一种宽光谱半透过半反射的标准具、制备方法及其应用与流程

1.本发明涉及光通信或者激光技术领域，特别是涉及一种宽光谱半透过半反射的标准具、制备方法及其应用。


背景技术：

2.光学标准具，也称为法布里-珀罗干涉仪，是由两块平板玻璃或者单块透明材料构成，在两块平板玻璃内表面或者石英两面镀制高反射率的部分透射膜，从而实现入射光在两个镀膜表面之间形成反复反射，形成多光束的等倾干涉圆环；若一束激光光束进入，标准具就具有光学谐振腔的功能，透射随激光频率周期性的变化，在共振时两表面的反射发生相消干涉，在反共振情况下反射损耗最大，透射率随频率的方程可由airy方程描述，在表面反射率不太高时，该方程近似为简单的正弦方程。
3.即使标准具有一定的倾斜角度也存在共振效应(如图1)，前提是倾斜角度非常小，从而相反方向波之间的交叠程度没有显著减小；因此可以利用一定的倾斜角度来控制共振频率，即标准具可用作可调光学滤波器，调谐激光器的波长。
4.现有标准具中的镀膜光学薄片，一般是只在某个波段具有高反特性，激光器的波段也是固定在某个特征波段，不同的激光器，比如钛宝石激光器(波长700～900nm)、yag激光器(波长1064nm)、光纤激光器(波长1550～1650nm)等，需要不同的标准具去做光学滤波器，调谐激光器的波长，所以导致某种激光器的标准具与其他标准具之间没有相互适用性，每一种激光器需要配对相应波段的标准具做滤波和调谐，这样的标准具适用范围十分有限，测量不同波段需要更换不同的标准具，标准具的使用和管理会很复杂。
5.考虑到硒化锌属于
ⅱ‑ⅵ
族无机化合物，由于其在0.5～15um处几乎无吸收，具有良好的透过性，因此被广泛应用于制作高功率co2激光器和红外制导系统，硒化锌材料虽然具有红外高透的优点，但其硬度差，与玻璃、硅或者石英相比容易划伤，所以一般加工透镜时，在完成一个面的抛光后都需要在其表面喷上一层保护漆作为保护再加工另一面，然而保护漆的厚度均匀性难以控制，因此很难达到较好的面精度，往往在抛光完成后还需要经过进行手工抛光修整表面，非常依赖于技术人员的技能，其产能太低；另一方面，由于硒化锌材质相对较软，其薄片镀膜层容易变形，也不容易夹持。
6.在快速发展的光通信领域，人们往往需要50nm-200nm带宽的滤光片，在可调谐激光器中，往往亦需要几十至几百纳米的滤光片，这往往需要微米甚至纳米级厚的标准具，目前采用现有加工方式则不易制作或无法制作。
7.基于上述调研，有待开发一种超薄硒化锌光学镜片构成的法布里-珀罗标准具，不仅具备宽光谱半透过半反射的性能，而且均能够同时适用于可见光和红外波段，这将会极大提高单个标准具的使用范围。


技术实现要素：

8.本发明主要解决的技术问题是提供一种宽光谱半透过半反射的标准具，其制备方
法高效，同时以硒化锌作为标准具的镜片，具有很好的多波段使用范围，在可见光和红外段皆可适用，极大提高了单个标准具的使用范围。
9.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种宽光谱半透过半反射的标准具，包括硒化锌镜片基底，所述硒化锌镜片基底的两侧通过物理气相沉积沉积形成氟化钇膜和硒化锌交替堆叠的半透半反膜，获得硒化锌光学镜片，所述硒化锌光学镜片的两侧对称粘结设置有空心环。
10.优选的，所述硒化锌镜片基底的厚度为100um以下，双侧所述氟化钇膜和硒化锌半透半反膜的厚度介于8～10um。
11.优选的，所述硒化锌光学镜片和空心环之间粘结采用uv胶或者耐高温胶。
12.为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，包括如下制备步骤：
13.(1)通过化学机械抛光法对硒化锌毛坯进行第一面的加工；
14.(2)通过光胶上盘法对硒化锌毛坯的第二面进行减薄抛光，获得厚度小于100um的硒化锌镜片基底；
15.(3)将第(2)步获得的硒化锌镜片基底两侧对称的粘贴两块蜂窝状玻璃板以固定，同时将该组合件进行超声清洗；
