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滤光片波长发生漂移的原因

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滤光片除了吸潮引起的中心波长漂移以外,温度升 高引起的膜层折射率的变化,以及膜系热膨胀引 起的厚度变化也会引起膜层光学厚度的变化,从 而导致中心波长发生漂移.不仅如此,由于基板 的热膨胀系数与膜系的热膨胀系数不同,在受热 的情况下,膜系会受到基板应力的作用发生弹性 形变,从而聚集密度发生变化,也会导致中心波长 发生漂移。

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主要的因素就是材料的 折射率温度系数、基板的线性热膨胀系数、材料的 泊松比、膜系的线性热膨胀系数、膜层的聚集密度 等.目前关于各种材料的折射率随温度变化的数 据非常缺乏,尤其是薄膜形态材料的数据.据文 献报道,不同材料的折射率温度的变化差异很大, 比如碲化物呈现出负的数值11,而一般材料折射 率都随温度的上升而增大.在我们的膜系中,由 于是SiO2作为间隔层,因此SiO2的折射率温度 系数起主要的作用.文献中有晶体石英在可见光 范围内o光和e光的折射率12,见表3.也有熔融 石英在红外的折射率温度系数,在1550nm时约 为+ 1.1× 10-5 /℃ 5,但是很难查到在可见光区域 内的数据.根据上述的数据,我们可以推断可见 光区SiO2薄膜的折射率温度系数大概为+ 0.5× 10-5 /℃左右.基板的热膨胀系数,对K9玻璃在 -30~ 70℃范围内为74× 10-7 /℃ ,在100~300℃范围内为86× 10-7 /℃ 5.膜系的热膨胀系 数在5.5× 10-7 /℃左右,泊松比取0.1.

石英晶体的折射率温度系数

根据以上的理论分析和参量设定,计算得到 在70℃以下,绿色滤光片的中心波长的温度漂移 为-0.00088nm/℃ ,在100℃以上,中心波长的 温度漂移为-0.001459nm/℃ ,对于不同颜色的 滤光片,数值略有不同,但量级都在-1× 10-3 nm/℃ ,10℃的温度变化也只会引起-10-2nm量 级的漂移,而实验观测到的漂移无论对单片还是 胶合样品都在1nm的量级,所以上述计算的结果 并不是主要因素.

对于双片胶合的样品而言,聚集密度不等于 1时,其中的空隙多由水汽所填充,胶合以后,这 些水分子仍然存在,不能蒸发脱离出薄膜.根据 文献显示13,水的折射率温度变化相对薄膜材料 是比较大的,具体数据见表4.它的量级在 10-4 /℃ ,比SiO2高一个量级,并且随着温度的上升,折射率下降速度加快.对于聚集密度0.9而 言,水分子折射率温度系数的作用跟膜层材料的 作用已经可比拟,甚至更大.

不同温度水的折射率随波长的变化

从表中我们看到,水的折射率从20℃到80℃ 下降了大约0.01,按照0.9的聚集密度来计算, 由膜层中的水折射率下降引起膜层折射率温度系 数-2× 10-5 /℃ ,可见它完全可以抵消SiO2折射 率随温度的上升,使整个膜系呈现负的折射率温 度系数,此时膜系的折射率系数变为-1.5× 10-5 nm/℃ ,室温到70℃的温度漂移是-0.6nm,跟实 验结果0~ -2nm处于同一个数量级.对于70℃ 以上的情况,没有水的折射率变化的数据,但考虑 到100℃以后水从液态逐渐变为气态,折射率的 下降会更快,所以从这个角度能够合理解释胶合 滤光片中心波长随温度的短移.

我们认为,对于未胶合单片的滤光片,室温下薄膜柱状结构中的空隙几乎完全被水分子所填 充,在温度上升到70℃时,柱状结构中80%~ 90%左右的水分子被蒸发脱离出薄膜,而在70℃ 到120℃的时候,剩余的10~ 20%左右的水分子 也被蒸发脱离出薄膜.因此导致了在70℃到 120℃的中心波长漂移.实验数据中这种漂移的 数值在1~ 2.5nm之间,确实是室温到70℃漂移 值的1/5左右.实验还反映,100℃到120℃的漂 移小于70℃到100℃范围的漂移,这也符合我们 的分析.


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