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大幅窄带通滤波片 – 一致性挑战

1 简介

许多领域都需要大幅(直径 >100 mm)窄带通滤波片 (NBPF)。需要大视场的应用推动着对大型收聚光学器件的需求。但是,我们也需要窄平顶带通光学滤波提供的高波长选择性,来推动对关注的现象或物质进行具体和选择性的分析。这些光学元件应用范围广泛,包括地球观测遥感(卫星成像或无人机机载激光雷达)、天文/太阳成像、紫外微光刻工具和活体动物生物(荧光)成像。不同的应用对光学滤波片的波长选择性有不同的要求 – 由滤波片(带通)发射的波长的范围和级别以及滤波片(带阻)拒绝的波长的范围和级别所定义的滤波片特征 – 以优化系统探测器侧的信噪比。经过设计和制造,滤波片需要在光学器件的整个通光孔径 (CA) 上和整个工作参数范围内达到理想的波长选择性,包括入射角 (AOI)、圆锥角和使用环境条件。在多层、介质、薄膜滤波片中,入射角和工作温度的变化会导致中心波长 (CWL) 发生偏移 – AOI 增大会导致滤波片剖面向较短波长偏移;工作范围增大通常会导致滤波片剖面向较长波长偏移。在设计和制造滤波片过程中,需要考虑这些波长偏移,并且这些偏移还提高了从带通急剧过渡到带阻的要求。上述每项额外设计余量要求使得要成功制造出大幅 NBPF 成为了一项特别的挑战。要做到这一点,需要达到超高精度(滤波片形状的一致性和控制)和超高准确度(中心波长定位控制)。此外,许多应用,特别是在远程环境中的应用(例如部署在卫星设备仪器中的应用),都要求滤波片能够多年保持光谱性能特征。这需要非常可靠的滤波片设计和制造策略,并且需要在生产过程中谨慎地选择和处理使用的材料。益瑞电已经解决了上述每项挑战,该公司最近展示了成功设计和制造的一种抗环境变化的 1.72 nm 宽 (FWHM) 的 NBPF,该滤波片在直径 > 125 mm 的通光孔径上将中心定位于目标 (780nm) 的 20pm 范围附近。

2 此滤波片改进了多少?

在光学滤波片制造的所有应用中,都需要对光谱性能进行良好的一致性控制,因为它增加了符合规范的镀膜区域。如果是小尺寸的滤波片,例如用于光纤通信系统的 ½” 到 1” 的光谱滤波片或极小的 (~1.5 x 1.5 mm2) 滤波片,广泛的光谱一致性有助于增加从镀膜程序中生产的部件数量,从而降低每个滤波片的成本。如果是极大的光学元件(直径 >100 mm),由于一致性决定了通光孔径大小和/或可提供的波长选择性的程度,因而,要求镀膜高度一致对于功能实现至关重要。

2.1 精度和准确度

典型的高端商用滤波片在直径大于 100 mm 时表现出约 0.1-0.2% 中心波长的一致性。此处说明的滤波片经过镀层处理,在直径大于 125 mm 的通光孔径上表现出小于 0.02% 中心波的一致性 – 一致性在现有的高端基准上几乎提高了一个数量级。

使用任何极窄的窄带滤波片,一致性和滤波片形状不足以确保优异的功能性能。如果 NBPF 的峰值与关注的谱线(关注的分析物的激光波长或吸收峰值)不一致,则中心波长目标的偏移会导致信号损失。典型的光学滤波片制造可以将较小的 (<1”) 滤波片对准在目标 CWL 的 ±100 pm 范围以内。在此工作中创建的较大 NBPF 用于与目标 CWL 匹配,保持 ±10 pm(在通光孔径上的平均值)的范围。

CWL 变化(一致性) 0.094nm Δ ≤ 0.013%
带宽变化 (FWHM) 1.705nm – 1.735nm Δ ≤ 1.8%
CWL 目标 ±10 pm Δ ≤ 0.003%
峰值透射率变化 98.70% – 99.52% Δ ≤ 0.82%

