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            深圳市賡旭光電科技有限公司

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            濾光片波長發生漂移的原因

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            濾光片除了吸潮引起的中心波長漂移以外,溫度升 高引起的膜層折射率的變化,以及膜系熱膨脹引 起的厚度變化也會引起膜層光學厚度的變化,從 而導致中心波長發生漂移.不僅如此,由于基板 的熱膨脹系數與膜系的熱膨脹系數不同,在受熱 的情況下,膜系會受到基板應力的作用發生彈性 形變,從而聚集密度發生變化,也會導致中心波長 發生漂移。

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            主要的因素就是材料的 折射率溫度系數、基板的線性熱膨脹系數、材料的 泊松比、膜系的線性熱膨脹系數、膜層的聚集密度 等.目前關于各種材料的折射率隨溫度變化的數 據非常缺乏,尤其是薄膜形態材料的數據.據文 獻報道,不同材料的折射率溫度的變化差異很大, 比如碲化物呈現出負的數值11,而一般材料折射 率都隨溫度的上升而增大.在我們的膜系中,由 于是SiO2作為間隔層,因此SiO2的折射率溫度 系數起主要的作用.文獻中有晶體石英在可見光 范圍內o光和e光的折射率12,見表3.也有熔融 石英在紅外的折射率溫度系數,在1550nm時約 為+ 1.1× 10-5 /℃ 5,但是很難查到在可見光區域 內的數據.根據上述的數據,我們可以推斷可見 光區SiO2薄膜的折射率溫度系數大概為+ 0.5× 10-5 /℃左右.基板的熱膨脹系數,對K9玻璃在 -30~ 70℃范圍內為74× 10-7 /℃ ,在100~300℃范圍內為86× 10-7 /℃ 5.膜系的熱膨脹系 數在5.5× 10-7 /℃左右,泊松比取0.1.

            石英晶體的折射率溫度系數

            根據以上的理論分析和參量設定,計算得到 在70℃以下,綠色濾光片的中心波長的溫度漂移 為-0.00088nm/℃ ,在100℃以上,中心波長的 溫度漂移為-0.001459nm/℃ ,對于不同顏色的 濾光片,數值略有不同,但量級都在-1× 10-3 nm/℃ ,10℃的溫度變化也只會引起-10-2nm量 級的漂移,而實驗觀測到的漂移無論對單片還是 膠合樣品都在1nm的量級,所以上述計算的結果 并不是主要因素.

            對于雙片膠合的樣品而言,聚集密度不等于 1時,其中的空隙多由水汽所填充,膠合以后,這 些水分子仍然存在,不能蒸發脫離出薄膜.根據 文獻顯示13,水的折射率溫度變化相對薄膜材料 是比較大的,具體數據見表4.它的量級在 10-4 /℃ ,比SiO2高一個量級,并且隨著溫度的上升,折射率下降速度加快.對于聚集密度0.9而 言,水分子折射率溫度系數的作用跟膜層材料的 作用已經可比擬,甚至更大.

            不同溫度水的折射率隨波長的變化

            從表中我們看到,水的折射率從20℃到80℃ 下降了大約0.01,按照0.9的聚集密度來計算, 由膜層中的水折射率下降引起膜層折射率溫度系 數-2× 10-5 /℃ ,可見它完全可以抵消SiO2折射 率隨溫度的上升,使整個膜系呈現負的折射率溫 度系數,此時膜系的折射率系數變為-1.5× 10-5 nm/℃ ,室溫到70℃的溫度漂移是-0.6nm,跟實 驗結果0~ -2nm處于同一個數量級.對于70℃ 以上的情況,沒有水的折射率變化的數據,但考慮 到100℃以后水從液態逐漸變為氣態,折射率的 下降會更快,所以從這個角度能夠合理解釋膠合 濾光片中心波長隨溫度的短移.

            我們認為,對于未膠合單片的濾光片,室溫下薄膜柱狀結構中的空隙幾乎完全被水分子所填 充,在溫度上升到70℃時,柱狀結構中80%~ 90%左右的水分子被蒸發脫離出薄膜,而在70℃ 到120℃的時候,剩余的10~ 20%左右的水分子 也被蒸發脫離出薄膜.因此導致了在70℃到 120℃的中心波長漂移.實驗數據中這種漂移的 數值在1~ 2.5nm之間,確實是室溫到70℃漂移 值的1/5左右.實驗還反映,100℃到120℃的漂 移小于70℃到100℃范圍的漂移,這也符合我們 的分析.


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