陳鵬+羅露雯+盛斌+黃元申

摘要：

提出了一種離子束刻蝕制備線性漸變?yōu)V光片（LVOF）的方法。離子束刻蝕過程中，通過在樣片和離子束出射窗口之間加入開有三角形透射窗口的擋板以及樣片水平方向多次來回運動完成楔形諧振腔層制備，配合離子束輔助反應電子束真空鍍膜技術(shù)，完成線性漸變?yōu)V光片的制作。設(shè)計三組不同刻蝕次數(shù)的制作實驗，制作出了工作波長為500～580 nm、線色散系數(shù)為1.03 nm·mm-1的線性漸變?yōu)V光片。實驗結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)樣品臺運動速率或者刻蝕次數(shù)，能夠制備出具有預期楔角諧振腔層的線性漸變?yōu)V光片。

關(guān)鍵詞：

線性漸變?yōu)V光片（LVOF）； 間隔層； 離子束刻蝕

中圖分類號： O 43文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.006

Abstract：

Method of fabricating linear variable optical filters（LVOF） by ion beam etching with masking mechanisms has been proposed.A triangle-shaped mask is designed and set between the ion source and sample.During the ion etching，the sample is moved back and forth repeatedly with a constant velocity for purpose of obtaining the linearly varied thickness of the cavity.Combining with ion beam assistant thermal oxidative electron beam evaporation deposition technology，the fabrication of LVOF can be completed.Three different times for etching during ion beam etching process were designed and performed.Filtering range lies in 500～580 nm and line dispersion coefficient of 1.03 nm·mm-1 have been fabricated.The measured results indicated that by adjusting the scanning frequency and time of ion beam etching，LVOFs which have anticipated wedge-shape resonant cavity can be obtained.

Keywords：

linear variable optical filter（LVOF）； resonant cavity； ion beam etching

引言

線性漸變?yōu)V光片（LVOF）是繼棱鏡、光柵以及近期發(fā)展的多種分光元件之后發(fā)展起來的一種新型分光元件，它與棱鏡、光柵等傳統(tǒng)的分光元件相比具有體積小、通帶多、通帶位置可以任意設(shè)計等優(yōu)點。由于線性漸變?yōu)V光片可與CCD/CMOS探測器列陣結(jié)合共同構(gòu)成可識別光譜的探測器，大大簡化分光系統(tǒng)，提高儀器的可靠性、穩(wěn)定性和光學效率，受到越來越多的關(guān)注。以線性漸變?yōu)V光片為核心分光元件的光譜儀已經(jīng)成功應用到航天航空、野外探測、大氣監(jiān)測、食品安全檢測、生物流體分析和多/高/超光譜成像等多個領(lǐng)域[1-5]，因此針對漸變?yōu)V光片的研究具有重要意義。

目前，線性漸變?yōu)V光片的理論設(shè)計方法較為成熟，在制作方面國內(nèi)外學者也分別提出不同方法[6-13]。秦潔玉等[6]提出了一種膜厚修正擋板的設(shè)計方法，給出了使用擋板情況下基片膜厚和監(jiān)控片膜厚的關(guān)系，并用設(shè)計的擋板成功鍍制了線性漸變?yōu)V光片。Piegari等[7-8]使用了類似的方法，在線性漸變?yōu)V光片鍍制過程中，濾光片上方加入了特定形狀并且可來回移動的擋板，通過控制擋板來回移動的速率和次數(shù)，鍍制出滿足要求的線性漸變?yōu)V光片。Emadi等[9]通過在鍍制好的平整諧振腔層上旋涂光刻膠，在特定的掩模板下曝光和顯影，利用光刻膠的熱流動特性獲得楔形光刻膠層，通過離子束刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到中間諧振腔層，配合鍍膜技術(shù)完成線性漸變?yōu)V光片制作。這些方法大多關(guān)注于鍍膜過程中獲得的楔形諧振腔層，而通過離子束刻蝕來獲得楔形諧振腔層的方法卻鮮有報道。

本文以法布里-珀羅結(jié)構(gòu)濾光片為基礎(chǔ)，提出一種簡便的離子束刻蝕制備線性漸變?yōu)V光片的方法。

式中：n、d分別表示間隔層的折射率、厚度；φ1、φ2分別為上下反射膜系的位相；m為k+（φ1+φ2）/2π，k=0，1，2，…。

由式（1）可知，法布里-珀羅結(jié)構(gòu)濾光片的峰值透射波長與中間層的光學厚度（nd）成正比，而線性漸變?yōu)V光片其中間諧振腔層厚度沿某一方向線性變化，因此線性漸變?yōu)V光片的中心透射波長沿諧振腔厚度變化方向線性變化。設(shè)計中心波長550 nm的線性漸變?yōu)V光片，其膜系結(jié)構(gòu)如下：

Glass/A（BA）5（xB）（AB）5A/Air

其中A（BA）5、xB、（AB）5A分別為下反射膜系、諧振腔層和上反射膜系。上下反射膜系分布在諧振腔兩側(cè)，成鏡面對稱；A和B分別為高折射率Ta2O5和低折射率SiO2膜層材料；x為中間諧振腔層的厚度變化因子。

不同諧振腔層厚度對應的透射譜線如圖1所示。隨著諧振腔厚度增加，對應級次的透射波長向長波方向移動，而自由光譜范圍（FSR）會限制線性漸變?yōu)V光片工作波段范圍。綜合考慮光譜分辨率和自由光譜范圍等因素，設(shè)計了470～640 nm厚度的楔形諧振腔層，相應的中心波長在500～580 nm之間，不同諧振腔層厚度對應的理論峰值透射率平均可達75%以上，透射帶寬在1.5～2 nm左右，相對透射帶寬在0.27%～0.36%左右。