2.2 耐久性、可靠性和稳定性

如果滤波片无法承受加工强度,或者在运行环境使用条件下性能下降,那么达到优异的性能水平也没有任何用处。镀膜工艺(高能磁控溅射)和材料本身就会产生稳固可靠的镀膜。然而,在推进沉积条件和退火工艺中,我们不确定是否能让此滤波片达到典型的可靠性和耐久性。然而,此滤波片成功地通过了一系列规定的环境耐久性测试,例如轻度摩擦(在 5N 的作用力下 50 个行程摩擦纱布),溶解性(在丙酮和乙醇中浸泡 5 分钟),湿度(在 55 °C 下持续 48 小时相对湿度为 95%),多重粘附(快速胶带移除), 热真空循环(在 ±90 °C 之间循环 30 次并在每种极端温度下停留 30 分钟)。此外,此滤波片在镀膜后没有改变尺寸(取心)的情况下仍然正常使用,这是一项对粘附性和滤波片可靠性要求非常严格的测试(它在使用中不会遇到任何类似的滥用情况)。使用寿命稳定性(性能随时间和温度的改变程度最低)也是此滤波片的一个关键参数。热老化测试(湿热测试)模型表明,如果此滤波片在 85 °C 条件下使用了 10 年,它在 CWL 上将出现 <10 pm 的偏移。此外,还测试了在大气环境中与在真空中使用的性能稳定性,因为蒸发镀膜等其他技术在大气环境中和在真空中的表现会有所不同。在大气环境中与在真空中,在测试仪器的测量精度 (±20 pm) 内,没有检测到 CWL 出现任何可测量的变化。

3 设计和制造考虑事项

为了使生产的滤波片具有陡窄带通且在较大的通光孔径上保持固定中心波长,沉积薄膜质量必须在表面上必须保持一致,并且必须具有较低的散射/雾度以使信噪比达到最大。此外,在整个镀膜运行过程中,需要保持一致性稳定性,以保持所需的滤波片形状。为了生产具有上述特征的滤波片,必须仔细考虑以下因素:镀膜目标与基体位置和相对运动、气流分布、现场温度控制、实时现场单波长监测 (SWM) 以及镀膜工艺的稳定性。

参数 受影响于:
薄膜均匀性 温度控制、目标与基体位置和运动
厚度均匀性 目标与基体位置和运动
散射/雾度/穿透损失 气流、温度控制、目标与基体位置和运动
滤波片带形 单波长监测、镀膜工艺稳定性

为了使目标 CWL 达到 ±10pm 范围内的 CWL 精度,需要建立一个热退火装置,用于确保这个又大又厚的滤波片的整个表面(巨大热量)保持均匀的退火。由于此滤波片设计会因退火而偏向更长波长,因此,需要特意对准镀膜机的一个更短的 CWL,从而使滤波片的 CWL 随着每个退火周期以迭代方式推向更长波长。此外,在工作环境下,必须执行退火工艺,以使滤波片保持稳定,防止在使用过程中出现进一步的热诱导波长变化。准确描述光谱性能特征的能力至关重要,它既是对上述退火工艺的反馈回路,也是确保最终产品符合所有客户规范的关键。AOI 的测量不确定性、询问束和分析光学器件的准直度(圆锥角)以及被测时的滤波片温度,所有这些因素都促使需要保留设计余量,以保证光谱遵从性。通过将测量系统的这些方面的不确定性降到最低,可以将“填补”规范所需的设计余量降到最低,同时还可以将允许在其他制造工艺(退火和镀膜)中的可变性的设计余量最大化。最后,为了确保在整个 125mm 通光孔径上满足这些光谱特征,采用了一种专门定制的测量装置(经准直的发射和捕捉光学器件),该装置使用一种完全准直的光路提供部件的 x-y 光谱测图。

4 总结

通过采用并优化上述设计和制造技术,益瑞电成功地生产出一种抗环境变化的窄 (1.72nm FWHM) 带通滤波片,该滤波片在直径为 125 mm 的通光孔径上将中心定位于目标 CWL (~780nm) 的 ±10pm 范围内。此滤波片展示了益瑞电能够生产一致性波动低于 0.02% 的大型先进高性能 NBPF 的能力。上面提到的 NBPF 是与 Leonardo S.p.a 在欧洲航天局 (ESA) 第三代气象卫星 (MTG) 计划框架中的合同下开发用于闪电成像仪的,在该计划中,法国的 THALES ALENIA SPACE 作为主要承包商。”