膜系设计

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第 2卷第 5期 7 20年 9 06月文章编号：0 22 8 ( 0 6) 5 0 1— 4 1 0—0 2 2 0 0—4 50

应用光学J u n lo pid Opis o r a fAp l tc e

V o .2 1 7。N O. 5Se, 006 p.2

短波通滤光片膜系设计赵兴梅，师建涛，郭鸿香(安应用光学研究所，安 706)西西 1 0 5

摘

要：详细介绍用等效折射率概念设计短波通滤光片的原理和计算方法。 根据原理和方法，选

择二氧化钛 ( i 作为高折射率材料、 TO )二氧化硅 ( i作为低折射率材料。首先从理论上计算出 SO )用这 2种材料设计的波长一9 0 5 m的短波通滤光片所需要的周期数， 5~11 0n然后给出短波通滤光片的主膜系和光谱曲线。由于据此周期数设计出的膜系光谱曲线在7 0 1 m处的透过率不 5￣8 0n 符合要求，因此对该膜系进行了改进。照改进的设计进行多次制备，终制备出了符合要求的短依最

波通滤光片，到了最佳制备工艺和方法。找最后，制备出来的短波通滤光片薄膜进行了各种环境对实验。实验结果表明，层的各项指标符合设计要求。膜 关键词：短波通滤光片；系设计；效折射率； 膜等周期数数中图分类号： N3 5 8 T 0 .文献标志码： A

Fim y t m s g o ho t wa e e t s it r l s s e De i n f r s r - v l ng h pa s f leZ HAO n— i H IJa—a Xi g me,S in to, GUO n— in Ho g xa g( n I s t t fAp l d Op is Xi n t u e o p i tc,Xia 1 0 5,Ch n ) a i e n7 0 6 ia

Abs r c: The prncpl a d c l ul ton m e ho o d sgn s r— v l n h pa s fle s wih a ta t i i e n a c a i t d t e i ho t wa e e gt s it r t

c n e to q i a e tr fa tv n e s p e e t d i h s p p r o c p f e u v l n e r c i e i d x i r s n e n t i a e .Ti 2 sc

o e s t e m a e i l O wa h s n a h t ra o i h r f a t e i d x a d S O 2 a h t r l fl w e r c i e i d x b s d o h rn i l f h g e r c i n e n i s t e ma e i o r f a v n e a e n t e p i c p e v a o t a d me h d P ro iiy o h r— v l n t a s f t r a v l n t 一 9 0~ 1 5 m s n t o . e i d ct f s o t wa ee g h p s i e t wa ee g h l 5 1 0 n wa t e r t a l e i n d a c r i g t h o c p f e u v l n e r c i e i d x Th an fl h o e i l d s g e c o d n o t e c n e t o q i a e t r f a tv n e . c y e m i i m s s e a d t e s e t u c r e o h h r— v l n t a s fl r r r s n e . Th e i n o y t m n h p c r m u v ft e s o t wa e e g h p s i e a e p e e t d t e d sg ft im ys e wa o r c e i e is t a m isviy di o e h e uie e t a he r ng he fl s t m s c r e t d snc t r ns s i t d n t me tt e r q r m n tt a e

o v l n t 一 7 0~ 8 0 n . Th f e t o h i r c s i g e h o o y a d t e fl f wa e e g h 5 1 m e e f c f t e ma n p o e sn t c n l g n h i m t ik e s o h p i a c a a t rs is o h h r— v l n t a s fle s d s rb d As a h c n s n t e o tc l h r c e it f t e s o t wa e e g h p s i r i e c i e . c t r s l o h o r c i n, t e b s y t k h im y t m s f u d Th im y t m e u t f t e c r e to h e t wa o ma e t e f l s s e wa o n . ef l ssep e a e i hi wa w

as e t d n rp rd n t s y t s e i dif r nt n r m e t o ii ns The xp rme r s l f e e e vion n c nd to . e e i nt e u t s ows t a he s cfc to ft s fl s s e c n m e tt e r qu r me f t e d sgn. h h tt pe iia i n o hi i m y t m a e h e ie nto h e i

