一種簡便的離子束刻蝕制備線性漸變濾光片的方法

　　線性漸變濾光片(LVOF)是繼棱鏡、光柵以及近期發展的多種分光元件之后發展起來的一種新型分光元件，它與棱鏡、光柵等傳統的分光元件相比具有體積小、通帶多、通帶位置可以任意設計等優點。由于線性漸變濾光片可與CCD/CMOS探測器列陣結合共同構成可識別光譜的探測器，大大簡化分光系統，提高儀器的可靠性、穩定性和光學效率，受到越來越多的關注。以線性漸變濾光片為核心分光元件的光譜儀已經成功應用到航天航空、野外探測、大氣監測、食品安全檢測、生物流體分析和多/高/超光譜成像等多個領域，本文以法布里-珀羅結構濾光片為基礎，提出一種簡便的離子束刻蝕制備線性漸變濾光片的方法。
 

　　線性漸變濾光片

　　制備方法

　　在離子束出射窗口和待加工樣片之間，垂直于離子束出射方向放置開有三角形窗口的擋板，離子束刻蝕時，樣片以某一恒定速率來回運動，經過一定的刻蝕次數后，獲得垂直于樣品運動方向上的厚度差異，最終獲得設計的楔形間隔層。
 

圖1 LVOF加工流程示意圖
 

　　線性漸變濾光片制備的完整工藝流程如圖1。首先，在K9基底上進行第一次鍍膜，將下層膜系和中間諧振腔層鍍好；其次，按上述方法對中間層進行刻蝕，獲得具有一定楔角的楔形諧振腔層；最后，配合第二次鍍膜，即可完成線性漸變濾光片的制備。
 

圖2 離子束刻蝕示意圖
 

圖3 樣品和擋板示意圖
 

　　圖2為離子束刻蝕過程示意圖，圖3為楔形諧振腔層各個參數示意圖，三角形底邊長度為L，三角形的高為H，沿樣品臺運動方向不同高度對應的開口寬度為D，對應的高為h，則D是關于h的函數，可表示為D(h) = Lh/H；不同高度對應的蝕刻深度可表示為W(h) = DvN/V = LhvN/(VH )。

　　式中v為介質材料在特定蝕刻條件下的蝕刻速率；V為樣品臺的運動速率；N為來回刻蝕的遍數。實驗采用的擋板尺寸為L= 60 mm、H= 80 mm，樣品刻蝕前，首先對諧振腔層材料的刻蝕速率進行標定，根據設計的蝕刻深度要求以及標定的材料刻蝕速率，計算出需要來回刻蝕的遍數，在離子束刻蝕機中設定好相關參數，刻蝕后即可獲得預期的楔形諧振腔層。

　　濾光片制備

　　濾光片采用了尺寸為80 mm X 10 mm 的K 9基片。首先，需要完成下層反射膜系以及中間諧振腔層的鍍制。諧振腔層厚度設計為670 nm。第一次鍍膜完成后，進行樣品刻蝕前的速率標定實驗。實驗均采用相同的離子源參數：加速電壓500 eV、束流200 m A。分別設定工作氣體參數為Ar（氬氣）流量15 sccm（1 sccm =l mL/min）、Ar/CF4流量5/10 sccm，測定了兩種條件下SiO2材料的刻蝕速率分別為1.33 nm/s和3.83 nm/s。

　　為提高刻蝕效率，選用Ar和CF4作為工作氣體。設定工作氣體參數Ar/CF4流量5/10 sccm，樣品臺的運動速率V=2 mm/s，該條件下要獲得預期的470～630 nm 厚度范圍的諧振腔層，樣品來回刻蝕3遍即可。設計了刻蝕遍數N = l，2，3 三組諧振腔層刻蝕實驗，不同的刻蝕遍數會產生不同的諧振腔結構，在濾光片性能上體現為具有不同的工作波段范圍。多遍刻蝕時，每遍刻蝕之間間隔10～20 min以避免持續刻蝕產生的基片過熱對材料刻蝕速率的影響。待三組樣片諧振腔層刻蝕完成以后，進行第二次鍍膜即上層膜系的鍍制，鍍制完以后，即完成了線性濾光片的制備。

　　結論

　　本文簡便的離子束刻蝕制備線性漸變濾光片的方法，通過在離子束出射窗口和待加工樣片之間加入特定形狀擋板，通過控制擋板來回移動的速率和遍數，來獲得設計的楔形諧振腔層結構，配合鍍膜技術，即可完成線性漸變濾光片的制作。相比現有的濾光片制作方法，本文方法只涉及鍍膜和刻蝕兩種制備工藝，具有離子束刻蝕速率穩定可調控，楔形諧振腔層可自由設計，制備基本不受濾光片尺寸大小影響等特點，對于線性漸變濾光片的制作具有實際參考價值。