第３５卷第１期 ２０１２年３月 长春理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔ￣ａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０１２ 自聚焦透镜滤光膜的研制 张静 ，付秀华 ，王正凤 ，潘永刚 ，田野 （长春理工大学摘光电工程学院，长春１３００２２；２．东莞光阵显示器制品有限公司，东莞５１８０２６） 要：针对光纤通信系统中自聚焦透镜滤光膜的工作要求，设计了用于激光波段８０８ｎｍ的窄带滤光片，要求８０８ｎｍ处的 透射率不小于９０％，半峰值宽度为１０ｎｍ。选取了激光损伤闽值较高的Ｔａ。０ 和ＳｉＯ。作为高低折射率材料，借助膜系设计软 件设计膜系。采用电子束真空镀膜的方法，同时加以离子辅助沉积，调整镀膜工艺参数，改进膜厚控制方法，提高了膜厚 的控制精度，减少了ｑ－心波长的漂移量和膜层的吸收。该薄膜能够承受雨淋、盐雾、高低温等环境测试，满足使用要求。 关键词：自聚焦透镜滤光膜；窄带滤光片；电子柬真空镀膜；离子辅助沉积 中图分类号：０４８４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－９８７０（２０１２）０１ ００６３－０２ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｌｆ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ Ｌｅｎｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｆｉｌｍ ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ ，ＦＵ Ｘｉｕｈｕａ ，ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｇｆｅｎｇ ，ＰＡＮ Ｙｏｎｇｇａｎｇ ．ＴＩＡＮ Ｙｅ （１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２： ２．Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｉｉｇｈｔ ｍａｔｒｉｘ ｄｉｓｐｌａｙ，Ｄｏｎｇｇｕａｎｇ ５１８０２６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ ｆｉｌｔｅｒ ｆｉｌｍ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．ｎａｒ ｒｏｗ－ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｏｆ ８０８ｎｍ ｌａｓｅｒ ｂａｎｄ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｒａｔｅ ｏｎ ８０８ｒｉｍ ｗａｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｎｏｔ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ９０％ａｎｄ ｔｈｅ ＦＷＨＭ ｉｓｌ０ｎｍ．Ｔａ２０ ａｎｄ ＳｉＯ２ ｗｉｔｈ ｈｉ【ｇｈ ｌａｓｅｒ ｄａｍａｇｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｗｅｒｅ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎ—— ｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｆｉｌｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｎｅｄ ｗｉｇｔｈ ｆｉｌｍ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｖａｃｕｕｍ ｃｏａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｉｏｎ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｈｉｔｆ ａｎｄ ｆｉｌｍ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ ｄｅ—— ｐｏｓｉｔｅｄ ｃｏａｔｉｎｇ ｃａｎ ｅｎｄｕｒｅ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｒａｉｎ，ｓａｌｔ ｆｏｇ，ａｎｄ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｔｃ，ａｎｄ ｍｅｅｔ ｉｔｓ ｆｉｌｍ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ ｆｉｌｔｅｒ ｆｉｌｍ；ｎａｒｒｏｗ～ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｖａｃｕｕｍ ｃｏａｔｉｎｇ；ｉｏｎ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 光纤通信已成为当今信息社会不可缺少的神经 围７２Ｏｎｔｏ～８０３ｎｍ，８１３ｎｍ～９５０ｎｍ内，截止深度不 系统，光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分， 小于９５％。其设计难点在于半峰宽为１０ｎｍ范围内， 也是光纤传感和其它领域不可缺少的光器件。在光 矩形度要好，平均透过率要高，在控制膜厚时，要尽 纤通信向大容量、高速率发展的今天，光无源器件的 量提高窄带滤光片的控制精度。 重要性将更加突出ｎ 。由于自聚焦透镜有很好的聚 光、准直、成像等特性，是改善光无源器件性能的一 个重要部分。因此努力研制、开发、改进自聚焦透镜 １材料的选取 氧化钽薄膜的透明区为０．３ ｆｍ～１０ ｆｍ，在波 长５５０ｎｍ处，其折射率在２．０１－２．２３之问变化。 的性能，了解自聚焦透镜的应用前景十分重要。 Ｏ 的机械性能极为牢固，可作为保护膜，特别是 根据自聚焦透镜的镀膜要求，制备了高透过，高 Ｔａ。 截止深度的窄带滤光片。性能要求在波长范围 在高温环境中的应用 ］。当波长大于３００ｎｍ时，Ｏ 的消光系数ｋ＜０．００３。 由于Ｔａ Ｏ 薄膜具有 ８０８ｎｍ＋＿５ｎｍ内，平均透射率不小于９０％，在波长范 Ｔａ：收稿日期： ２０１ １－１０－２５ 基金项目： 省部产学研结合项目（２０１０Ａ０９０２００００６） 作者简介： 张静（１９８４一），女，助教，硕十，主要从事光学薄膜的研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｉｉｎｇ８４０２２５＠１６３．ｃｏｒｎ。 通讯作者： 付秀华（１９６３），女，教授，主要从事光学薄膜和光学工艺的研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｏｐｔｉｃｓ＠１２６．ＣＯＩＩＩ。 长春理工大学学报（自然科学版） ２０１２焦 低吸收和良好的机械性能，而且它的抗激光损伤阈 值要高于ＴｉＯ：，所以高折射率材料选用ＴａｚＯ 。 ＳｉＯ：的透明区为１６０ｎｍ～９ｇｍ，其具有良好的 该曲线有很高的矩形度和截止深度，但在通带 处有波纹，需要对波纹进行压缩，提高峰值透过率， 为此在膜系的最后增加ＨＬ作为透射层组合，将这 优化后的曲线如图３所示： 机械性能和化学稳定性，无吸湿性 。ＳｉＯ：薄膜可 两层进行优化，用于紫外、可见和红外区各种多层膜，还可用于防潮 解、防腐蚀的保护膜，所以低折射率材料选用ＳｉＯｚ。 ２膜系设计 窄带滤光片的膜系设计主要从以下三方面考 虑：（１）总的层数不宜过多以减少累计误差；（２）单层 膜不宜过厚，以免使应力过大产生脱膜、龟裂等 ； （３）薄膜厚度易于监控从而减少监控误差。 由于自聚焦透镜滤光膜要求在波长范围 ８０８ｎｍ＿＋５ｎｍ内，平均透射率不小于９０％，所以设计 的难点主要在于提高窄带滤光片的矩形度和透射带 的透过率。 