一種簡便的離子束刻蝕制備線性漸變?yōu)V光片的方法
線性漸變?yōu)V光片(LVOF)是繼棱鏡、光柵以及近期發(fā)展的多種分光元件之后發(fā)展起來的一種新型分光元件，它與棱鏡、光柵等傳統(tǒng)的分光元件相比具有體積小、通帶多、通帶位置可以任意設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)。由于線性漸變?yōu)V光片可與CCD/CMOS探測器列陣結(jié)合共同構(gòu)成可識別光譜的探測器，大大簡化分光系統(tǒng)，提高儀器的可靠性、穩(wěn)定性和光學(xué)效率，受到越來越多的關(guān)注。以線性漸變?yōu)V光片為核心分光元件的光譜儀已經(jīng)成功應(yīng)用到航天航空、野外探測、大氣監(jiān)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(lǐng)域，本文以法布里-珀羅結(jié)構(gòu)濾光片為基礎(chǔ)，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?yōu)V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(yùn)動，經(jīng)過一定的刻蝕次數(shù)后，獲得垂直于樣品運(yùn)動方向上的厚度差異，最終獲得設(shè)計的楔形間隔層。
圖1 LVOF加工流程示意圖
線性漸變?yōu)V光片制備的完整工藝流程如圖1。首先，在K9基底上進(jìn)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(jìn)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?yōu)V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(shù)示意圖，三角形底邊長度為L，三角形的高為H，沿樣品臺運(yùn)動方向不同高度對應(yīng)的開口寬度為D，對應(yīng)的高為h，則D是關(guān)于h的函數(shù)，可表示為D(h) = Lh/H；不同高度對應(yīng)的蝕刻深度可表示為W(h) = DvN/V = LhvN/(VH )。
式中v為介質(zhì)材料在特定蝕刻條件下的蝕刻速率；V為樣品臺的運(yùn)動速率；N為來回刻蝕的遍數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)設(shè)計的蝕刻深度要求以及標(biāo)定的材料刻蝕速率，計算出需要來回刻蝕的遍數(shù)，在離子束刻蝕機(jī)中設(shè)定好相關(guān)參數(shù)，刻蝕后即可獲得預(yù)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(shè)計為670 nm。第一次鍍膜完成后，進(jìn)行樣品刻蝕前的速率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)均采用相同的離子源參數(shù)：加速電壓500 eV、束流200 m A。分別設(shè)定工作氣體參數(shù)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(shè)定工作氣體參數(shù)Ar/CF4流量5/10 sccm，樣品臺的運(yùn)動速率V=2 mm/s，該條件下要獲得預(yù)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(shè)計了刻蝕遍數(shù)N = l，2，3 三組諧振腔層刻蝕實(shí)驗(yàn)，不同的刻蝕遍數(shù)會產(chǎn)生不同的諧振腔結(jié)構(gòu)，在濾光片性能上體現(xiàn)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(xù)刻蝕產(chǎn)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(jìn)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(jié)論
本文簡便的離子束刻蝕制備線性漸變?yōu)V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(shù)，來獲得設(shè)計的楔形諧振腔層結(jié)構(gòu)，配合鍍膜技術(shù)，即可完成線性漸變?yōu)V光片的制作。相比現(xiàn)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(wěn)定可調(diào)控，楔形諧振腔層可自由設(shè)計，制備基本不受濾光片尺寸大小影響等特點(diǎn)，對于線性漸變?yōu)V光片的制作具有實(shí)際參考價值。