CN107272096A - 一种四分区相位步进反射镜及制作方法 - Google Patents

一种四分区相位步进反射镜及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四分区相位步进反射镜及制作方法，其采用反向膜系设计方法，在玻璃基底的后表面镀膜，在玻璃基底的前表面实现四分区反射相位步进功能，从而解决了现有方案四分区膜层表面高低不平的问题，并且具有高反射率、高相位步进精度等优点，能够很好地应用于静态风成像干涉仪，进行大气遥感探测。

Description

一种四分区相位步进反射镜及制作方法
技术领域
本发明属于光学元件技术领域，涉及一种步进反射镜，尤其是一种四分区相位步进反射镜及制作方法。
背景技术
在大气遥感探测中，风场速度和大气温度一直是科学观测的重点参数。对高层大气风场速度、温度及压强的探测，在大气行为研究、地球物理、航空航天以及高精度天气预报等领域有着重要的应用。目前被动式遥感探测已成为本领域的热点研究方向，其以大气中自然形成的极光和气辉为光源，通过探测气辉谱线的干涉图信息，来获取高层大气风场的信息，不需要发射激光，具有很大的优越性。四强度探测法则是其代表性技术，通过探测一个干涉条纹周期内相位差为90°的四个干涉强度，便可以计算出风速、温度以及粒子体辐射率等。实现四强度探测主要有动镜扫描和四分区镀膜两种模式。其中动镜扫描模式利用压电陶瓷带动干涉仪其中一个臂以λ/4步进运动，产生四个干涉图来推算风速和温度。这种方法具有机械运动部件，稳定性较差；机械运动需要时间，不能同时实时获取四幅干涉图。四分区镀膜法在干涉仪其中一臂末端平面反射镜的四个分区上镀不同的膜系使其产生90°的步进相位，在CCD探测器的四个分区上同时获得四个干涉强度。镀膜法的优点在于四个干涉强度能够一次性获得，实时性好；并且系统中没有运动部件，机械稳定性较好。
四分区镀膜大气遥感探测技术首先由加拿大York大学的Piotrowski Susan H.C.博士在二十世纪九十年代提出并研究，Piotrowski Susan H.C.博士设计了在云母基片上蒸镀四部分高低折射率交替的膜系，实现了在波长为557.7nm、630.0nm、732.0nm以及762.0nm处90°的步进相位，但是其膜系方案中四个分区的膜层数不相同，膜层厚度变化较大，不易制作，并且四分区膜层表面高低不平，从而引入相位误差。2001年，William E.Ward等人设计了工作于557.7nm、1270nm以及1316nm的四分区相位步进反射镜，但是其步进相位与90°相差很大，反射率低，误差较大，需要采用特殊算法进行弥补。2015年，张宣妮等人设计了工作于550nm～780nm范围内的四分区相位步进反射镜，其优点在于采用四分区联合设计，使膜层的灵敏度大大下降，且反射率很高，但是其膜系使用材料种类多，蒸镀过程较为复杂，并且依旧没有解决四分区膜层表面高低不平的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种四分区相位步进反射镜及制作方法，本发明采用反向膜系设计方法，在玻璃基底的后表面镀膜，在玻璃基底的前表面实现四分区反射相位步进功能，从而解决了已有方案四分区膜层表面高低不平的问题，并且具有高反射率、高相位步进精度等优点，能够很好地应用于静态风成像干涉仪，进行大气遥感探测。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种四分区相位步进反射镜，包含后表面平整的玻璃基底，在玻璃基底的后表面镀有复合膜层，所述玻璃基底划分为A、B、C、D四个面积相等的区域。
进一步，上述玻璃基底上光入射的表面为前表面，光出射的表面为后表面。
进一步，上述述复合膜层共9层，第1层为步进相位调制层，第2层到第7层为增反射层，第8层为反射层，第9层为保护层。
进一步，上述第1层膜材料为MgF2，第2层膜材料为TiO2；第3层膜材料为MgF2；第4层膜材料为TiO2；第5层膜材料为MgF2；第6层膜材料为TiO2；第7层膜材料为MgF2；第8层膜材料为银；第9层膜材料为氧化铝。
本发明还提出一种上述四分区相位步进反射镜的制作方法，包括以下步骤：
1)从基底开始第1层膜材料为MgF2，A区域厚度为107.82nm，B区域厚度为230.09nm，C区域厚度为352.50nm，D区域厚度为461.51nm，分四次蒸镀；
2)从第2层膜到第7层膜，每层膜A、B、C、D四个区域厚度均相同，四个区域作为整体同时进行蒸镀，膜系方案为：
层次 2 3 4 5 6 7
材料 TiO2 MgF2 TiO2 MgF2 TiO2 MgF2
厚度(nm) 147.76 231.41 148.06 231.42 149.54 228.64
3)第8层膜材料为银，A、B、C、D四个区域厚度均为0.05mm，四个区域作为整体同时进行蒸镀；
4)第9层膜材料为氧化铝，A、B、C、D四个区域厚度均为0.025mm，四个区域作为整体同时进行蒸镀。
相对于现有四分区相位步进反射镜，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种工作于1264nm～1278nm范围内的四分区相位步进反射镜及制作方法。首先，在玻璃基底后表面镀膜，光从玻璃基底前表面入射，克服了现有四分区相位步进反射镜中四个分区表面高低不平的难题，避免了相位误差的产生；其次，采用银作为反射层，配合增反射层，使四分区相位步进反射镜的反射率大大提高，极大地提高了光能的利用效率，并且四个分区反射率基本一致，利于仪器定标；最后，膜系使用材料较少，易于获得，周期性的膜层蒸镀难度较小，利于工程上的应用。
附图说明
图1为本发明四分区相位步进反射镜结构的正视图；
图2为本发明四分区相位步进反射镜结构的左视图；
图3为本发明A区域反射率曲线；
图4为本发明B区域反射率曲线；
图5为本发明C区域反射率曲线；
图6为本发明D区域反射率曲线；
图7为本发明A、B、C、D区域反射相位曲线。
其中：1为A区域；2为B区域；3为C区域；4为D区域；21为基底玻璃；22为复合膜层。
具体实施方式
本发明首先提出以种四分区相位步进反射镜：包含后表面平整的玻璃基底21，在玻璃基底21的后表面镀有复合膜层22，所述玻璃基底21划分为A、B、C、D四个面积相等的区域。玻璃基底21上光入射的表面为前表面，光出射的表面为后表面。复合膜层22共9层，第1层为步进相位调制层，第2层到第7层为增反射层，第8层为反射层，第9层为保护层。第1层膜材料为MgF2，第2层膜材料为TiO2；第3层膜材料为MgF2；第4层膜材料为TiO2；第5层膜材料为MgF2；第6层膜材料为TiO2；第7层膜材料为MgF2；第8层膜材料为银；第9层膜材料为氧化铝。这种四分区相位步进反射镜的制作方法，包括以下步骤：
1)从基底开始第1层膜材料为MgF2，A区域厚度为107.82nm，B区域厚度为230.09nm，C区域厚度为352.50nm，D区域厚度为461.51nm，分四次蒸镀；
2)从第2层膜到第7层膜，每层膜A、B、C、D四个区域厚度均相同，四个区域作为整体同时进行蒸镀，膜系方案为：
层次 2 3 4 5 6 7
材料 TiO2 MgF2 TiO2 MgF2 TiO2 MgF2
厚度(nm) 147.76 231.41 148.06 231.42 149.54 228.64
3)第8层膜材料为银，A、B、C、D四个区域厚度均为0.05mm，四个区域作为整体同时进行蒸镀；
4)第9层膜材料为氧化铝，A、B、C、D四个区域厚度均为0.025mm，四个区域作为整体同时进行蒸镀。
下面结合附图，以实例对本发明作进一步详细描述：
使用一块厚度为3mm，边长为30mm的正方形玻璃片作为基底材料，将玻璃基底后表面划分为A、B、C、D四个面积相等的正方形区域，在玻璃基底后表面蒸镀复合膜层。从基底开始第1层膜材料为MgF2，A区域厚度为107.82nm，B区域厚度为230.09nm，C区域厚度为352.50nm，D区域厚度为461.51nm，分四次蒸镀。从第2层膜到第7层膜，每层膜A、B、C、D四个区域厚度均相同，四个区域作为整体同时进行蒸镀，膜系方案为：
层次 2 3 4 5 6 7
材料 TiO2 MgF2 TiO2 MgF2 TiO2 MgF2
厚度(nm) 147.76 231.41 148.06 231.42 149.54 228.64
第8层膜材料为银，A、B、C、D四个区域厚度均为0.05mm，四个区域作为整体同时进行蒸镀。第9层膜材料为氧化铝，A、B、C、D四个区域厚度均为0.025mm，四个区域作为整体同时进行蒸镀。如图1、图2所示。
对此实例的A、B、C、D四个区域在1264nm～1278nm范围内的反射率及反射相位进行了计算，反射率曲线及反射相位曲线如图3、图4、图5、图6、图7所示。图中结果表明，四个区域的反射率均在99.9％左右，A、B区之间的相位差平均为89.93°，B、C区之间的相位差平均为90.00°，C、D区之间的相位差平均为89.77°，实现了四分区90°左右的步进相位。

