CN105842768B - 反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构 - Google Patents

反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm‑0.9μm光谱分光膜的膜系结构，包括透明基片和分光膜膜系，分光膜膜系由两种薄膜材料H和二氧化硅，按照结构Glass|(2/3H4/3SiO2)m|Air或Glass|(4/3H2/3SiO2)m|Air制备得到，其中薄膜材料H为二氧化钛、二氧化锆或五氧化二钽，m为重复周期；分光膜膜系中的部分膜层采用非极值层。该膜系结构对0.532μm及1.064μm的激光高反射，对0.6μm‑0.9μm的光高透过，并且能经受住高、低温存储，温度冲击等环境试验，附着力试验及中度摩擦试验。

Description

反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体为一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，用于机载、舰载、车载武器平台多波段共光路的光学系统中。
背景技术
当前高性能武器平台不断向着体积小、机动灵活、多功能集成、全天候作战的方向发展。多波段共窗口技术能够将可见、电视、激光和红外等多个谱段组合在一起，通过一个通用窗口来完成，以实现武器平台的小型化、多功能集成、全天候作战的目的，因此，在尖端武器平台的光电系统中的应用越来越广泛。反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光镜的膜系结构是采用多波段共窗口技术的光学系统中的关键器件，它能将0.532μm和1.064μm的激光与电视分成两个光路，在光学系统中主要起着分光的作用。
据查新，黄强等在2007年《光学技术》第33卷增刊，第147-149页，发表了题为“双波段激光防护多层反射膜的设计”的论文。在该论文中，作者从理论上对激光防护多层反射膜的光学性能进行分析，并采用1：2膜堆，设计了以氧化锆(ZrO2)和二氧化硅(SiO2)为膜层材料，聚碳酸酯(PC)为基底材料的多层反射薄膜。由于该论文是为实际应用所做的理论研究，因此其实用性不强；同时，该论文所述的膜系结构只当作反射镜来用，不能用来分光；再者，该膜系结构只是在光垂直入射的条件下，进行的理论设计，并没有考虑光带角度入射的情况，因此适用性受到了限制；最后，该膜系结构只在聚碳酸酯(PC)基底上实现，因此其应用不具备广泛性。
发明内容
本发明要解决的问题是：在多波段共窗口的光学系统中利用光学零件将0.532μm及1.064μm的光和0.6μm-0.9μm的光分开。针对这个问题本发明提出了一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，该膜系结构对0.532μm及1.064μm的激光高反射，对0.6μm-0.9μm的光高透过，并且能经受住高、低温存储，温度冲击等环境试验，附着力试验及中度摩擦试验。
本发明的技术方案为：
所述一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，包括透明基片和分光膜膜系，其特征在于：所述分光膜膜系由两种薄膜材料H和二氧化硅，按照结构Glass|(2/3H4/3SiO2)m|Air或Glass|(4/3H2/3SiO2)m|Air制备得到，其中薄膜材料H为二氧化钛、二氧化锆或五氧化二钽，m为重复周期；分光膜膜系中的部分膜层采用非极值层。
根据本发明的实施例，本发明还具有以下附加技术特征：
所述一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，其特征在于：透明基片采用冕牌玻璃、石英玻璃或火石玻璃。
所述一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，其特征在于：透明基片采用冕牌K9玻璃，分光膜膜系由二氧化钛和二氧化硅，按照结构Glass|(2/3TiO24/3SiO2)12|Air制备得到，镀制在K9玻璃上的第一膜层以及第二十四膜层为非极值膜层；第一膜层厚度为158.2mm，第二十四膜层厚度为121.8mm，其余偶数膜层厚度为245.2mm，奇数膜层厚度为83.3mm。
