变折射率光学薄膜设计与分析

针对当前变折射率光学薄膜的设计难题,研究了周期性变折射率与渐变折射率2种类褶皱薄膜的结构特点以及折射率分布函数,阐述了将渐变折射率薄膜细分为多层均匀薄膜的分层介质理论,用足够多的均质薄层来代替渐变折射率膜层,每个薄层内折射率不变,相邻薄层的折射率呈离散型阶梯变化、物理厚度相同,应用麦克斯韦方程矩阵连乘法计算膜系的光学性能。设计了可用于军用激光器的高抗激光损伤性能膜系以及反激光压制的多波长梳状负滤光片膜系,分析了褶皱数量、褶皱细分数量等因素对薄膜光谱特性的影响。     

高色散系数线性渐变滤光片的研制

采用双离子束溅射物理沉积方法,通过修正线性渐变沉积速率制备了高透过率、高色散系数的线性渐变滤光片。在不同材料的膜厚修正过程中,通过匹配高低折射率材料的线性渐变趋势来减小两种材料的失配误差。利用微小光斑测试方法获得了线性渐变滤光片的线性渐变光谱数据,使用扫描电子显微镜表征了滤光片的表面形貌及微观结构。测试结果表明:制备的线性渐变滤光片各个位置的中心波长峰值透过率均达到85%以上,其工作波长为650~1 050nm,中心波长的线性变化率为20nm/mm,线性度误差在5nm以内,带外截止度在0.1%以下。制备的线性渐变滤光片不仅具有好的光谱特性,也具有良好的稳定性,完全满足滤光片在空间应用时对小型化、集成化和稳定性的需求。     

陷波滤光片的类褶皱设计

针对当前陷波滤光片设计方法中,因需要大量薄层和折射率连续渐变而导致的制作难度较高的问题,介绍了一种陷波滤光片的类褶皱膜系设计方法。此方法中,每层薄膜的层内折射率不变,层间折射率呈离散型渐变,每层为1个光学厚度,膜系模拟计算的光谱很好,并可降低制造工艺难度。给出了膜系的基本结构形式,并分析了其中各参数对陷波滤光片光谱的影响,指出了参数变化对光谱影响的基本规律。通过对典型膜系设计,模拟分析了膜厚偏差和折射率偏差对光谱的影响。结果表明,膜系对膜厚偏差更加敏感,为膜系镀制工艺中的误差控制提供了理论依据。     

线性渐变滤光片的制备与测试

线性渐变滤光片是一种在小型快速分光测试设备中广泛应用的光学薄膜器件。讨论了各种线性渐变滤光片的设计方法;给出了用离子辅助沉积(IAD)工艺制备线性渐变滤光片的膜厚修正方法;并分析了线性渐变滤光片光谱测试时,滤光片线性色散系数,测试光斑尺寸对其光谱特性的影响,给出了相应的测试方法和测试结果。     

基于等效层理论的薄膜滤光片中心波长消偏振膜系设计

针对薄膜滤光片倾斜入射时产生的偏振光中心波长分离现象和偏振相关损耗,本文利用等效层理论设计了倾斜入射下中心波长消偏振的100GHz信道间隔滤光片膜系结构,实现了薄膜滤光片的角度和波长调谐。首先通过相位关系分析,计算了滤光片间隔层的消偏振等效折射率,实现了不同偏振光中心波长的对准。然后,根据等效层理论,设计三层对称膜层结构实现了对间隔层中心波长消偏振等效折射率的替换。与原有的五层规整低偏振薄膜滤光片相比,本文提出的膜系结构更为简单,对消偏振等效折射率的替换更为精确。仿真和实验结果表明:该膜系结构的薄膜滤光片能实现0~20°倾斜入射的偏振光中心波长对准,偏振光波长偏离度小于0.03nm,波长调谐范围能达到35nm。     

一种立方棱镜带通滤光片的设计

提出了低偏振分离的立方棱镜带通滤光片的设计方法。为减小光在立方棱镜中s、p偏振光的偏振分离,采用三种材料来构成带通滤光片的反射镜,并采用不同折射率排列的反射镜结构构成嵌入式的多个带通滤光片,既提高了s、p偏振光的通带透射率,又减小了s、p偏振光在通带中的偏振分离和偏振位相差。通过改变反射镜的基本周期数和滤光片的周期数,可以调节滤光片的通带宽度和截止度,经膜厚优化,得到满意的设计结果。     