16.(4)在真空环境下，以氟化钇作为低折射率靶材，硒化锌作为高折射率靶材，通过阻蒸坩埚蒸发，在硒化锌镜片基底的两侧沉积形成氟化钇膜和硒化锌交替堆叠的半透半反膜；
17.(5)镀膜完成后，通过飞秒激光切割技术分离出各空心环，切割下来的硒化锌光学镜片的两侧连接着空心环，即为本发明的宽光谱半透过半反射的标准具产品；
18.(6)针对获得的宽光谱半透过半反射的标准具产品进行相关性能的测试。
19.优选的，上述第(1)步中的化学机械抛光法包括如下步骤，
20.(a)将方形的硒化锌晶体用金刚石套筒下料至所需直径；
21.(b)将硒化锌晶棒周圈损伤层用滚圆机去除；
22.(c)将滚圆后的晶棒切成厚度为1mm的薄片；
23.(d)对薄片四周进行保护性倒角；
24.(e)用双面研磨机将镜片研磨至0.5mm厚，去除表面线痕；
25.(f)采用沥青将镜片粘结在玻璃基板上，用模压压平，确保镜片的平整度；
26.(g)继续用固着有3um的金刚石研磨垫进行细磨，进一步降低损伤层，此时加工完成后镜片为0.2mm；
27.(h)单面抛光，去除10～20um，抛光过程中不断检查表面质量和面型度，要求面型达到1/5λ@633nm，表面无肉眼可见的划痕；
28.(i)下盘前将镜片连同玻璃基板先用水冲洗干净表面的抛光液，再在表面喷上保护漆，防止后续作业转运过程中划伤表面，进而用热吹风机进行加热，使镜片与玻璃基板脱离；
29.(j)将镜片放置在超声波清洗机中清洗干净，此时硒化锌毛坯的第一面加工完成。
30.优选的，上述第(2)步中的光胶上盘法为，将光胶模放置在工作台上，检查表面并用酒精和棉签将表面的灰尘去除，在光胶模外套设定位模板，将加工完成一面的硒化锌毛
坯通过吸笔吸住放至定位模板中，按压排除硒化锌毛坯与光胶模之间的空气，待两面之间无干涉条纹时说明两个面完全贴合，将所有硒化锌毛坯上盘完成后，移除定位模板，并在硒化锌毛坯四周涂上防水保护漆且烘干，接着通过金刚石研磨垫磨削至110um以下，进而进行抛光，过程中不断测量镜片的厚度，当镜片厚度达到目标厚度(《100um)时完工，下盘并清洗。
31.优选的，所述定位模板上通过数控机床开好与硒化锌毛坯形状相同的定位孔，定位孔的直径比硒化锌毛坯大0.1～0.2mm，定位模板优选电木、铁氟龙或者ppf材质。
32.优选的，上述第(3)步中蜂窝状玻璃板上设置有采用激光切割或者cnc铣磨好的微孔，直径介于1～3mm，同时蜂窝状玻璃板的厚度介于0.5～1.0mm。
33.优选的，上述第(4)步中，在蒸发镀膜的同时向真空室内通入氧气，温度为150℃，使其膜层牢固度增强。
34.为解决上述技术问题，本发明采用的第三个技术方案是：提供一种宽光谱半透过半反射的标准具在超薄非线性倍频晶体倍频器、超薄标准具、高热光系数的温度可调谐标准具中的应用。
35.本发明的有益效果是：
36.本发明提供的一种宽光谱半透过半反射的标准具，一方面提供了超薄硒化锌镜片的抛光方式，获得的镜片厚度可达到100um以下，且可以获得超高精度的表面；另一方面，本发明成功利用硒化锌材料替换传统的石英玻璃或硅片等制作标准具，有效利用了其优异的热光系数效应和可见-红外光区域透明的特性，实现红外区域的激光透过或者测量，反射值在85
±
5％；同时，本发明创新性的提出超薄镜片的镀膜技术，有效减少镜片因镀膜造成的应力变形，提高镜片的面精度，本发明提供的此种宽光谱半透过半反射的标准具，只要一个标准具就可以调谐四种激光器：钛宝石激光器(波长700～900nm)、yag激光器(波长1064nm)和光纤激光器(波长1550～1650nm)，本发明提供的此种宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，生产标准具高效，具有很好的各波段的使用范围，这前所未有的设计将极大的提高单个标准具的使用范围，具有非常好的技术推广价值。
附图说明
37.图1是背景技术中用于解释共振效应，在正入射(实线)、倾斜角度为2
°
38.(短划线)和4
°
(虚线)情况下未镀膜、厚度为100um熔融石英标准具的透射光谱；
39.图2是硒化锌镜片两侧对称的粘贴两块蜂窝状玻璃板组合结构的俯视图；
40.图3是图2沿着中心线切割后的侧视图，用于体现结构之间的位置关系；
41.图4是双支撑标准具结构示意图；
42.图5是可见光和近红外光谱反射曲线；
43.图6是远红外光谱反射曲线；
44.图7是产品表面面型测试数据，用于体现表面平面精度；
45.图8是产品表面面型测试数据，用于体现表面高度差；
46.附图中各部件的标记如下：
47.1、光胶模；2、定位模板；3、吸笔；4、硒化锌镜片基底；5、uv胶；6、蜂窝状玻璃板；7、微孔；8、空心环。
具体实施方式
48.下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
49.实施例：
50.一种宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，包括如下制备步骤：
51.第一步，通过化学机械抛光法对硒化锌毛坯进行第一面的加工，具体为：
52.首先将方形的硒化锌晶体用金刚石套筒下料至所需直径，下料直径可以为20mm、25mm或者30mm；接着，将硒化锌晶棒周圈损伤层用滚圆机去除，单边去除量约0.5mm；然后，将滚圆后的晶棒切成厚度为1mm的薄片；进而，对薄片四周进行保护性倒角，减少后续研磨抛光过程中由于边缘碎屑颗粒脱落导致的深划痕；进一步的，采用沥青将镜片粘结在玻璃基板上，用模压压平，确保镜片的平整度；继续用固着有3um的金刚石研磨垫进行细磨，以进一步降低损伤层，此时加工完成后镜片的厚度为0.2mm。
53.接着进行单面抛光，去除10～20um，抛光前对抛光模进行修整，确保其能达到较高的面精度，抛光过程中不断检查表面质量和面型度，要求面型达到1/5λ@633nm，表面无肉眼可见的划痕；然后下盘前将镜片连同玻璃基板先用水冲洗干净表面的抛光液，再在表面喷上保护漆，防止后续作业转运过程中划伤表面，进而用热吹风机进行加热，使镜片与玻璃基板脱离；最后，将镜片放置在超声波清洗机中清洗干净，此时硒化锌毛坯的第一面加工完成。
54.第二步，通过光胶上盘法对硒化锌毛坯的第二面进行减薄抛光，获得厚度小于100um的硒化锌镜片基底，具体为：
55.由于硒化锌基底比光胶模(一般为玻璃)软，如采取传统光胶上盘，在零件与光胶板的贴合过程中容易产生相对滑动，很容易造成划伤；另外为了提高抛光两个面的平行度，避免镜片固定时胶粘剂蜡或者沥青的影响，抛光第二面时本发明创新性的采用光胶上盘法，如图2所示，将光胶模1放置在超净工作台上，检查表面并用酒精和棉签将表面的灰尘去除，在光胶模1外套设定位模板2，定位模板2上通过数控机床开好与硒化锌毛坯形状相同的定位孔，定位孔的直径比硒化锌毛坯大0.1～0.2mm，定位模板优选电木、铁氟龙或者ppf材质。
56.将加工完成一面的硒化锌毛坯通过吸笔3吸住放至定位模板2的定位孔中，形成干涉带，轻轻按压排除硒化锌毛坯与光胶模之间的空气，待两面之间无干涉条纹时说明两个面完全贴合，将所有硒化锌毛坯上盘完成后，移除定位模板2，并在硒化锌毛坯四周涂上防水保护漆且烘干，以免在抛光过程中的水进入到两个光学平面之间，接着通过金刚石研磨垫磨削至110um以下，进而进行抛光，去除表面损伤层，并在过程中不断测量镜片的厚度，当镜片厚度达到目标厚度时完工，最后将表面的抛光液用纯水冲洗干净并烘干，减少表面的污染，将镜片加热，使镜片与光胶模1分离，同时将加工完成第二面的镜片放置在超声波清洗机中清洗干净。
57.第三步，将第二步获得的硒化锌镜片两侧对称的粘贴两块蜂窝状玻璃板以固定，粘结介质采用uv胶或者耐高温胶，以最大程度的减少后续镀膜应力对镜片平整度的影响，既可以减少转运过程中镜片破损的风险，也可以减少镀膜过程中镜片的弯曲。
58.该结构设计如图3和图4所示，研磨抛光获得的超薄硒化锌镜片基底4两侧通过uv
胶5对称的粘贴蜂窝状玻璃板6固定，蜂窝状玻璃板6上设置有采用激光切割或者cnc铣磨好的微孔7，微孔7的直径2mm，同时为了减少蜂窝状玻璃板6侧壁对成膜的影响，蜂窝状玻璃板6的厚度0.8mm，固定完成后将该组合件进行超声清洗。