所述一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，其特征在于：透明基片采用石英玻璃，分光膜膜系由五氧化二钽和二氧化硅，按照结构Glass|(2/3Ta2O54/3SiO2)14|Air制备得到，镀制在石英玻璃上的第一膜层，以及第二、三、四、二十五、二十六、二十七、二十八膜层为非极值膜层；第一膜层厚度为551.5mm，第二膜层厚度为242.4mm，第三膜层厚度为127.8mm，第四膜层厚度为236.0mm，第二十五膜层厚度为102.6mm，第二十六膜层厚度为88.0mm，第二十七膜层厚度为88.0mm，第二十八膜层厚度为132.3mm，其余偶数膜层厚度为253.1mm，奇数膜层厚度为92.4mm。
所述一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，其特征在于：透明基片采用冕牌K9玻璃，分光膜膜系由二氧化锆和二氧化硅，按照结构Glass|(4/3ZrO22/3SiO2)18|Air制备得到，镀制在K9玻璃上的第一膜层，以及第二、三、三十四、三十五、三十六膜层为非极值膜层；第一膜层厚度为222.1mm，第二膜层厚度为62.6mm，第三膜层厚度为224.9mm，第三十四膜层厚度为103.7mm，第三十五膜层厚度为165.8mm，第三十六膜层厚度为97.5mm，其余偶数膜层厚度为130.7mm，奇数膜层厚度为200.8mm。
所述一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，其特征在于：透明基片采用ZF6火石玻璃，分光膜膜系由二氧化钛和二氧化硅，按照结构Glass|(2/3TiO24/3SiO2)13|Air制备得到，镀制在ZF6火石玻璃上的第一膜层，以及第二十六膜层为非极值膜层；第一膜层厚度为169.3mm，第二十六膜层厚度为135.3mm，其余偶数膜层厚度为272.3mm，奇数膜层厚度为92.4mm。
有益效果
本发明使用二氧化钛、二氧化锆或五氧化二钽等高折射率材料分别与二氧化硅，根据非等厚周期高反射膜的设计原理，采用1：2膜堆设计，将对0.532μm及1.064μm激光的反射和0.6μm-0.9μm光的透射在一个表面上实现，缩短了具有该功能的光学薄膜的制作周期，提高了镀膜效率。同时由于该膜系结构把由两个表面完成的任务集成在一个表面上完成，降低了膜层镀制时控制波长漂移的风险，从而提高了成品率；避免了镀制第二面时，第一面膜层由于高温而出现脱落或龟裂。本膜层能经受住《GJB 2485-95》中3.4.1.1附着力试验、3.4.2.1高低温存储试验，《GJB 150.5A-2009》温度冲击环境试验。
附图说明
图1是本发明反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构示意图。
图2是本发明实施例1的透射率曲线。
图3是本发明实施例2的透射率曲线。
图4是本发明实施例3的透射率曲线。
图5是本发明实施例4的透射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述：
反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光镜的膜系结构是采用多波段共窗口技术的光学系统中的关键器件，它能将0.532μm和1.064μm的激光与电视分成两个光路，在光学系统中主要起着分光的作用。为此，本发明提出了一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，该膜系结构对0.532μm及1.064μm的激光高反射，对0.6μm-0.9μm的光高透过，并且能经受住高、低温存储，温度冲击等环境试验，附着力试验及中度摩擦试验。
