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用于高集成光谱技术的多层楔形薄膜滤光片研究

唐昊龙  
【摘要】:随着航空航天技术的飞速发展,空间光学实验和探测设备越来越受到人们的关注。受空间应用的成本限制,空间光学系统必须追求轻量化、集成化的发展道路,一些传统的光学器件已经不能满足空间应用的要求。多层楔形薄膜滤光片是继棱镜、光栅等分光元件之后发展起来的一种新型高集成分光元件,与棱镜、光栅等传统的分光元件相比具有体积小、通带位置可以任意设计等优点,与多通道带通滤光片相比,又具有不需拼接、制作工艺相对简单的优点。基于多层楔形薄膜结构的分光技术对光学系统的小型化和集成化具有重要意义,但该技术所需的多层楔形薄膜滤光片制备难度大、精度要求高。目前文献报道的楔形滤光片存在透过率低、工作范围小、线性变化率小等问题,成为了限制其在高集成光谱技术中应用的瓶颈。本文针对应用于高集成光谱技术中的楔形薄膜滤光片的使用要求,通过对楔形薄膜沉积特性、膜系设计、制备技术、楔形薄膜特性表征技术进行了详尽的理论分析和实验研究,研制出了高线性变化率、宽工作范围和高透过率的多层楔形薄膜滤光片。首先,从双离子束溅射法沉积薄膜的内在机理出发,建立了楔形薄膜理论模型,分析楔形薄膜沉积特性,获得了一种有效调控薄膜沉积速率衰减的方法,并以此建立遮掩挡板修正函数,优化设计遮掩挡板线型,成功制备了薄膜厚度线性变化率在较大范围内精确可控的楔形薄膜。然后提出线性渐变趋势匹配方法,有效的减少了Ta_2O_5和SiO_2单层楔形薄膜厚度的失配误差,改善了失配误差对楔形薄膜滤光片光谱特性所产生的影响。针对楔形薄膜滤光片的宽工作波段、宽带外截止区域、较高透过率等技术指标,采用多界面组合方法成功设计出了楔形滤光片薄膜系统,应用优化后的工艺参数完成两组基片、四种薄膜的制备。最后对光谱空间平均效应进行深入研究和分析,设计微小光斑测试方法,基于分光光度法建立微小光斑测试理论模型,搭建小光斑测试光路系统,有效降低楔形薄膜光谱测量过程中空间平均效应的影响,提高了楔形滤光片光谱测量的准确性。测试数据表明:制备的楔形薄膜滤光片在12mm的工作区间内,可在波段520nm至1000nm范围内实现40nm/mm的线性变化关系,通带宽度为中心波长的2.5%,通带峰值透过率高于80%,截止区透过率低于0.1%,研制的楔形滤光片可满足高集成光谱探测系统对分光元件的技术需求,该技术为光谱仪器的分光方案提供了新的解决方法,并成功应用于空间光学任务。


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