Ke r s s o t wa e e g h p s i e;d s g f fl s s e; e u v l n e r c i e i d x; y wo d: h r— v l n t a s fl r t e in o i m y t m q i a e t r fa tv n epe i iiy rod ct

引言短波通滤光片具有让某一部分波长的光透过， 而让另一部分波长的光截止的特性，此被广泛地因

应用于军品和民品的光学系统中。目前，由于具有各种膜系设计软件，镀膜工作者提供了很大的方为

便，而使人们忽略了对理论的探讨。此，文反因本

收稿日期：0 5 0— 3修回日期： 0 60— 0 2 0— 72; 2 0—11作者简介：兴梅 (9 7 )女，宁朝阳人，士，安应用光学研究所工程师，要从事镀膜方面的研究工作。E mal赵 17一，辽硕西主— i xn mez@ 1 6 c m ig ih 2 . o

膜系设计

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’4 6· 1

应用光学

2 0,75 0 6 2 ()

赵兴梅，:波通滤光片膜系设计等短

从理论的角度并结合自己的经验，通过实例对短波一一

通滤光片的设计原理、材料选择原理和镀膜工艺做

由于组合f詈H詈l有较好的短波通特性， 因此我们在设计短波通滤光片时常采用此膜系。中其

了详细的分析，给出了设计该膜系的要点、键并 n关p

工艺及结果。-∞一 n c) p

L代表低折射率层，H代表高折射率层。它是一个对称膜系，以中间层为中心，两边对称。简单的对最

1原理 1 1膜系等效折射率原理 .

称膜系由 3层膜[ q]成， PP组其特征矩阵为单层膜特征矩阵的连乘积，即

/

]●●● J 一

( i ) v]厂 l sn/

】

】] 22J 2 () 1

∞氏

CS。 O

J L 2 】

式中，和瓯分别为 P和 q层的有效相位厚度；和分别为 P和 q层的等效折射率。对上式作乘法运 算，简后得化∞S

M n— z一 c s 2 c s q p1_]氏 2。 3。 3 - 1,i -/ 7 T q\ n 2 i, i 3 sn s]●●●J 一

M[ c+十∞) s 1一 )] 1 s2。 c2 i _ r s2 i3 s 1 r。3 n / i3 2 n . L s 1p n r ￣ M一 n s1十\ s瓯 r 7i3 2印s2c jL-, 2 i 1一 ] 1[。 rz c 3 n _/V n i3 _瓦 7。 1p q 2 T] s 1p q i ) sc

( 2 )

n

由于对称膜系的特征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质，因此可以用 1层特殊的等效单层膜来代换，即一

L , O F SF)]『uA,]LE s “O/ 一 cn s n E J i C J,

( 3 )

其中等效折射率 E和位相厚度 r分别为—C S O 1一 c s~。 C S 2 c s一￣ 7 ) i 3 O 3。 1( ] sn 2 p q7

s2 i3 n ]

( 4

这一结果很容易推广到由任意多层膜组成的对称膜系。

短波通滤光片的有效方法。 1 2截止带宽度的计算原理 .截止带的边界由M一一 1确定。 ( )计算由 2式出对称膜系的截止带的宽度表达式为

通过计算可知，周期性对称膜系 ( q )特 P P的征矩阵应为各基本周期特征矩阵的乘积，即厂 C SF O一

L I

iE i]/ sn C SF J O

/ sn F E i

l

() 5

A 2 s n n aA=g i HL叫 - J式中，△为带宽；

( 7 )

式中 S为周期数。由以上分析可以证明r C SS O F i E sn S / i F] Ms l—L l iE i C SSF J/ sn SF O () 6

为中心波长； n和分别

为高、折射率材料的折射率。低

() 6式表明，个周期性对称膜系在其透射带一中仍然存在一个等效折射

率 Es等于其基本周期 (

2短波通滤光片的设计 短波通滤光片的参数要求是：波长为 9 0在 5~

的等效折射率 E )其等效位相厚度等于基本周 s,期等效位相厚度的倍。基于这一特点，在考虑

11 0n处截止，l 9;波长为 6 0 5 m 0 9在> 0~

8 0n处透射，r 9 6, 0 m> 6/。 9 9为平均反射率，r为平均透过率。 2 1材料的选择 .根据 ( )知道， n越大，△ 7式 一"越宽。虑考

周期性对称膜系透射带中的透射率时，只考虑膜系基本周期的性能就可以了。这就极大地简化了周期

性对称膜系透射带的设计工作。因此，等效折射率被广泛地应用于滤光片的设计中，使之成为分析也

到短波通滤光片参数要求、料的光谱性能以及 2材

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赵兴梅，:波通滤光片膜系设计等短

。4 1 7’

