薄膜濾光片的簡介
用電子束EB蒸發的TiO2和SiO2薄膜系統具有重要的應用但是用常規的蒸發技術即使基板的溫度高達300℃以上薄膜仍呈現出明顯的柱狀結構特性這種柱狀結構的薄膜由于膜層中包含著大量的空隙因此隨著薄膜濾光片吸潮膜層折射率升高濾光片的中心波長就會產生明顯的漂移為了表征這種結構特性人們提出了聚集密度P它被定義為薄膜中固體部分的體積與總體積之比所以它是一個描述薄膜疏松程度的物理量
隨著離子鍍膜技術的發展諸如離子輔助淀積IAD反應離子鍍RIP和離子束濺射IBS等薄膜的聚集密度得到了顯著的提高甚至已經有實驗報道有些薄膜的聚集密度大于1這意味著薄膜的密度比自然界中的大塊材料的密度還要高原因是在高聚集密度的薄膜中常常呈現出較大的壓應力致使薄膜具有更高的聚集密度但是即使薄膜的聚集密度大于1濾光片中心波長仍會出現漂移已經認識到影響薄膜濾光片中心波長漂移的不僅是聚集密度而且還有薄膜與基板的溫度折射率系數和熱膨脹系數所以濾光片的中心波長漂移可以簡單地表示為Δλ=薄膜空隙吸潮引起的漂移+溫度折射率變化引起的漂移+熱膨脹引起的漂移
顯然當采用離子技術使聚集密度提高到1時吸潮引起的中心波長漂移已可忽略不計而其他兩種因素上升為主要因素本文僅從一般工藝出發著重考察一下TiO2/SiO2組成的三腔濾光片的光學穩定性與上述三種因素的關系實驗結果顯示在可見光區域對于聚集密度約為0.92的膜系這三種因素中吸潮引起的中心波長最大數量級在10 nm左右對于膠合的膜系來說膜系空隙中水汽折射率隨溫度的上升而下降引起的中心波長短移大約在1×10-2nm/℃量級而熱膨脹引起的漂移大約在1×10-3nm/℃量級
吸潮引起的漂移
由于薄膜是柱狀結構柱狀結構間存在空隙吸潮前空隙
表1 材料不同聚集密度的吸潮效應引起中心波長漂移的計算值
內空氣的折射率為1吸潮后空隙被水汽填充折射率變為1.333因而膜層的折射率進而光學厚度和光譜特性均引起變化這就是吸潮引起的光學不穩定性
將我們制備的膜系結構HLH2LHLHL3以及相應的折射率代入并且根據我們的工藝條件TiO2和SiO2的聚集密度大約在0.92左右由此對于不同中心波長的紅綠藍濾光片可以計算出相應的吸潮引起的中心波長漂移在f=1即完全吸潮的情況下針對TiO2和SiO2的不同聚集密度計算出的一系列中心波長漂移見表1
從表中可以看出吸潮情況下低折射率材料SiO2的聚集密度對中心波長的漂移起著主要作用高折射率材料聚集密度的不同引起的中心波長漂移差別只有1 nm左右而低折射率材料卻有大約3 nm的變化原因在于低折射率材料吸潮后折射率上升相對于原來折射率的比例很高相當于光學厚度增加的比例大導致漂移大更重要的是SiO2是作為膜系的間隔層而間隔層對中心波長漂移的影響是最大的
綜上所述用溫度升高薄膜內原來占據空隙的水汽被蒸發導致中心波長短移的理論可以較好地解釋我們實驗得到的數據并且可以由此推導出我們制備的SiO2的聚集密度大約在0.92～0.95之間理論分析和工藝條件的分析相吻合
溫度引起的漂移
除了吸潮引起的中心波長漂移以外溫度升高引起的膜層折射率的
表2 石英晶體的折射率溫度系數
變化以及膜系熱膨脹引起的厚度變化也會引起膜層光學厚度的變化從而導致中心波長發生漂移不僅如此由于基板的熱膨脹系數與膜系的熱膨脹系數不同在受熱的情況下膜系會受到基板應力的作用發生彈性形變從而聚集密度發生變化也會導致中心波長發生漂移理論可以用來定量地分析溫度上升所引起的中心波長漂移其中主要的因素就是材料的折射率溫度系數基板的線性熱膨脹系數材料的泊松比膜系的線性熱膨脹系數膜
表3 不同溫度水的折射率隨波長的變化
