红外窄带滤光片的倾斜入射性能改善研究学术报告

作者及发表信息
本研究由索雷博光电科技（上海）有限公司的翁煜菲完成，发表于《集成电路应用》2020年第37卷第6期（总第321期），文章标题为《红外窄带滤光片的倾斜入射性能改善研究》（英文标题：*Study on Improvement of Inclined Incidence Performance of Infrared Narrow Band Filter*）。

学术背景
红外窄带滤光片是气体探测器的核心光学元件，其作用是通过特征波长（如二氧化碳探测的4.26 μm）的选择性透射实现气体浓度检测。传统滤光片在垂直入射时性能优异，但倾斜入射时因薄膜光学参数变化导致性能急剧下降：探测角度超过±30º时，中心波长漂移、偏振效应和非工作光干扰加剧，限制了探测器视场角的拓展。本研究基于光学薄膜理论，针对倾斜入射引起的有效膜厚减小（effective optical thickness）和有效折射率改变（effective refractive index）两大问题，提出膜系设计优化方案，目标将探测角拓宽至±45º（即90º视场），同时控制波长漂移在120 nm以内。

研究流程与实验方法
1. 问题分析与理论建模
- 倾斜入射效应机制：通过麦克斯韦电磁理论推导薄膜倾斜入射时的光学参数变化公式。
- 有效膜厚：由式（1）*opd=2nd×cosθ*可知，倾斜入射时折射角θ增大，导致等效膜厚减小，引发光谱短移（波长漂移δg=θ₀²/(2n*²)）。
- 有效折射率：s偏振光（ns=n×cosθ）和p偏振光（np=n/cosθ）的折射率分离，导致高反射膜对p光的截止能力下降（式7-8）。
- 研究对象：以中心波长4.26 μm的二氧化碳探测滤光片为例，其膜系由窄带主峰膜系（透射带）和截止膜系（反射堆+材料吸收）组成。

1. 主峰膜系优化

   • 原设计缺陷：采用“低折射率（一氧化硅）、单半波腔层”结构，45º入射时波长漂移达300 nm，透过率归零。
     
   • 改进方案：
     
     • 高折射率腔层：用锗（n=4.0）替代一氧化硅（n=1.68），提升等效折射率n*（式6）。
       
     • 增加半波数：通过式（5）计算发现，三半波腔层（m=3）可使n*²提升至9.76，漂移幅度降至110 nm（原设计的37%）。
       
     • 偏振抑制：高折射率腔层使光从低折射率层入射，缩小ns与np差异（cosθ趋近1）。
       
   • 优化结果：新膜系（基底//1l 6h 1l 1h 1l 6h 1l 1h 1l 6h 1l 1l//空气）在45º入射时透过率保留25%，波长漂移仅110 nm（图2）。
     

2. 截止膜系优化

   • 问题：倾斜入射时p光反射带宽缩窄（45º时从1,440 nm降至1,150 nm），导致衔接处漏光（透过率0.8%）。
     
   • 改进措施：
     
     • 增设反射堆：在反射膜衔接处增加过渡层，填补p光截止缺口。
       
     • 角度预补偿设计：以45º入射为原始设计角度，确保0º~45º范围内截止性能达标。
       
     • 长波修正：利用一氧化硅的本征吸收截止8.5~9.5 μm波段，避免额外镀膜。
       

主要结果与逻辑链条
1. 主峰性能提升：高折射率+三半波腔层设计将45º入射的波长漂移从300 nm降至110 nm，透过率从0%恢复至25%（图2），满足探测器视场角需求。
2. 截止带稳定性增强：通过反射堆层数优化和角度预补偿，p光在45º入射时的截止深度从0.06%改善至<0.1%，消除漏光现象（图4）。
3. 理论验证：所有改进均基于薄膜光学公式（式1-8）的数值计算，并通过实际镀膜与光谱测试验证。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了倾斜入射下薄膜参数变化的定量关系，提出通过等效折射率调控和偏振补偿的通用优化路径。
2. 应用价值：改进后的滤光片使探测器视场角从±30º拓宽至±45º，显著提升气体探测器的环境适应性。
3. 技术亮点：
- 高折射率多半波腔层设计：首次将锗基三半波结构应用于红外滤光片，平衡了漂移抑制与工艺可行性。
- 角度预补偿方法：为宽角度光学薄膜设计提供新思路。

创新点与局限性
- 创新：将传统垂直入射设计转向倾斜入射优化，结合材料吸收与反射堆设计降低生产成本。
- 局限：半波数过多（m>3）可能导致膜层应力问题，需进一步研究机械稳定性。

其他贡献
研究获上海市科技企业技术创新项目支持，相关成果可拓展至甲烷、一氧化碳等气体的红外探测领域。

（注：文中图1-4为原文附图，展示膜系结构及光谱变化曲线。）