种材料的结合程度，过实验，终选择二氧化钛通最为高折射率材料，氧化硅为低折射率材料。我们二在实验中发现，在一10 0E处，“ . O, 0 l m 一2 1 00

改变膜层厚度的方法来消除此现象。进设计后的改曲线如图 2所示。…—

”一1 4 00 . 6。把 2个折射率代入 ( )可得 7式△g一 0 1 1 .1 5芒

该膜系的截止宽度为A2= 1 0 0 0× 2× Ag￣ 2 0 3 .2 nm

碍翅蝌

根据设计要求，波通滤光片的截止带宽度为短

2 0i 0 m。由以上计算可知， l我们选择的材料符合设计要求。 2 2确定膜系的周期数 5 .

。

.

-

波长/ nm

图 2改进后的短波通滤光片透过率曲线Fi .2 Th m pr v d t a m it nc u v g ei o e r ns ta e c r e of

截止带的最大透射率 r 1<%的要求为丁 )

s hor— v· s it t· wa e— pa s fler

对比图 1和图 2显然在 7 0 8 0n处， 2, 5~ 1 m图

式中，丁为截止带中心波长处的透过率；”为空。

的透过率曲线明显好于图 1达到了设计要求。,

气的折射率

;”为基底的折射率；S为周期数。下面计算截止带中心处的透射率 r。在波长1 0O,”一 1”一 1 5 4, n一 2 1 00 L 0处 o, . 0 1 H . 0,n一

3制备工艺 一

般来讲，止带高反射的要求比较容易实截

1 4 00代人 ( ),过计算可知， . 6。 8式通当基本周期

现。但是对于通带来讲，由于透射率对膜层的相对厚度十分敏感，因此在制备中很难把握，即使一个很小的误差也会引起通带的透射率发生变化。另

数S一9时，足最大透射率 r 1的设计要求。满< 考

虑到实际镀制过程中的误差及每层膜参数稳定性的影响，我们选定基本周期数 S一1。从上面分析 2可知，波通滤光片的主膜系为短

外，配层是这个膜系的敏感层，误差会引起通匹其带波纹的改变。因此，确控制膜层厚度是制备短精波通滤光片的关键。

Ga/-H}/i lsf - s。 6 Ar2 3匹配层的设计 .

我们是在北仪生产的 Z S 1 0 Z X一 1 0型真空镀膜根据我们设计的膜系，拟出其透过率曲线，模如图 1所示。

机上完成实验的。 3按该设计膜系制备的短波图是

通滤光片的测试结果。图3中可以看出透射率曲从线与理论曲线 ( 2基本吻合。如果消除零件背面图 )

4 2 的反射损失，可见区的平均反射率达到 .5则9 左右，膜系满足设计要求。 8该芝

碍翅蝌

/. . . . .

●

波长/ nm

图 1短波通滤光片波长~过率曲线 透Fi 1 Th sgn r ns it g. e de i ed t a m tanc r e o e cu v fs r— ho t· wav— s it e pa s f ler

图 3短波通滤光片测试结果Fi.3 M e s r dr s l fte s o twa e p s itr g a u e e uto h h r— v— a sfle

从图 1中可看出， 7 0 1 m处的透过率在 5~8 0n并没有达到要求，在膜系设计中是不允许的。笔这者采用在基片和多层膜之间及介质和多层膜之间

4膜层的稳定性试验为了检测短波通滤光片能否适应各

种恶劣环

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。4 8’ 1

应用光学

2 0,7 5 062()

赵兴梅，:波通滤光片膜系设计等短参考文献：

境，我们对它进行了以下几项试验。4 1低温试验 .

