陈鹏+罗露雯+盛斌+黄元申

摘要：

提出了一种离子束刻蚀制备线性渐变滤光片（LVOF）的方法。离子束刻蚀过程中，通过在样片和离子束出射窗口之间加入开有三角形透射窗口的挡板以及样片水平方向多次来回运动完成楔形谐振腔层制备，配合离子束辅助反应电子束真空镀膜技术，完成线性渐变滤光片的制作。设计三组不同刻蚀次数的制作实验，制作出了工作波长为500～580 nm、线色散系数为1.03 nm·mm-1的线性渐变滤光片。实验结果表明，通过调节样品台运动速率或者刻蚀次数，能够制备出具有预期楔角谐振腔层的线性渐变滤光片。

关键词：

线性渐变滤光片（LVOF）； 间隔层； 离子束刻蚀

中图分类号： O 43文献标志码： 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

线性渐变滤光片（LVOF）是继棱镜、光栅以及近期发展的多种分光元件之后发展起来的一种新型分光元件，它与棱镜、光栅等传统的分光元件相比具有体积小、通带多、通带位置可以任意设计等优点。由于线性渐变滤光片可与CCD/CMOS探测器列阵结合共同构成可识别光谱的探测器，大大简化分光系统，提高仪器的可靠性、稳定性和光学效率，受到越来越多的关注。以线性渐变滤光片为核心分光元件的光谱仪已经成功应用到航天航空、野外探测、大气监测、食品安全检测、生物流体分析和多/高/超光谱成像等多个领域[1-5]，因此针对渐变滤光片的研究具有重要意义。

目前，线性渐变滤光片的理论设计方法较为成熟，在制作方面国内外学者也分别提出不同方法[6-13]。秦洁玉等[6]提出了一种膜厚修正挡板的设计方法，给出了使用挡板情况下基片膜厚和监控片膜厚的关系，并用设计的挡板成功镀制了线性渐变滤光片。Piegari等[7-8]使用了类似的方法，在线性渐变滤光片镀制过程中，滤光片上方加入了特定形状并且可来回移动的挡板，通过控制挡板来回移动的速率和次数，镀制出满足要求的线性渐变滤光片。Emadi等[9]通过在镀制好的平整谐振腔层上旋涂光刻胶，在特定的掩模板下曝光和显影，利用光刻胶的热流动特性获得楔形光刻胶层，通过离子束刻蚀将图形转移到中间谐振腔层，配合镀膜技术完成线性渐变滤光片制作。这些方法大多关注于镀膜过程中获得的楔形谐振腔层，而通过离子束刻蚀来获得楔形谐振腔层的方法却鲜有报道。

本文以法布里-珀罗结构滤光片为基础，提出一种简便的离子束刻蚀制备线性渐变滤光片的方法。

式中：n、d分别表示间隔层的折射率、厚度；φ1、φ2分别为上下反射膜系的位相；m为k+（φ1+φ2）/2π，k=0，1，2，…。

由式（1）可知，法布里-珀罗结构滤光片的峰值透射波长与中间层的光学厚度（nd）成正比，而线性渐变滤光片其中间谐振腔层厚度沿某一方向线性变化，因此线性渐变滤光片的中心透射波长沿谐振腔厚度变化方向线性变化。设计中心波长550 nm的线性渐变滤光片，其膜系结构如下：

Glass/A（BA）5（xB）（AB）5A/Air

其中A（BA）5、xB、（AB）5A分别为下反射膜系、谐振腔层和上反射膜系。上下反射膜系分布在谐振腔两侧，成镜面对称；A和B分别为高折射率Ta2O5和低折射率SiO2膜层材料；x为中间谐振腔层的厚度变化因子。

不同谐振腔层厚度对应的透射谱线如图1所示。随着谐振腔厚度增加，对应级次的透射波长向长波方向移动，而自由光谱范围（FSR）会限制线性渐变滤光片工作波段范围。综合考虑光谱分辨率和自由光谱范围等因素，设计了470～640 nm厚度的楔形谐振腔层，相应的中心波长在500～580 nm之间，不同谐振腔层厚度对应的理论峰值透射率平均可达75%以上，透射带宽在1.5～2 nm左右，相对透射带宽在0.27%～0.36%左右。