线性渐变滤光片的设计、制备及应用研究

作     者：倪康 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡二涛

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：线性渐变滤光片 膜系设计 磁控溅射 真空退火 微型光谱仪 

摘      要：近年来,随着科技的迅速发展,体积小、重量轻的便携式光谱仪受到人们越来越多的关注。在光谱仪中,分光元件起着至关重要的作用,传统光谱仪常用的分光元件有棱镜、衍射光栅等,而这些元件为了选取特定波长,都需要使用机械部件带动棱镜或光栅转动,或者使用到动镜,这就有可能因为机械部件的磨损、振动等因素造成错位,从而影响光谱仪的光谱精度。此外,由于部件体积庞大、重量大,为光谱仪的小型化和便携性带来困难。通过使用滤光片技术可以克服上述困难,使用线性渐变滤光片代替传统的分光元件,一方面,滤光片技术可以极大地减少光学系统的数值孔径对器件光谱分辨率的限制;另一方面,可以通过使用与集成电路相兼容的技术,直接在光电探测器上制备滤光片,从而实现单芯片型微型光谱仪。基于上述研究背景,本论文对线性渐变滤光片的设计、制备及应用进行了深入研究,重点研究了线性渐变滤光片的设计以及其性能提升方法。(1)详细介绍了制备线性渐变滤光片所使用的材料及对材料光学常数的测量方法;以实测光学常数为参数,对线性渐变滤光片的设计仿真及性能优化进行了系统研究;设计了全介质滤光片,研究了不同膜系、反射镜层数对滤光片性能的影响;设计了诱导透射光片,研究了金属层厚度固定和厚度渐变对滤光片性能的影响。(2)用磁控溅射仪结合自主设计搭建的楔形膜制备装置制备了线性渐变滤光片样品,膜系为(98 nm Si O 61 nm Ti O) x Si O(61 nm Ti O 98 nm Si O),使用分光光度计结合自主设计搭建的线性渐变滤光片测试辅助装置测量其透射光谱;重点研究了退火温度和时间对线性渐变滤光片的透射光谱影响。所制备样品的可工作光谱范围为510-700 nm,且样品上不同位置的透射光谱峰值与样品位置呈现良好的线性关系。在300℃下,经1个小时真空退火处理之后,样品的透射率得到显著提升,优于60%,表明退火处理可显著提升线性渐变滤光片的性能。(3)将所制备的线性渐变滤光片,作为分光元件应用于微型光谱仪系统。将线性渐变滤光片和线阵列CCD传感器集成,设计出一体化光探测模块,制备出微型化光谱仪原型机。定标之后,对荧光玻璃的发射光谱进行了测量。该成果可以促进我国在线性滤光片基微型光谱仪领域的发展,为其奠定原型机基础。