CN104730608B - 一种远紫外宽带反射滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种远紫外宽带反射滤光片，包括：基底和Al/MgF2非周期多层膜；所述Al/MgF2非周期多层膜设置在所述基底上；所述Al/MgF2非周期多层膜由交替设置的Al膜和MgF2膜组成，其中Al膜的光学厚度为L，MgF2膜的光学厚度为H，满足H>L；远离所述基底的最后一层膜为MgF2膜。本发明在不增加光学元件，也不增加额外的加工步骤的基础上，制作Al/MgF2非周期多层膜，通过抑制带外波段反射率，提高广角极光成像仪成像质量。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜领域，具体涉及一种远紫外宽带反射滤光片。
背景技术
在地磁场的作用下，太阳风中的高能带电粒子与大气层中的气体碰撞，产生炫目的大气发光现象，我们称之为极光。这一现象包含了诸如地磁层不同区域的时空信息、能流、加速过程、粒子能量特征等参数。因此，极光的研究对空间天气预报有非常重要的作用。上世界80年代，国外开始对极光的远紫外(FUV，115-180nm)辐射进行成像和光谱成像观测。相关的卫星载荷型号包括：DE-1,Viking，Polar，IMAGE等。极光的FUV辐射主要有OⅠ(130.4nm,135.6nm)和N2LBH(140-180nm)。在针对某一特征谱线研究时，需要抑制其他极光的FUV辐射波段、可见光和太阳真空紫外辐射波段的影响，特别是太阳光谱中H的Lyman-alpha辐射线(121.6nm)。因此，在这些型号中，都使用了FUV滤光片。
我国在风云三号卫星上，搭载了广角极光成像仪，目的是对N2LBH(140-180nm)波段进行成像观测。它需要一种远紫外宽带反射滤光片，能够在140-180nm波段保证较高的反射率，同时在121.6nm,130.4nm,135.6nm和真空紫外及可见波段具有较好的反射抑制效果。
发明内容
本发明为了满足广角极光成像的需要，提供一种远紫外宽带反射滤光片，该滤光片在保证140-180nm波段有较高的反射率的前提下，使在121.6nm，130.4nm，135.6nm和真空紫外及可见波段的反射率得到有效的抑制。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种远紫外宽带反射滤光片，包括：基底和Al/MgF2非周期多层膜；
所述Al/MgF2非周期多层膜设置在所述基底上；
所述Al/MgF2非周期多层膜由交替设置的Al膜和MgF2膜组成，其中Al膜的光学厚度为L，MgF2膜的光学厚度为H，满足H>L；远离所述基底的最后一层膜为MgF2膜。
在上述技术方案中，所述基底为熔石英基底。
在上述技术方案中，所述基底的表面粗糙度小于2nm。
在上述技术方案中，所述Al/MgF2非周期多层膜的制备方法为电子束热蒸发方法。
本发明的有益效果是：
本发明在不增加光学元件，也不增加额外的加工步骤的基础上，制作Al/MgF2非周期多层膜，通过抑制带外波段反射率，提高广角极光成像仪成像质量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明一种提高远紫外光谱纯度的非周期多层膜结构示意图。
图2为波长在120-220nm的光照射Al/MgF2周期多层膜(H/L＝1,>1)时，波长与反射率之间关系的理论计算示意图，入射角22°。
图3为波长在120-220nm的光照射本发明的Al/MgF2非周期多层膜时，波长与反射率之间关系的理论计算示意图，入射角22°。
图4为波长在120-220nm的光照射本发明的Al/MgF2非周期多层膜时，波长与反射率之间关系的理论计算及实验结果示意图，入射角22°。
图5为波长在120nm-760nm的光照射本发明的Al/MgF2非周期多层膜时，波长与反射率之间关系的实验结果示意图，入射角8°。
具体实施方式
本发明的发明思想为：本发明利用一种改进的π-多层膜滤光片设计方法，在保证一个周期厚度等于0.5个工作波长前提下，降低金属薄膜材料层厚度，进而达到展宽高反射率工作波长范围，抑制带外反射的目的。进而提出一种远紫外宽带反射滤光片，该滤光片包括：基底和Al/MgF2非周期多层膜；所述Al/MgF2非周期多层膜设置在所述基底上。所述Al/MgF2非周期多层膜由交替设置的Al膜和MgF2膜组成，其中Al膜的光学厚度为L，MgF2膜的光学厚度为H，满足H>L；远离所述基底的最后一层膜为MgF2膜。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种远紫外宽带反射滤光片，该滤光片包括：熔石英基底和Al/MgF2非周期多层膜；所述Al/MgF2非周期多层膜采用电子束热蒸发方法制作在所述熔石英基底上。所述基底的表面粗糙度小于2nm。