59.第四步进行镀膜，镀膜方式为在真空环境下，以氟化钇作为低折射率靶材，硒化锌作为高折射率靶材，通过阻蒸蒸发，在硒化锌镜片基底的两侧沉积形成氟化钇膜和硒化锌交替堆叠的半透半反膜，蒸发时向真空室内通入氧气，镀膜机温度设定为150℃，使其膜层牢固度增强，最终所镀单侧氟化钇和硒化锌半透半反射膜的厚度为8.5um。
60.第五步，在镀膜完成后，通过飞秒激光切割技术分离各空心环8，切割下来的超小硒化锌光学镜片的两侧连接着空心环8，即为本发明的宽光谱半透过半反射的标准具产品，硒化锌镜片基底，硒化锌镜片基底的两侧沉积形成氟化钇和硒化锌交替堆叠的半透半反膜，获得硒化锌光学镜片，硒化锌光学镜片的两侧对称粘结设置有空心环结构，如图5所示，应用于超薄非线性倍频晶体倍频器、超薄标准具、高热光系数的温度可调谐标准具。
61.针对上述获得的宽光谱半透过半反射的标准具产品进行相关性能的测试，具体如下：
62.1、厚度测试
63.测试条件：mitutoyo千分表(测量精度1um)；
64.选取5个上述获得的光学镜片产品，针对每片随机选取5个点进行厚度测试，测试结果如下所示，可看出本发明获得的光学镜片厚度均小于100um，且镜片厚度一致性很好(单位：um)：
[0065][0066][0067]
2、反射曲线测试：
[0068]
测试条件：傅立叶变换红外光谱仪，型号iraffinity-1-岛津；
[0069]
现有技术采用石英玻璃或者硅片制作的标准具，只能针对某个波段具有高反特性，而激光器的波段也是固定在某个特征波段，所以会导致某种激光器的标准具与其他的标准具之间没有相互适用性，每一种激光器需要配对相应波段的标准具做滤波和调谐。
[0070]
本发明制备的标准具，具有很好的各波段使用范围，如图5和图6所示，在可见光波段、1064nm波段、1550nm波段、10600nm波段均具有很强的反射波峰，反射值在85
±
5％，可见光和红外波段皆可适用，本发明提供的此种宽光谱半透过半反射的标准具，只要一个标准
具就可以调谐四种激光器：钛宝石激光器(波长700～900nm)、yag激光器(波长1064nm)，光纤激光器(波长1550～1650nm)和二氧化碳激光器(波长9.2～10.8um)。
[0071]
3、表面面型测试
[0072]
测试条件：zygo干涉仪，型号4inch gpix/d；
[0073]
随机选取1个上述获得的标准具产品，通过zygo干涉仪进行测试，图7中显示的干涉条纹，无明显扭曲的现象，干涉条纹的平行度很好，说明标准具产品的表面面型优异，应力变形很少；同时图8中不同颜色代表不同面型高度，可看出产品表面的高度差很小，产品面精度很高。
[0074]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种宽光谱半透过半反射的标准具，其特征在于：包括硒化锌镜片基底，所述硒化锌镜片基底的两侧通过物理气相沉积形成氟化钇膜和硒化锌交替堆叠的半透半反膜，获得硒化锌光学镜片，所述硒化锌光学镜片的两侧对称粘结设置有空心环。2.根据权利要求1所述的一种宽光谱半透过半反射的标准具，其特征在于：所述硒化锌镜片基底的厚度为100um以下，双侧所述氟化钇膜和硒化锌半透半反膜的厚度介于8～10um。3.根据权利要求1所述的一种宽光谱半透过半反射的标准具，其特征在于：所述硒化锌光学镜片和空心环之间粘结采用uv胶或者耐高温胶。4.一种如权利要求1～3任意一项所述的宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：(1)通过化学机械抛光法对硒化锌毛坯进行第一面的加工；(2)通过光胶上盘法对硒化锌毛坯的第二面进行减薄抛光，获得厚度小于100um的硒化锌镜片基底；(3)将第(2)步获得的硒化锌镜片基底两侧对称的粘贴两块蜂窝状玻璃板以固定，同时将该组合件进行超声清洗；(4)在真空环境下，以氟化钇作为低折射率靶材，硒化锌作为高折射率靶材通过阻蒸坩埚蒸发，硒化锌镜片基底的两侧通过物理气相沉积沉积形成氟化钇膜和硒化锌交替堆叠的半透半反膜；(5)镀膜完成后，通过飞秒激光切割技术分离出各空心环，切割下来的硒化锌光学镜片的两侧连接着空心环，即为本发明的宽光谱半透过半反射的标准具产品；(6)针对获得的宽光谱半透过半反射的标准具产品进行相关性能的测试。