CN103293577B - 以ZnSe为基底的4—14.5微米红外宽光谱分光膜 - Google Patents
以ZnSe为基底的4—14.5微米红外宽光谱分光膜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种以ZnSe晶体为基底的红外宽光谱分光膜，该分光膜的工作角度为0—30°，镀制在ZnSe基底上，以Ge和ZnSe为高低折射率材料，采用高低折射率交替的膜系设计方法获得折射率的匹配。大角度入射红外宽光谱分光膜在制备过程中采用了离子源辅助、合适的基底温度等特定工艺。该分光膜在入射角为0—30°时，能够实现均衡分光。本发明分光膜性能稳定，适合于干涉式大气探测技术中干涉系统的宽光谱分光使用。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术，具体指一种以ZnSe晶体为基底的对4-14.5μm红外宽光谱范围内的光学能量进行均衡分光的红外分光膜。
技术背景
大气垂直探测仪是气象卫星上搭载的主要红外遥感仪器之一，它采用基于傅里叶变换的干涉式光谱技术对大气辐射的光谱进行分光，而分束技术就是干涉式分光系统中的一项关键技术。由于大气垂直探测仪要对4-14.5μm范围内的大气光谱进行探测，因此要求分光膜的基底材料首先要保证在该范围内是透明的，而且考虑到对分光效率的影响，基底材料在该波段的吸收也必须尽可能小。目前红外分束技术的研究在国内尚属空白，而国外在上世纪70年代就有了类似产品的研制与应用。由于国外的技术限制，对于这些项目中分束技术的具体研制情况，从文献调研情况来看，甚少提及。唯一的一份资料显示：法国的I.A.S.I其光谱覆盖范围是3.5-15.5um，选用几乎没有吸收的KBr作为基底材料，由于其折射率较低（n=1.5），因而反射损耗较小，背面无需镀制消色差宽光谱增透膜。但是，KBr晶体具有很强的吸湿性，导致其空间可靠性很差，需要进行镀制特殊保护膜。国内目前还不具备大口径KBr晶体的冷加工和进行特殊保护的能力，因此我们选用了光学性能较好的ZnSe晶体作为基底材料。虽然ZnSe晶体在长波区域存在一定的吸收，但是其优良的光学均匀性、良好的机械硬度和稳定性，决定了其具有良好的空间可靠性。它的研制成功对于我国的大气垂直探测技术具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种以ZnSe为基底的红外宽光谱分光膜，对4-14.5μm光谱范围内的光谱辐射进行均衡分光，以满足航天遥感大气垂直探测仪干涉系统的分光需求。
本发明的技术方案是：采用考虑介质吸收的交替折射率膜系设计思想进行分光膜的设计。
为了能够实现均衡分光，在满足T+R+A＝1的条件下，唯一能做的就是尽可能减少吸收。在宽光谱分光膜系设计时，将基底、膜层材料ZnSe和Ge的n、k值全部考虑进来。为了实现大角度入射宽光谱均衡分光膜，设计时采用交替折射率膜系设计方法作为解决方案，其主要思想是用高低折射率交替的、带有极薄层的多层膜结构来展宽带宽，同时获得折射率的匹配。最后通过软件优化获得可用的分光膜系，同时通过局部优化控制极个别关键层的厚度，实现高效均衡分光。
根据以上分析，该分光膜的实现包括以下步骤：
1.膜系的结构
大角度入射红外宽光谱分光膜1膜系为：
ns/0.836L0.6H1.5L0.84H1.2L0.675H1.09L0.444H1.964L0.198H1.482L0.763H0.586L0.892H0.989L/n0
式中各符号的含义分别为：ns为基底；n0为空气；L表示光学厚度为λ0/4的硒化锌（ZnSe）膜层；H表示光学厚度为λ0/4的锗（Ge）膜层。λ0为中心波长；H、L前的数字为λ0/4光学厚度比例系数乘数。
2.膜层制备方法