首先利用膜系设计软件，输人全介质双腔窄带 滤光片的基本膜系：Ｓｕｂ１（ＨＬ） ３ Ｈ ２Ｌ Ｈ（ＬＨ） ３ Ｉ （ＨＩ ） ３ Ｈ ２Ｌ Ｈ（ＬＨ） ３１Ａｉｒ，ｋｏ＝８０８ｎｍ，滤 光片的曲线如图１所示。 ｆ ’ （ 图１ 全介质双腔窄带滤光片光谱曲线 Ｆｉｇ．１ Ａｌｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｗｉｎ—ｃａｖｉｔｙ ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｕｒｖｅ 该曲线的截止区的截止深度足够，但矩形度不 高，峰值透过率为９５％。为了进一步提高曲线的矩 形度，输人了三腔全介质窄带滤光片的膜系：Ｓｕｂｌ （ＨＬ） ３ Ｈ ２Ｌ Ｈ（ＬＨ）‘３ Ｌ（ＨＬ） ３ Ｈ ２Ｌ Ｈ （ＬＨ） ３ Ｌ（ＨＬ） ３ Ｈ ２Ｌ Ｈ（ＬＨ）‘３ Ｌ ｌＡｉｒ，膜 系曲线图如图２所示： 图２全介质三腔窄带滤光片光谱曲线 Ｆｉｇ．２ Ａｌｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｒｅｅ—ｃａｖｉｔｙ ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｕｒｖｅ 图３优化后的全介质三腔窄带滤光片光谱曲线 Ｆｉｇ．３ Ａｌｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｒｅｅ—ｃａｖｉｔｙ ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｕｒｖｅ ａｆｔｅｒ ｏ￣ｉｍｉｚａｔｉｏｎ 由图３可以看出，在波长范围７２０ｎｍ～８０３ｎｍ， ８１３ｎｍ～９５０ｎｍ内，截止深度大于９９％，在８０８ｎｍ￣ ５ｎｍ的波长范围内，透过率大于９８％，满足设计要 求。 ３薄膜制备 本实验使用的镀膜设备是德国莱宝ＡＰＳｌｌ０４ 镀膜机，光控系统是ＯＭＳＳ０００Ｍ系统。膜厚控制采 用光学极值直接监控法与石英晶体监控法相结合， 提高了膜厚控制精度，其中腔与腔之间的耦合层用 晶控来控制。 制备过程中采用了离子辅助沉积的方法 ，离 子源选用德国莱宝公司的ＡＰＳｌｌ０４。 烘烤温度为２５０。Ｃ，当真空度达到３ｘ１０－。Ｐａ时， 冲人氧气，使真空室的压强保持在ｌｘ１０ Ｐａ左右，打 开离子源轰击基底１０ｍｉｎ后，打开电子进行蒸镀， Ｔａ Ｏ 的蒸发速率是０．３ｎｍ／ｓ，ＳｉＯｚ的蒸发速率是 ０．７ｎｍ／ｓ。 为改善膜层强度，提高薄膜的抗激光损伤能力，将 镀膜后的样品直接在镀膜室中进行真空退火处理 ，温 度升到３００。Ｃ恒温１ｈ，然后自然冷却。 ４测试结果及分析 采用日本岛津ＵＶ－３１５０分光光度计对镀制后 的样品进行测试，测试曲线如图４所示。 如图所示，波段内最大透过率为９３．５％，出现在 波长８０８．２５ｎｍ处。在波长范围７２０ｎｍ～８０３ｎｍ， ８１３ｎｍ～９５０ｎｍ内，平均截止深度为９９．５％，在 ８０８ｎｍ￣５ｎｍ的波长范围内，平均透过率为９２．４％， 半峰宽为１０ｎｍ。由于镀膜系统的控制误差，造成中 心波长有微小的偏移量；由于层数较多，膜层累计误 （下转第７８页） ７８ 长春理工大学学报（自然科学版） ２０１２年 动态响应、较小的稳态误差及较强的抗干扰能力。 参考文献 ［１］ Ｗｉｄｒｏｗ，Ｂ Ｗａｌａｃｈ Ｅ．Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｍ］． 刘树棠，韩崇昭，译．西安：西安交通大学出版社，２０００． ［２］王久和．交流电动机的非线性控制［Ｍ］．北京：电子工业 出版社，２００９． ［３］ 曲永印，邵世煌．ＬＭＳ算法的自适应逆控制变频调速系 统【Ｊ］．辽宁工程技术大学学报，２００６，２５（３）：３９６—３９９． ［４］郭庆鼎，孙宜标，王丽梅．现代交流永磁同步电动机交 流伺服系统［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６． ［５］庞中华，崔红．系统辨识与自适应控制Ｍａｔｌａｂ仿真［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，２００９． ［６］Ｍａｔｌａｂ中文论坛．