層的聚集密度等關于各種材料的折射率隨溫度變化的數據非常缺乏尤其是薄膜形態材料的數據.據文獻報道不同材料的折射率溫度的變化差異很大比如碲化物呈現出負的數值而一般材料折射率都隨溫度的上升而增大在我們的膜系中由于是SiO2作為間隔層因此SiO2的折射率溫度系數起主要的作用文獻中有晶體石英在可見光范圍內o光和e光的折射率見表2也有熔融石英在紅外的折射率溫度系數在1550 nm時約為+1.1×10-5/℃但是很難查到在可見光區域內的數據根據上述的數據我們可以推斷可見光區SiO2薄膜的折射率溫度系數大概為+0.5×10-5/℃左右基板的熱膨脹系數對K9玻璃在-30～70℃范圍內為74×10-7/℃在100～300℃范圍內為86×10-7/℃膜系的熱膨脹系數在5.5×10-7/℃左右泊松比取0.1
根據以上的理論分析和參量設定計算得到在70℃以下綠色濾光片的中心波長的溫度漂移為-0.00088 nm/℃在100℃以上中心波長的溫度漂移為-0.001459 nm/℃對于不同顏色的濾光片數值略有不同但量級都在-1×10-3 nm/℃10℃的溫度變化也只會引起-10-2nm量級的漂移而實驗觀測到的漂移無論對單片還是膠合樣品都在1 nm的量級所以上述計算的結果并不是主要因素
對于雙片膠合的樣品而言聚集密度不等于1時其中的空隙多由水汽所填充膠合以后這些水分子仍然存在不能蒸發脫離出薄膜根據文獻顯示水的折射率溫度變化相對薄膜材料是比較大的具體數據見表3它的量級在10-4/℃比SiO2高一個量級并且隨著溫度的上升折射率下降速度加快對于聚集密度0.9而言水分子折射率溫度系數的作用跟膜層材料的作用已經可比擬甚至更大
從表中我們看到水的折射率從20℃到80℃下降了大約0.01按照0.9的聚集密度來計算由膜層中的水折射率下降引起膜層折射率溫度系數-2×10-5/℃可見它完全可以抵消SiO2折射率隨溫度的上升使整個膜系呈現負的折射率溫度系數此時膜系的折射率系數變為-1.5×10-5 nm/℃室溫到70℃的溫度漂移是-0.6 nm跟實驗結果0～-2 nm處于同一個數量級對于70℃以上的情況沒有水的折射率變化的數據但考慮到100℃以后水從液態逐漸變為氣態折射率的下降會更快所以從這個角度能夠合理解釋膠合濾光片中心波長隨溫度的短移
我們認為對于未膠合單片的濾光片室溫下薄膜柱狀結構中的空隙幾乎完全被水分子所填充在溫度上升到70℃時柱狀結構中80%～90%左右的水分子被蒸發脫離出薄膜而在70℃到120℃的時候剩余的10～20%左右的水分子也被蒸發脫離出薄膜因此導致了在70℃到120℃的中心波長漂移實驗數據中這種漂移的數值在1～2.5 nm之間確實是室溫到70℃漂移值的1/5左右實驗還反映100℃到120℃的漂移小于70℃到100℃范圍的漂移這也符合我們的分析
研究結論
通過對紅綠藍三種帶通濾光片在溫度影響下中心波長漂移的實驗我們分析了造成這種漂移的原因這其中有三種因素起著作用對于未膠合濾光片薄膜柱狀結構空隙中原本填充的水分子隨溫度升高被蒸發而引起的折射率下降是主要因素它造成了中心波長的短移這種短移隨薄膜的聚集密度而變化對于聚集密度為0.92的膜系短移的數值在10 nm的量級這種解吸潮的過程在室溫到70℃的范圍內最明顯有80%到90%的水被蒸發出來而在70℃以上殘余的10%～20%的水分也被蒸發出來對于膠合的濾光片造成中心波長短移的原因在于填充薄膜空隙的水汽的折射率隨溫度上升而下降而且這種下降的速度遠大于薄膜材料折射率隨溫度上升和幾何厚度熱膨脹引起的增量的速度因此引起光學厚度下降中心波長短移這種短移的量級大約在-1×10-2 nm/℃最后對于聚集密度很高的膜系而言材料的折射率溫度系數基板的熱膨脹系數是決定中心波長漂移的重要因素通過計算對于可見光的范圍這種漂移的量級在1×10-3nm/℃左右方向由基板的熱膨脹系數決定
根據以上的分析可以制定改善膜系溫度穩定性的措施首先提高膜系的聚集密度是一個最重要的手段聚集密度的提高減少了吸潮的影響而吸潮是對穩定性影響最大的因素把薄膜膠合在玻璃基片之間也是一個很好的措施它可以使漂移下降到10-2nm/℃量級除了提高薄膜的聚集密度以外選擇折射率溫度系數小的材料或是折射率溫度系數正負相反的材料來制備膜系同時選擇適當熱膨脹系數的基板也是措施之一這在紅外并且聚集密度接近一的情況下尤為重要