膜层制备是在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备上进行的，Ge采用电子束蒸发沉积，ZnSe采用电阻加热蒸发沉积，全过程采用离子束辅助沉积，离子源为霍尔源，具体参数为：阳极电压200V，阴极电流14A。通过膜层材料试验结果分析表明：基底温度控制在时，膜层具有很好的牢固度；在该温度下，电子束蒸发沉积所得的Ge膜层具有更加致密的结构，同时长波端吸收也比阻蒸沉积所得膜层的吸收小。离子束辅助沉积对于减小膜层间应力，提高膜层可靠性具有重要作用。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提供了一种以ZnSe为基底的4—14.5μm红外宽光谱分光膜，0—30°角入射条件下，在4—14.5μm光谱范围内能够实现均衡分光，分光效率E>92%。
2.本发明采用了特定工艺，减小了材料在长波端的吸收，提高了分光效率和空间可靠性。
3.本发明的技术方案合理可行，产品性能稳定，可广泛应用于傅里叶变换光谱仪中的分光系统。
附图说明
图1是分光膜层结构示意图，图中：
1—宽光谱红外分光膜层；
2—ZnSe基底。
图2a是三种基底温度下的分光膜实测透射率曲线（30°入射）；b是三种基底温度下的分光膜实测反射率曲线（30°入射）。
图3是分光膜的分光效率和T/R曲线（30°入射）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明实施例的具体技术指标要求为：
| 光谱覆盖范围 | 分束面透/反射能量比 | 分光效率 |
| 4~14.5 | T/R=0.8-1.2 | E=4RT=0.9~1 |
基底材料为ZnSe，最大入射角为30°。
根据技术要求，以红外光学晶体ZnSe作为基底，要实现4—14.5μm红外波段高效均衡分光，膜系和工艺设计上首先要考虑尽可能减小T+R+A＝1中的A即吸收，因此合适的膜层镀制工艺非常重要。在膜系设计中采用了高低折射率交替的、带有极薄层的多层膜结构代替渐变折射率模型，从而获得折射率的匹配，展宽了带宽。最后通过膜系设计软件进行膜系优化，得到最终的分光膜系为：
ns/0.836L0.6H1.5L0.84H1.2L0.675H1.09L0.444H1.964L0.198H1.482L0.763H0.586L0.892H0.989L/n0
H、L分别为Ge和ZnSe。
在本实施例中，分别在180℃、190℃和200℃的基底温度下，制备了红外宽光谱分光膜。Ge采用电子束蒸发沉积，ZnSe采用电阻加热蒸发沉积，全过程采用离子束辅助沉积。
从图2、3可以看出，三种温度下制备的分光膜光学性能相近。本发明所研制的分光膜在30°入射角时，在4—14.5μm工作光谱范围内T/R=0.8—1.2，分光效率E>92%，能够实现均衡分光。因此本发明所研制的分光膜能够达到大气垂直探测仪干涉系统的使用要求。
Claims (4)
1.一种以ZnSe晶体为基底的红外宽光谱分光膜，它在ZnSe基底(2)上制备宽光谱红外分光膜(1)，从而实现入射角为0—30°时在4—14.5μm宽光谱范围内均衡的能量分光，其特征在于：
所述的宽光谱红外分光膜(1)的膜系结构为：
基底/0.836L0.6H 1.5L0.84H 1.2L0.675H 1.09L0.444H 1.964L0.198H1.482L0.763H 0.586L0.892H 0.989L/空气
式中：L表示光学厚度为λ0/4的硒化锌膜层；H表示光学厚度为λ0/4的锗膜层；λ0为中心波长；H、L前的数字为该膜层的厚度系数。
2.根据权利要求1所述的一种以ZnSe晶体为基底的红外宽光谱分光膜，其特征在于：所述的锗膜层采用电子束蒸发沉积。
3.根据权利要求1所述的一种以ZnSe晶体为基底的红外宽光谱分光膜，其特征在于：所述的硒化锌膜层采用电阻加热蒸发沉积。
4.根据权利要求1所述的一种以ZnSe晶体为基底的红外宽光谱分光膜，其特征在于：在所述的红外宽光谱分光膜制备过程中ZnSe基底(2)的温度控制在180℃—200℃。
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