CN107290814A - 一种可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件及设计方法 - Google Patents

一种可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种可见光波段(0.6～0.9μm)和激光波段(1.06μm)反射、中红外波段(3.0～5.0μm)透射的全介质薄膜分色元件及设计方法。本发明提出的分色元件及设计方法，按照可见光与激光反射、红外透射的方法进行分光，与传统的介质‑金属‑介质膜系结构不同，在硅材料基底上采用全介质薄膜材料设计，可见光波段与激光的平均分光效率达到98％以上，中红外波段的平均分光效率达到97％以上。

Description

一种可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件及设计 方法
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，特别是对三个波段的分光技术，具体涉及一种可见光波段(0.6～0.9μm)和激光波段(1.06μm)反射、中红外波段(3.0～5.0μm)透射的全介质薄膜分色元件及设计方法。
背景技术
现代光电跟踪瞄准吊舱具有捕获、跟踪、瞄准一体化的功能，是现代空军的关键大型光电设备之一，一般采取红外成像、电视跟踪及激光测距/指示等方法，是空中作战飞机的重要系统组成部分。集红外成像、电视跟踪及激光测距功能于一体的光学吊舱，其光学系统基本采用共口径合光和分光系统。目前，国外先进吊舱均采用可见光、激光和红外等“三光”共用前端光学系统的方案，然后分别对每个光路进行信息处理。因此，对上述三个波段的分光元件是光电吊舱光学系统中的核心元件之一。
自20世纪70年代以来，美国等发达国家开展重视机载光电瞄准系统的研究，典型的“三光”系统的工作波段基本上是可见光波段0.6～0.9μm、激光波长1.06μm(或1.57μm)和中红外波段3.0～5.0μm。因此需要对三个波段进行分光是光电吊舱光学系统的关键技术。目前，国内外对可见光与红外分光的方法主要是采用金属诱导透射的方法来实现，使用介质～金属～介质的多层膜进行优化设计，实现可见光波段透射和红外波段反射。基于介质～金属～介质膜系结构的分色滤光片，膜层结构简单易于制备，但是极薄的金属层对光谱性较为敏感，在实际制备条件下，需要解决银膜光学常数的测定、膜系优化设计和工艺一体化问题是分光膜成功的关键。但是，由于金属诱导透射的带宽有限，因此透射带无法覆盖较宽的波段。
除了上述典型的分光膜，采用全介质薄膜也是另一种方案。2009年，美国RugateTechnologies公司的Thomas Rahmolow等人设计并制备了用于多波段反射红外热像仪的滤光片，其中涉及超宽波段分色滤光片的设计和制备，使用了两种薄膜材料进行设计。2010年，浙江大学章岳光等人在硒化锌基底上设计了反射可见光和1540nm激光，透射长波红外的分色片。以硒化锌为基板，采用Ge、ZnSe和YbF3作为薄膜材料进行了优化设计，采用电子束蒸发技术制备了分色膜，其反射率和透过率都达到了93％以上。Ronald A等人研制了可见光反射长波红外透射的元件，使用ZnS、ThF4和MgF2薄膜材料进行多层膜设计和制备，实现了0.6～0.9μm波段范围的反射率达到80％以上，8～12μm波段范围的透过率达到90％。综上所述，分光薄膜的重点是在保证分光特性的基础上，力争减小薄膜的总厚度和降低薄膜的制备难度，同时降低应力带来的面形变化。
基于上述的研究基础，本发明提出了可见光波段、激光波段和中红外波段的一种分色元件及设计方法，分光方式与传统的介质～金属～介质分光膜不同，避免了极薄金属薄膜制备工艺差等问题，并且膜层厚度适于制备。分色元件可实现可见光和激光反射率达到98.5％以上，中波红外的透过率达到97％以上。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件及设计方法，以解决如何在可见光、激光和中红外共光路传输的情况下，将可见光波段(0.6～0.9μm)、激光波段(1.06μm)与中红外波段(3.0～5.0μm)分光，并且尽可能提高每个谱段的分光效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
分色元件包括相互平行的第一表面和第二表面；第一表面具有可见光和激光波长反射、中红外波长透射的光学多层膜，第二表面具有中红外波长透射的减反射薄膜；
选定参考波长λ0为0.9μm，单位光学厚度为λ0/4；选择基底Sub材料为Si；选择第一表面的高折射率材料H为Si，低折射率材料L为SiO2；选择第二表面的高折射率材料H’为Ge，低折射率材料L’为YF3，中折射率材料M为ZnS；
将第一表面的初始膜系结构设计为如下结构：
Sub|0.6(0.5H 1L 0.5H)^4 0.8(0.5H 1L 0.5H)^4(0.5H 1L 0.5H)^4|Air
设定第一表面的初始膜系结构在波长范围λ0±0.3μm波段的反射率为最大值，3.0～5.0μm波段的透过率为最大值；对第一表面的初始膜系结构进行优化，膜系结构优化后为如下结构：
Sub|x1H x2L x3H x4L……x23H x24L x25H|Air
其中，x1～x25分别为每层薄膜的光学厚度系数，其中0<xi<6；
将第二表面的初始膜系结构设计为如下结构：
Sub|8.0H’0.3L’2.2H’1.8L’1.6M|Air
设定第二表面的初始膜系结构在波长范围3.0～5.0μm波段的透过率为最大值，对第二表面的初始膜系结构进行优化，膜系结构优化后为如下结构：