该膜系结构使用二氧化钛、二氧化锆或五氧化二钽等高折射率材料(H)分别和二氧化硅(SiO2)，根据非等厚周期高反射膜的设计原理，采用1：2膜堆，即Glass|(2/3H4/3SiO2)m|Air或Glass|(4/3H2/3SiO2)m|Air设计得到。第一膜层为高折射率材料(H)，镀制在透明基片表面上；第二膜层为二氧化硅(SiO2)，镀制在第一膜层上；第三膜层为高折射率材料，镀制在第二膜层上；第四膜层为二氧化硅，并镀制在第三膜层上；……，高折射率材料膜层与二氧化硅膜层交替镀制，直到镀膜结束。高折射率材料和二氧化硅材料的重复周期(m)和反射率要求有关，反射率要求越高重复的周期越多，反之，反射率要求越低，重复的周期越少(参见图1)。本发明可以根据实际应用的要求自由地选择高折射率材料和重复周期的大小。而且分光膜膜系中的部分膜层采用非极值层，用以消除通带的波纹及改善通带的透过率，因此其具备现有膜系结构所不具备的功能。
实施例1：光斜15°角入射，透明基片采用典型的冕牌玻璃K9玻璃，膜系结构为Glass|(2/3TiO24/3SiO2)12|Air，高折射率材料二氧化钛(TiO2)和二氧化硅两种薄膜材料膜层交替叠加构成。其中，第一膜层为非极值的二氧化钛镀制在所述K9玻璃基片的表面上；第二膜层为二氧化硅，镀制在所述第一膜层上；第三膜层为二氧化钛，镀制在所述第二膜层上；第四膜层为二氧化硅，并镀制在所述第三膜层上；……，二氧化钛和二氧化硅膜层交替至非极值的第二十四膜层，所述第一至第二十四膜层的厚度见表一。
表一 实施例1各层膜的厚度
膜层数 膜层材料 膜层厚度(nm)
1 TiO2 158.2
2 SiO2 245.2
3 TiO2 83.3
4 SiO2 245.2
5 TiO2 83.3
6 SiO2 245.2
7 TiO2 83.3
8 SiO2 245.2
9 TiO2 83.3
10 SiO2 245.2
11 TiO2 83.3
12 SiO2 245.2
13 TiO2 83.3
14 SiO2 245.2
15 TiO2 83.3
16 SiO2 245.2
17 TiO2 83.3
18 SiO2 245.2
19 TiO2 83.3
20 SiO2 245.2
21 TiO2 83.3
22 SiO2 245.2
23 TiO2 83.3
24 SiO2 121.8
经测试获得该膜层在0.532μm和1.064μm两点的反射率分别为99.80％和99.86％，在0.6μm-0.9μm波段的平均透过率为97.37％，参见图2。
实施例2：光斜25°角入射，透明基片采用石英玻璃，膜系结构为Glass|(2/3Ta2O54/3SiO2)14|Air，由五氧化二钽和二氧化硅两种薄膜材料膜层交替叠加构成。其中，第一膜层为非极值的五氧化二钽镀制在所述石英玻璃基片的表面上；第二膜层为非极值二氧化硅，镀制在所述第一膜层上；第三膜层为非极值五氧化二钽，镀制在所述第二膜层上；第四膜层为非极值二氧化硅，并镀制在所述第三膜层上；……，五氧化二钽和二氧化硅膜层交替直至非极值的第二十五、二十六、二十七、二十八膜层，所述第一至第二十八膜层的厚度见表二。
表二 实施例2各层膜的厚度
膜层数 膜层材料 膜层厚度(nm)
1 Ta2O5 551.5
2 SiO2 242.4
3 Ta2O5 127.8
4 SiO2 236.0
5 Ta2O5 92.4
6 SiO2 253.1
7 Ta2O5 92.4
8 SiO2 253.1
9 Ta2O5 92.4
10 SiO2 253.1
11 Ta2O5 92.4
12 SiO2 253.1
13 Ta2O5 92.4
14 SiO2 253.1
15 Ta2O5 92.4
16 SiO2 253.1
17 Ta2O5 92.4
18 SiO2 253.1
19 Ta2O5 92.4
20 SiO2 253.1
21 Ta2O5 92.4
22 SiO2 253.1
23 Ta2O5 92.4
24 SiO2 253.1
25 Ta2O5 102.6
26 SiO2 88.0
27 Ta2O5 88.0
28 SiO2 132.3
经测试获得该膜层在0.532μm和1.064μm两点的反射率分别为99.43％和99.67％，在0.6μm-0.9μm波段的平均透过率为97.83％，参见图3。
实施例3：光斜35°角入射，透明基片采用典型冕牌玻璃K9玻璃，膜系结构为Glass|(4/3ZrO22/3SiO2)18|Air，由二氧化锆(ZrO2)和二氧化硅两种薄膜材料膜层交替叠加构成。其中，第一膜层为非极值的二氧化锆镀制在所述K9玻璃基片的表面上；第二膜层为非极值二氧化硅，镀制在所述第一膜层上；第三膜层为非极值二氧化锆，镀制在所述第二膜层上；第四膜层为二氧化硅，并镀制在所述第三膜层上；……，二氧化锆和二氧化硅膜层交替至非极值的第三十四、三十五和三十六膜层，所述第一至第三十六膜层的厚度见表三。