该滤光片是用改进的π-多层膜技术设计的。
H+L＝0.5λr (1)
π-多层膜技术是由Zukic和Torr提出的。在π-多层膜体系中，周期厚度等于0.5个控制波长。可用公式(1)来描述，H表示一个周期厚度里高折射率材料光学厚度，L表示低折射率材料光学厚度。Zukic和Torr在设计远紫外介质多层膜滤光片时，在确保一个周期厚度等于0.5个工作波长前提下，减少高折射率介质材料厚度。在远紫外波段，相对于低折射率介质材料，高折射率介质材料有较高的消光系数。通过减少高折射率介质材料厚度(H<L)，减少吸收，进而可以提高反射率和调整带宽。我们在设计140-180nm滤光片时，也采用了这一技术。
本发明采用了低折射率材料金属Al，1/4波长光学厚度的单层Al膜在120-220nm具有>90％的高反射率。这是因为Al具有较高的消光系数，而折射率n<<1。从公式(2)中可以看出单层Al膜的反射率主要是由消光系数k决定的。
而MgF2在120-220nm波段是透明的。因此，我们在确保一个周期厚度等于0.5个工作波长前提下，减少低折射率Al膜的光学厚度，即H>L。通过调整L的厚度，设计出符合光谱要求的初始周期膜系。然后对初始周期膜系做进一步优化，最终得到符合要求的多层Al/MgF2非周期膜系。
根据设计的多层Al/MgF2非周期膜系，制备滤光片。使用的材料是Al和MgF2。制备方法采用电子束热蒸发。薄膜厚度采用晶振控制。该滤光片可通过以下方式实现：将该多层膜设置在一个基底上，该基底的表面粗糙度小于2nm。在该基底上镀制上非周期多层膜，然后用反射率计对其反射率进行表征。
如图1所示，该多层膜的结构是由交替的MgF2层2和Al层3被设置在基底1上，最后一层是MgF2。
图2为波长在120-220nm的光照射Al/MgF2周期多层膜(H/L＝1,>1)时，波长与反射率之间关系的理论计算示意图，入射角22°。当H/L＝1，多层膜在120-220nm反射率>70％，在120-137nm及181-220nm波段没有抑制效果，不符合设计要求；当H/L>1，多层膜在140-180nm平均反射率>60％，在120-137nm及181-220nm波段反射率较低，有一定抑制效果。
图3为波长在120-220nm的光照射本发明的Al/MgF2非周期多层膜时，波长与反射率之间关系的理论计算示意图，入射角22°。图2中的初始膜系(H/L>1)在120-137nm及181-220nm波段的抑制效果可进一步提高。我们进一步优化初始膜系，得到了如图3所示的理论设计曲线，该曲线满足设计要求。多层膜在140-180nm平均反射率>60％，在120-137nm及181-220nm波段反射率<5％，有较好的抑制效果。
图4为波长在120-220nm的光照射本发明的Al/MgF2非周期多层膜时，波长与反射率之间关系的理论计算及实验结果示意图,入射角22°。制备得到的多层膜反射率曲线与理论设计曲线有一些差距，原因在于存在膜厚误差和光学常数差别。该滤光片在140-180nm平均反射率>50％，在120-137nm及181-220nm波段反射率<12％，有较好的抑制效果。
图5为波长在120nm-760nm的光照射本发明的Al/MgF2非周期多层膜时，波长与反射率之间关系的实验结果示意图,入射角8°。该滤光片除了在320nm处有34％的反射率外，在近紫外和可见波段反射率<10％,有较好地抑制效果。
从图4和图5可以看出，本发明的滤光片满足广角极光成像仪的光谱要求，具有较好的光谱性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种远紫外宽带反射滤光片，其特征在于，包括：基底和Al/MgF2非周期多层膜；
所述Al/MgF2非周期多层膜设置在所述基底上；
所述Al/MgF2非周期多层膜由交替设置的Al膜和MgF2膜组成，其中Al膜的光学厚度为L，MgF2膜的光学厚度为H，满足H>L；远离所述基底的最后一层膜为MgF2膜；H和L满足关系式为：H+L＝0.5λr，其中，λr为工作波长。
2.根据权利要求1所述的远紫外宽带反射滤光片，其特征在于，所述基底为熔石英基底。
3.根据权利要求1所述的远紫外宽带反射滤光片，其特征在于，所述基底的表面粗糙度小于2nm。
4.根据权利要求1所述的远紫外宽带反射滤光片，其特征在于，所述Al/MgF2非周期多层膜的制备方法为电子束热蒸发方法。
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