[]唐晋发，培夫 .学薄膜与技术[]北京：械工 1顾光 M .机业出版社，9 4 19.TANG ig f, Jn—a GU i u Op ia F l& Te h Pe— . f tcl i m c—

把零件放人冰箱，温至一4 C保持 2h发降 5,

现膜层仍能经受酒精乙醚混合液棉球的擦拭，光其谱曲线无变化。4 2盐水试验 .

n lg[ .B in: hn cieP es 19 . i oo y M] e i C iaMahn rs .9 4 ( - jg nCh n s ) ie e

将被镀零件放人温度为 4 ,量分数为 5 o OC质 V的食盐溶液中浸泡 2h然后用蘸酒精乙醚混合液 ,的棉签擦拭，无脱膜现象，其光谱曲线也无变化。4 3潮湿试验 .

[]严一心，鸿海. 2林薄膜技术[ . M]北京：兵器工业出版社， 9 4 19. YAN Yixn,LI—i N Ho g h i l& Te h oo y n— a.Fi m c n lg

E] B in: h u l hn ue o d a c M . e ig T e P bi ig Ho s fOrn ne j sI d s r 1 9 . i h n s ) n u t y, 9 4 (n C i e e

在温度为 5相对湿度为 9的环境中保 0 C、 0

持2,天其光谱曲线无变化。通过以上各项试验我们知道，本文设计的膜系

[ 3周九林，树百 .学薄膜技术 i 3北京：防工业 - 3尹光 - . M国出版社，9 4 17.Z HOU Ju l i—i n, YI N S u b i Op ia Fi h— a. t l c l m&

光谱曲线能够满足设计要求，以应用在军品和民可品中。

T c n lg[] B in:Nain l eec n u ty eh oo y M . eig j t a D fneId sr oP e s, 7 . i i e e r s 1 4 (n Ch n s ) 9

[]赵兴梅，建涛，鸿香 .种红外双半波滤光片的设 4师郭一

5结束语 本文使用等效折射率的方法，从理论角度分析了短波通滤光片的设计

方法及设计过程，且给出并 了镀制该膜系的工艺要点，为从事短波通滤光片研

计和制造方法 E]应用光学，0 62 ( )2 82 0 J. 2 0,7 3:0— 1.Z AO Xig me, HI in to, H n— i S Ja—a GUO Ho g xa g n— in .De i n a d f b ia in o n r r d d u l a fwa e s g n a r t f i fa e o be h l c o— v

ftrJ .Jun lo pi p i,2 0, 7 3: ie] o ra fAp l d O t s 06 2 ( ) l E e c2— 0.(n Chi s 08 2] i ne e)

究者提供了参考。

主动拒止技术将成就 2世纪武器革命 1美国空军代表就新出现的主动拒止技术 ( T)武器声明：动拒止系统 ( S为自原子弹发明以 AD类主 AD )

来最具革命性的武器。主动拒止系统计划用于“群体控制”要求采用非杀伤性或次杀伤性手段的应用方和面，行动具有完全无声无息的特点。其

AD武器主要由一个电源、个微波电磁辐射发射器 ( T一采用新型陀螺振子特种电子管 )一个将高能和波束引向目标的碟状抛物面天线构成。系统的工作频率为 9 5GHz波长：3 1 m)发射机功率为 1 0 ( . 6r, a 0 k。操作员用天线组件上的轴校准微光视频摄像机和热像仪瞄准目标， W用操作杆移动天线，下扳机发按射波束。

A DS属于普通“慑”武器，不是“威类而惩罚性”致残”武器。其微波辐射对人体组织的透射深度或“类约 03 . mm,恰好是痛觉神经的深度。其特点有：这操作员可用波束瞄准人群中的单个目标或扫掠多个目

标，或停聚起来压制狙击手，或形成能量壁垒；具有 1 0的固有命中率 (需考虑弹道因素 )不用存储弹 0无，药(只需要电源)作用距离大大超过所有其他非杀伤性武器，至超过小型武器的火力范围。,甚 ( 庸供稿)思