中波红外8通道微型集成滤光片的研制

　　0　引言

　　多光谱航天遥感技术[1]正在向光谱通道更多、集成度更高、体积小和重量更轻的方向发展.随着探测器多通道焦平面技术的日趋成熟,通道数可以达到几十个,单通道控测器的横向心尺寸以及通道间的距离可以达到0.1 mm以内.为了实现多光谱航天遥感技术的发展目标,需要同时发展与之相适应的新型多光谱超窄带集成滤光片技术.虽然单个滤光片的设计与制备工艺已经成熟,但要把多个滤光片集成在一个基片上,并保持优良性能,其难度非常之大,而且采用传统技术来制备集成滤光片[2],其成品率随着集成数目的增加而呈指数下降.国内张凤山等人采用线性渐变滤光片的方式[3],让探测器与滤光片进行位置配准,这种方式的缺点是空间位置不能充分利用,通道太近时容易窜光.梁静秋等人用电容驱动的办法来改变F2P滤光片的谐振腔间隔层光学厚度[4,5],以实现滤光片的光谱扫描,但这种方式每次只能形成一个通道,不能让多个通道同时工作.上海技术物理研究所第八研究室在多年以前,利用光学掩膜分离法制备微型多通道的滤光器件[6],但这种方法难以应用到通道数较多的情况.

　　本文利用一种将组合刻蚀技术与滤光片制备技术相结合的方法,通过改变F2P滤光片中谐振腔间隔层的光学厚度来实现光谱通道的选择,来实现新型多光谱超窄带集成滤光片的制备,能够有效提高成品率,增加通道数.

　　1　多通道滤光片理论分析

　　众所周知,在两个平行的平板反射镜中间间隔一个空腔,当两个反射镜具有同样的高反射率时,干涉仪对某一波段的波长实现高透,改变微调空腔的厚度可以改变透过的波长.

　　本文设计滤光片的中心波长为2.8μm,膜系设计为S|LLHLHLH 4L HLHLHL|A,这里,S表示基片材料Si,ns=3.5;H表示高折率材料Ge,nH=4.05;L表示低射率材料SiO,nL=1.79,其中的4L层正是谐振腔间隔层.理论设计曲线如图1,峰值波长为2.8μm,透过率T> 90%,相对半峰宽(FWHM)为1%.

　　通过膜系特征矩阵式(1)和式(2)可以精确地求出中心波长λ0的透过率T,通带的半宽度Δλ参量.

　　式中B,C分别代表总膜系的特征矩阵元;T为膜系透射率;ηj,η0和ηg分别为第j层膜,入射介质和基底的折射率.

　　对于F2P型滤光片,有以下经典公式[7]

　　式中R1、R2、T1和T2表示上下反射膜系的反射率和透过率,θ为相位因子.中心波长的位置由下式确定

　　式(4)指出改变谐振腔间隔层的光学厚度可以移动中心波长的位置.依据上述的理论计算,提供了一种多通道滤光片的设计思想,即改变F2P滤光片的谐振腔间隔层的厚度,可以实现多通道集成的目的.图2中所示为8通道的集成滤光片的设计结果,谐振腔间隔层光学厚度依次减少0.1L,相应的中心波长在2.50~2.85μm范围内变化.