硬膜三色分光膜

本文依据等效折射率概念,通过膜系匹配,设计并制备出优良的截止滤光片和负源光片。本文所讨论的硬膜三色分光膜,是一种光学性能、理化性能及机械性能都十分理想的薄膜,制造工艺简单、适合于大批量生产。     

用薄膜光子晶体超晶格概念设计多峰滤光片

多峰滤光片在光通讯波分复用技术中潜在着特殊的应用。利用薄膜一维光子晶体超晶格的概念,设计了两种薄膜多峰滤光片。第一种是基于两个一维光子晶体迭加的多峰滤光片,它在交叠的禁带上出现多组通带,每组通带又包含着多个透射峰,峰的数目为两个光子晶体的周期数减去1;第二种是在第一个光子晶体的中间插进第二个光子晶体,因而形成三个基本周期的光子晶体迭加,峰的数目主要取决于插入的第三个光子晶体的膜层厚度之比和周期数。讨论了多峰滤光片的通带特性和截止度。     

用模拟退火法确定MgF2薄膜折射率和厚度

研究了确定单层MgF2薄膜的物理厚度及其在深紫外/真空紫外波段折射率的方法.首先,利用钼舟热蒸发工艺在B270基底上制备了单层MgF2薄膜.然后,依据MgF2单层膜在不同入射角下的反射光谱,采用模拟退火方法确定了MgF2薄膜在170～260 nm波段的折射率和物理厚度,并与由椭圆偏振法确定的薄膜参数进行了比较.实验显示,采用模拟退火和椭圆偏振两种方法确定的MgF2薄膜厚度分别为248.5 nm和249.5 nm,偏差为0.4％;而用上述两种方法在240～260 nm波段确定的单层MgF2薄膜的折射率偏差均小于0.003.得到的结果证实了依据不同入射角下的反射光谱,用模拟退火方法确定MgF2薄膜厚度和折射率的可靠性.     

渐变滤光片遮蔽扇的设计

本文讨论了蒸镀形如图1所示的厚度随基底角度而变化的渐变滤光片所用遮蔽扇系统的设计方法。一般用两个扇子与基底共轴,作相对转动而产生的。     

真空热处理对硫化锌薄膜光学与微结构特性的影响

针对电子束蒸发离子辅助沉积的硫化锌薄膜,研究了550℃以下真空热处理对其光学与微结构特性的影响。薄膜光学和微结构特性的测试分析表明:制备后薄膜为类立方结构的ZnS,在337.5nm波长处出现临界特性转折点,随着热处理温度的增加,转折波长两侧的消光系数变化规律相反,折射率和物理厚度呈现下降趋势,薄膜的禁带宽度逐渐增加;在红外波段的薄膜折射率与热处理温度的变化并不显著,在350℃下热处理时消光系数出现转折,主要是由晶粒变小的趋势所致;通过晶相分析,硫化锌薄膜经历了类立方结构到六方结构的转换,与禁带宽度的变化趋势基本一致。分析结果表明,光学特性变化的根本原因是薄膜的微结构特性变化。     

稳定的窄带干涉滤光片

滤光片通带中心波长λ０ 的稳定性,是使用过程中最重要的性能参数。该文从薄膜材料的“微孔度”出发,实验筛选出两种“微孔度”最小的膜料,用以组成窄带干涉滤光片。研配一种新的完全中性的光学胶,它不与滤光片膜层发生任何化学反应。再辅以其它工艺措施,成功制作出高稳定度的滤光片。滤光片存放３ 年,其λ０ 未发生漂移。这些滤光片已用于激光测距等多种军事工程,它们的长期稳定性在战备环境中得到了进一步验证。此外,该文还提出了一种新的膜厚监控方法。     

待测介质折射率对光纤SPR光谱的特性研究

为提高光纤传感器的灵敏度和检测精度,达到精确测量的目的。基于表面等离子体共振(SPR)理论及TFCalc软件,仿真研究光纤表面等离子体共振传感器的反射光谱特性,考查待测介质折射率在一定范围内变化对反射光谱特性的影响。研究结果表明,当入射角一定时,表面等离子体共振的最佳膜厚随待测介质折射率的减小而减小;当膜厚和入射角度不变时,表面等离子体共振波长随待测介质折射率的减小向短波长方向移动。共振吸收峰随待测介质折射率的减小移动的距离越小,且逐渐变窄,传感器的灵敏度逐渐提高。     