表三 实施例3各层膜的厚度
经测试获得该膜层在0.532μm和1.064μm两点的反射率分别为99.80％和99.76％，在0.6μm-0.9μm波段的平均透过率为98.97％，参见图4。
实施例4：光斜45°角入射，透明基片采用火石玻璃ZF6玻璃，膜系结构为Glass|(2/3TiO24/3SiO2)13|Air，由二氧化钛和二氧化硅两种薄膜材料膜层交替叠加构成。其中，第一膜层为非极值二氧化钛，镀制在所述火石玻璃ZF6基片的表面上；第二膜层为二氧化硅，镀制在所述第一膜层上；第三膜层为二氧化钛，镀制在所述第二膜层上；第四膜层为二氧化硅，并镀制在所述第三膜层上；……，二氧化钛和二氧化硅膜层交替至非极值的第二十六膜层；所述第一至第二十六膜层的厚度见表四。
表四 实施例4各层膜的厚度
经测试获得该膜层在0.532μm和1.064μm两点的反射率分别为99.61％和99.81％，在0.6μm-0.9μm波段的平均透过率为98.24％，参见图5。

Claims (4)

1.一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，包括透明基片和分光膜膜系，其特征在于：分光膜膜系由二氧化钛和二氧化硅，按照结构Glass|(2/3H4/3SiO2)m|Air制备得到，其中薄膜材料H为二氧化钛，m＝12；镀制在透明基片上的第一膜层以及第2m膜层为非极值膜层；第一膜层厚度为158.2mm，第2m膜层厚度为121.8mm，其余偶数膜层厚度为245.2mm，奇数膜层厚度为83.3mm。
2.一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，包括透明基片和分光膜膜系，其特征在于：分光膜膜系由五氧化二钽和二氧化硅，按照结构Glass|(2/3H4/3SiO2)m|Air制备得到，其中薄膜材料H为五氧化二钽，m＝14；镀制在透明基片上的第一膜层，以及第二、三、四、2m-3、2m-2、2m-1、2m膜层为非极值膜层；第一膜层厚度为551.5mm，第二膜层厚度为242.4mm，第三膜层厚度为127.8mm，第四膜层厚度为236.0mm，第2m-3膜层厚度为102.6mm，第2m-2膜层厚度为88.0mm，第2m-1膜层厚度为88.0mm，第2m膜层厚度为132.3mm，其余偶数膜层厚度为253.1mm，奇数膜层厚度为92.4mm。
3.一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，包括透明基片和分光膜膜系，其特征在于：分光膜膜系由二氧化锆和二氧化硅，按照结构Glass|(4/3H2/3SiO2)m|Air制备得到，其中薄膜材料H为二氧化锆，m＝18；镀制在透明基片上的第一膜层，以及第二、三、2m-2、2m-1、2m膜层为非极值膜层；第一膜层厚度为222.1mm，第二膜层厚度为62.6mm，第三膜层厚度为224.9mm，第2m-2膜层厚度为103.7mm，第2m-1膜层厚度为165.8mm，第2m膜层厚度为97.5mm，其余偶数膜层厚度为130.7mm，奇数膜层厚度为200.8mm。
4.一种反0.532μm及1.064μm、透0.6μm-0.9μm光谱分光膜的膜系结构，包括透明基片和分光膜膜系，其特征在于：分光膜膜系由二氧化钛和二氧化硅，按照结构Glass|(2/3H4/3SiO2)m|Air制备得到，其中薄膜材料H为二氧化钛，m＝13；镀制在透明基片上的第一膜层，以及第2m膜层为非极值膜层；第一膜层厚度为169.3mm，第2m膜层厚度为135.3mm，其余偶数膜层厚度为272.3mm，奇数膜层厚度为92.4mm。
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双波段激光防护多层反射膜的设计;黄强等;《光学技术》;20071130;全文 *

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