷）
• 原文链接：https://www.chineseoptics.net.cn/cn/article/pdf/preview/10.37188/CO.2021-0092.pdf
• 转载许可说明：中国光学学会期刊，学术论文可合理引用

正文内容

关键词：光学薄膜；薄膜滤光片；皮米带宽；绿光波段；空间激光测图

1. 引言

对于空间光学遥感仪器（特别是深空飞行任务），可靠性、高光学效率和高光束质量是需要考虑的关键因素。Fabry-Perot（FP）标准具和薄膜干涉是主要的技术选项。

Troupaki等人利用FP标准具技术构建了谱线滤光片，在美国ICESat-2卫星上实现了30 pm带宽的光谱滤波，用于冰雪、云层和陆地的高程测绘。该仪器使用6束激光进行测图。ICESat-2是国外目前唯一在用的高程测图卫星。这种谱线滤光片对温度控制要求很高，且当需要更多激光束时，难以布置多个谱线滤光片。

为开发更多激光束的空间高程测图，本文设计并制备了一种基于精密光学薄膜的60 pm带宽带通滤光片。

2. 膜系设计与制备

2.1 膜系设计

对于具有极窄半功率带宽的带通滤光片，考虑到各层膜的实际沉积误差，采用单谐振腔F-P结构形成全介质膜层滤光片。其波形可与基于FP标准具的滤光片相媲美，可通过增加间隔层的干涉阶次来提高频谱矩形系数。

选择Ta₂O₅作为高折射率膜层，适用于超窄带通滤光片，如用于4G和5G光通信的密集波分复用（DWDM）滤光片，因为它在近紫外、可见光和短波红外波段具有优异的物理化学稳定性和透明度。选择SiO₂作为低折射率膜层，具有良好的透明度、高物理化学稳定性，且与熔融石英基底的热膨胀系数匹配良好。

采用低折射率间隔层，因为它的线性膨胀系数和折射率温度系数较小，与H间隔层相比具有更稳定的滤光片光谱。

这是一个由全介质膜层组成的F-P结构，由两个高反射膜堆夹着一个低折射率间隔层组成。总膜堆物理厚度为7.5 μm，包括40层Ta₂O₅/SiO₂薄膜。

2.2 膜层制备

本文采用双离子束溅射（DIBS）技术制备薄膜。该技术制备的薄膜更致密，薄膜及其组分更可靠稳定。

在薄膜沉积和生长过程中，光学监控系统（OMS）发射532 nm光，直接通过监控玻璃并被探测器接收。然后从探测器输出电信号以观察光强变化。

3. 基底材料选择

本文选择中国产的JGS-1熔融石英作为基底材料。基底的表面质量也影响滤光片的光谱性能。如果表面不够光滑，薄膜与基底之间会形成薄过渡层，影响界面匹配。

4. 测试结果

使用可调谐激光器和功率计测量滤光片的透射光谱。测试结果表明：

• 半功率带宽：（60±2）pm
• 峰值透过率：62.6%
• 中心波长：532 nm

5. 结论

本文设计并制备了一种基于精密光学薄膜技术的绿光波段60 pm超窄带通滤光片。采用Ta₂O₅/SiO₂多层膜结构，通过双离子束溅射沉积技术实现了高性能滤光片。该滤光片在空间激光测图等应用中具有重要价值。