Ｍａｔｌａｂ神经网络３０个案例分析 ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００９． ［７］冯少辉，申东日．基于ＲＬＳ－ＢＰ算法的在线辨识［ｃ］．中 国控制与决策学术年会论文集，１９９９． （上接第６４页） 差造成中心波长透过率不高，但基本满足技术要求。 ７∞ ７５Ｏ曲Ｏ龉Ｏ∞Ｏ皓Ｏ Ｗｍ＇ｅｌｅｎｇＣｈ／ｎｍ 图４滤光膜的光谱曲线 Ｆｉｇ．４ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｆｉｌｔｅｒ ｆｉｌｍ ５环境测试 为了保证光学元件的可靠性，根据使用要求对 样品进行了环境试验： （１）高低温测试：在７（）。Ｃ～－４０。Ｃ温度，测试１０ 个温度循环后，膜未有脱落。 （２）耐雨淋性能测试：雨水直径０。５ｒａｍ～ ４．５ｒａｍ，试验时间４０ｍｉｎ，膜层表面无明显变化。 （３）耐盐雾性能测试：在质量分数为４．９％～ ５．１％。ｐＨ值为６．５～７．２（３５ｏＣ）的盐雾中承受连续 喷雾２４ｈ，膜层表面无明显变化。 ６ 结论 通过选择Ｔａ。Ｏ 和ＳｉＯ 两种抗激光损伤阈值较 ［８］吴雪菁，施鹏飞．无约束手写数字的递推最小二乘ＢＰ 神经网络识别算法［Ｊ］．模式识别与人工智能，１９９９，１２ （４）：２２—２４． ［９］ 赵玉琦．ＲＬＳ－ＢＰ神经网络及其应用研究［Ｄ］．长春理 工大学硕士论文，２００２． ［１０］ 陈振锋，钟彦儒，李洁．基于ＲＬＳ的嵌入式永磁同步电 机参数辨识技术［Ｊ］＿西安理工大学学报，２００９，２５（３）： ５３—５７． ［１１］宋宏，曲永印，刘德君．自适应逆控制的永磁同步电机 位置系统［Ｊ］．煤矿机械，２００８，２９（７）：１２５—１２６． ［１２］ Ｋｈｏｖ Ｍａｋａｒａ，Ｒｅｇｎｉｅｒ Ｊ６ｒ６ｍｉ，Ｆａｕｃｈｅｒ Ｊｅａｎ．Ｄｅｔｅｃ－ ｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｒｎ Ｓｈｏｒｔ－Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｆａｕｌｔｓ ｉｎ Ｓｔａｔｏｒ ｏｆ ＰＭＳＭ ｂｙ Ｏｎ－Ｌｉｎｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［ＪＪ．Ｉｎ— ｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｏｉ＂１ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｏｎｉｃｓ，Ｅｌｅｃ— ｔｒｉｃａｌ Ｄｒｉｖｅｓ，Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｏｔｉｏｎ，２００８，１１（１３）： 】６】一１６６． Ｉ＝ １Ｊ高的镀膜材料，利用电子束真空镀膜的方法，制备了 自聚焦透镜滤光膜。通过改进在实时监控过程中的 控制方法，减少了膜厚的控制误差，完善滤光片的光 学性能。通过调整镀膜工艺参数，并采用ＡＰＳ离子 源辅助沉积的方法制备膜系，得到了稳定、致密、激 光损伤阈值较高、机械性能良好的膜层。所制备的 薄膜，在光学性能以及所要求的波段的反射率和透 射率均能达到使用要求，在环境要求方面均通过了 测试。 参考文献 朱少丽，徐秋霜，刘德森．自聚焦透镜在光纤准直器中 的应用分析［Ｊ］．西南师范大学学报，２００４，２９（３）： ３８Ｏ一３８１． 钟迪生．真空镀膜［Ｍ］．沈阳：辽宁大学出版社，２００１： ２４５—２４７． 唐晋发，顾培夫，刘旭，等．现代光学薄膜技术［Ｍ］．杭 州：浙江大学出版社，２００６：２３９－２４２． 刘梦夏．光学薄膜设计方法及发展趋势［Ｊｊ＿西安工业学 院报，２０００（３）：７０－７４． 刘金声，离子束沉积薄膜技术及应用［Ｍ］．北京：国防工 业出版社，２００３：１３２－１６５． 蒋晓东，黄祖鑫，任寰，等．光学膜层激光预处理过程研 究［Ｊ］．强激光与粒子束，２００２，１４（３）：３２１－３２４．