光纤表面等离子体共振光谱对待测介质折射率的响应特性研究

基于表面等离子体共振理论, 利用TFCalc软件仿真研究待测介质折射率在1.2到1.37范围内的光纤表面等离子体共振反射光谱特性。研究表明,入射角一定时,表面等离子体共振的最佳膜厚随待测介质折射率的减小而减小;当银膜厚度和入射角度不变时,表面等离子体共振波长随待测介质折射率的减小向短波长方向移动,共振吸收峰逐渐变窄,传感灵敏度提高。     

Measurement of the refractive index dispersion of As2Se3 bulk glass and thin films prior to and after laser irradiation and annealing using prism coupling in the near- and mid-infrared spectral range

The prism coupling technique has been utilized to measure the refractive index in the near- and mid-IR spectral region of chalcogenide glasses in bulk and thin film form. A commercial system (Metricon model 2010) has been modified with additional laser sources, detectors, and a new GaP prism to allow the measurement of refractive index dispersion over the 1.5-10.6 μm range. The instrumental error was found to be ±0.001 refractive index units across the entire wavelength region examined. Measurements on thermally evaporated AMTIR2 thin films confirmed that (i) the film deposition process provides thin films with reduced index compared to that of the bulk glass used as a target, (ii) annealing of the films increases the refractive index of the film to the level of the bulk glass used as a target to create it, and (iii) it is possible to locally increase the refractive index of the chalcogenide glass using laser exposure at 632.8 nm.     

Precision thickness and refractive index imaging of molecular films

We present an interferometric contrasting technique that allows visualizing the thickness and refractive index of a molecular film being part of an optical multilayer structure (etalon). Small wavelength shifts of the comblike etalon spectrum are transformed into measurable intensity variations using a second reference etalon (optical correlator), illuminated in series. A charge-coupled device camera acting as two-dimensional photometer is utilized to measure the optical spectral correlation (OSC) image. The performance of the here proposed optical spectral correlation method is demonstrated using very thin confined liquid films. We give a detailed signal-to-noise analysis. Subangstrom film thickness resolution is experimentally verified with single exposure images acquired at frame rates comparable to video standards (approximately 25 Hz). Finally, we describe the calibration procedures necessary to obtain an absolute quantification of the OSC image.     

镀金属膜长周期光纤光栅的传感特性

本文基于耦合模理论, 建立了严格的四层金属膜理论模型, 探讨了镀金属膜长周期光纤光栅(Long-period fiber grating, LPFG)的温度、 应变及折射率特性, 以及镀膜参数对镀金属膜长周期光纤光栅光谱特性的影响.仿真结果表明, 长周期光纤光栅表面最优的金属膜厚度将引起表现等离子共振(Surface-plasmon resonance, SPR)特性, 这一特性将使得LPFG 对稳定及折射率都有较高的敏感性, 而对应变影响较小. 理论分析表明, 银膜厚度在0.8-1.2 nm 范围内时, 折射率敏感度达到最大值为42.402 6, 敏感度增加4.5%. 仿真结果为镀膜长周期光纤光栅的设计及参数优化提供了理论指导.     

测量自聚焦光纤透镜聚焦常数的曲线拟合算法

提出了基于曲线拟合的光纤透镜聚焦常数的测试方法,用于超小自聚焦光纤探头研制过程中聚焦常数的直接测试。基于自聚焦光纤透镜模型及其折射率分布特征,研究了测量自聚焦光纤透镜聚焦常数的二次多项式拟合和线性化拟合算法。论述了聚焦常数对超小自聚焦光纤探针传光性能的影响。利用光纤端面折射率测试仪测试自聚焦光纤的折射率分布轮廓曲线,根据二次多项式拟合和线性化拟合算法分别求得聚焦常数和中心折射率。实验结果显示,利用二次多项式拟合算法和线性拟合算法求出的聚焦常数分别为5.587mm-1和5.513mm-1,与厂家的标称值5.5mm-1基本吻合,表明曲线拟合算法适用于对自聚焦光纤透镜聚焦常数的测量与分析。