5.根据权利要求4所述的一种宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，其特征在于：上述第(1)步中的化学机械抛光法包括如下步骤，(a)将方形的硒化锌晶体用金刚石套筒下料至所需直径；(b)将硒化锌晶棒周圈损伤层用滚圆机去除；(c)将滚圆后的晶棒切成厚度为1mm的薄片；(d)对薄片四周进行保护性倒角；(e)用双面研磨机将镜片研磨至0.5mm厚，去除表面线痕；(f)采用沥青将镜片粘结在玻璃基板上，用模压压平，确保镜片的平整度；(g)继续用固着有3um的金刚石研磨垫进行细磨，进一步降低损伤层，此时加工完成后镜片为0.2mm；(h)单面抛光，去除10～20um，抛光过程中不断检查表面质量和面型度，要求面型达到1/5λ@633nm，表面无肉眼可见的划痕；(i)下盘前将镜片连同玻璃基板先用水冲洗干净表面的抛光液，再在表面喷上保护漆，防止后续作业转运过程中划伤表面，进而用热吹风机进行加热，使镜片与玻璃基板脱离；(j)将镜片放置在超声波清洗机中清洗干净，此时硒化锌毛坯的第一面加工完成。6.根据权利要求4所述的一种宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，其特征在于：上述第(2)步中的光胶上盘法为，将光胶模放置在工作台上，检查表面并用酒精和棉签将表面的灰尘去除，在光胶模外套设定位模板，将加工完成一面的硒化锌毛坯通过吸笔吸住放
至定位模板中，按压排除硒化锌毛坯与光胶模之间的空气，待两面之间无干涉条纹时说明两个面完全贴合，将所有硒化锌毛坯上盘完成后，移除定位模板，并在硒化锌毛坯四周涂上防水保护漆且烘干，接着通过金刚石研磨垫磨削至110um以下，进而进行抛光，过程中不断测量镜片的厚度，当镜片厚度达到目标厚度时(<100um)完工，下盘并清洗。7.根据权利要求6所述的一种宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，其特征在于：所述定位模板上通过数控机床开好与硒化锌毛坯形状相同的定位孔，定位孔的直径比硒化锌毛坯大0.1～0.2mm，定位模板优选电木、铁氟龙或者ppf材质。8.根据权利要求4所述的一种宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，其特征在于：上述第(3)步中蜂窝状玻璃板上设置有采用激光切割或者cnc铣磨好的微孔，直径介于1～3mm，同时蜂窝状玻璃板的厚度介于0.5～1.0mm。9.根据权利要求4所述的一种宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法，其特征在于：上述第(4)步中，在物理蒸发镀膜时同时向真空室内通入氧气，温度为150℃，使其膜层牢固度增强。10.根据权利要求1～3任意一项所述的一种宽光谱半透过半反射的标准具，在超薄非线性倍频晶体倍频器、超薄标准具、高热光系数的温度可调谐标准具中的应用。

技术总结
本发明公开了一种宽光谱半透过半反射的标准具，包括硒化锌镜片基底，所述硒化锌镜片基底的两侧通过物理气相沉积形成氟化钇膜和硒化锌交替堆叠的半透半反膜，获得硒化锌光学镜片，所述硒化锌光学镜片的两侧对称粘结设置有空心环；本发明同时提供了该宽光谱半透过半反射的标准具的制备方法及其应用；通过上述方式，本发明能够高效的生产出标准具，同时以硒化锌作为标准具的镜片，具有很好的多个波段使用范围，在可见光和红外段皆可适用，极大提高了单个标准具的使用范围。了单个标准具的使用范围。了单个标准具的使用范围。


技术研发人员：吴砺 邹维 张昌松 郭海涛 金麒麟 雍万军 宁庆华
受保护的技术使用者：贰陆光学（苏州）有限公司
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/4