Claims (5)

1.一种四分区相位步进反射镜，其特征在于，包含后表面平整的玻璃基底(21)，在玻璃基底(21)的后表面镀有复合膜层(22)，所述玻璃基底(21)划分为A、B、C、D四个面积相等的区域。
2.根据权利要求1所述的四分区相位步进反射镜，其特征在于，所述玻璃基底(21)上光入射的表面为前表面，光出射的表面为后表面。
3.根据权利要求1所述的四分区相位步进反射镜，其特征在于，所述复合膜层(22)共9层，第1层为步进相位调制层，第2层到第7层为增反射层，第8层为反射层，第9层为保护层。
4.根据权利要求3所述的四分区相位步进反射镜，其特征在于，第1层膜材料为MgF2，第2层膜材料为TiO2；第3层膜材料为MgF2；第4层膜材料为TiO2；第5层膜材料为MgF2；第6层膜材料为TiO2；第7层膜材料为MgF2；第8层膜材料为银；第9层膜材料为氧化铝。
5.一种权利要求1-3任意一项所述四分区相位步进反射镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)从基底开始第1层膜材料为MgF2，A区域厚度为107.82nm，B区域厚度为230.09nm，C区域厚度为352.50nm，D区域厚度为461.51nm，分四次蒸镀；
2)从第2层膜到第7层膜，每层膜A、B、C、D四个区域厚度均相同，四个区域作为整体同时进行蒸镀，膜系方案为：
层次 2 3 4 5 6 7 材料 TiO2 MgF2 TiO2 MgF2 TiO2 MgF2 厚度(nm) 147.76 231.41 148.06 231.42 149.54 228.64
3)第8层膜材料为银，A、B、C、D四个区域厚度均为0.05mm，四个区域作为整体同时进行蒸镀；
4)第9层膜材料为氧化铝，A、B、C、D四个区域厚度均为0.025mm，四个区域作为整体同时进行蒸镀。
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