Sub|y1H’y2L’y3H’y4L’y5M|Air
其中，y1～y5为每层薄膜的光学厚度系数，其中0<yi<8；
分色元件的最终结构为：
Air|x25H x24L x23H……x4L x3H x2L x1H|Sub|y1H’y2L’y3H’y4L’y5M|Air
分色元件的工作角度为45°。
进一步地，第一表面的初始膜系结构优化后为如下结构：
Sub|2.0658H 0.1335L 4.9438H 0.2804L 1.9670H 0.4191L 1.7501H0.6748L1.4928H 1.4128L 1.4595H 0.5955L 1.1344H 1.1176L 1.3968H0.5952L 1.0274H0.5330L 0.9159H 0.9536L 0.5335H 1.4038L 0.1548H1.4737L 0.3959H|Air。
进一步地，第二表面的初始膜系结构优化后为如下结构：
Sub|7.7189H’0.2885L’2.2440H’1.7503L’1.6387M|Air。
此外，本发明还提出一种采用上述设计方法得到的可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件。
(三)有益效果
本发明提出的可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件及设计方法，按照可见光与激光反射、红外透射的方法进行分光，与传统的介质-金属-介质膜系结构不同，在硅材料基底上采用全介质薄膜材料设计，可见光波段(0.6～0.9μm)与激光(1.06μm)的平均分光效率达到98％以上，中红外波段(3.0～5.0μm)的平均分光效率达到97％以上。
附图说明
图1为本发明实施例分色元件结构示意图；
图2为本发明实施例Si基底的光学常数；
图3为本发明实施例Si薄膜的光学常数；
图4为本发明实施例SiO2薄膜的光学常数；
图5为本发明实施例第一表面的光谱反射率率曲线；
图6为本发明实施例Ge薄膜的光学常数；
图7为本发明实施例ZnS薄膜的光学常数；
图8为本发明实施例YF3薄膜的光学常数；
图9为本发明实施例第二表面的光谱透过率曲线；
图10为本发明实施例分色元件的可见光波段分光效率曲线；
图11为本发明实施例分色元件的中红外波段分光效率曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件及设计方法。该设计方法包括如下步骤：
(1)分色元件包括相互平行的第一表面A和第二表面B，结构如图1所示。第一表面A具有可见光和激光波长反射、中红外波长透射的光学多层膜，第二表面B具有中红外波长透射的减反射薄膜。
(2)选定参考波长λ0为0.9μm，单位光学厚度为λ0/4；选择基底Sub材料为Si，其光学常数如图2所示；选择第一表面A的高折射率材料H为Si，其光学常数如图3所示；低折射率材料L为SiO2，其光学常数如图4所示。
(3)将第一表面A的初始膜系结构设计为如下结构：
Sub|0.6(0.5H 1L 0.5H)^4 0.8(0.5H 1L 0.5H)^4(0.5H 1L 0.5H)^4|Air
(4)设定第一表面A的初始膜系结构在波长范围0.6～1.1μm波段的反射率为最大值，3.0～5.0μm波段的透过率为最大值；对第一表面A的初始膜系结构进行优化，膜系结构优化后为如下结构：
Sub|2.0658H 0.1335L 4.9438H 0.2804L 1.9670H 0.4191L 1.7501H 0.6748L1.4928H 1.4128L 1.4595H 0.5955L 1.1344H 1.1176L 1.3968H 0.5952L 1.0274H0.5330L 0.9159H 0.9536L 0.5335H 1.4038L 0.1548H 1.4737L 0.3959H|Air。
第一表面A的薄膜物理厚度为2.64μm，其表面光谱反射率如图5所示。
(5)选择第二表面B的高折射率材料H’为Ge，其光学常数如图6所示；低折射率材料L’为YF3，其光学常数如图7所示；中折射率材料M为ZnS，其光学常数如图8所示。
(6)将第二表面B的初始膜系结构设计为如下结构：
Sub|8.0H’0.3L’2.2H’1.8L’1.6M|Air
(7)设定第二表面B的初始膜系结构在波长范围3.0～5.0μm波段的透过率为最大值，对第二表面B的初始膜系结构进行优化，膜系结构优化后为如下结构：
Sub|7.7189H’0.2885L’2.2440H’1.7503L’1.6387M|Air。
第二表面B的薄膜物理厚度为0.978μm，其表面光谱透过率如图9所示。
(8)分色元件的工作角度为45°。该分色元件对于可见光波段(0.6～0.9μm)和激光波段(1.06μm)以反射方式分离，分光效率如图10所示，平均分光效率为98％以上；对于中红外波段(3.0-5.0μm)以透射方式分离，分光效率如图11所示，平均分光效率为96％以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
所述分色元件包括相互平行的第一表面和第二表面；所述第一表面具有可见光和激光波长反射、中红外波长透射的光学多层膜，所述第二表面具有中红外波长透射的减反射薄膜；
选定参考波长λ0为0.9μm，单位光学厚度为λ0/4；选择基底Sub材料为Si；选择所述第一表面的高折射率材料H为Si，低折射率材料L为SiO2；选择所述第二表面的高折射率材料H’为Ge，低折射率材料L’为YF3，中折射率材料M为ZnS；
将所述第一表面的初始膜系结构设计为如下结构：
Sub|0.6(0.5H 1L 0.5H)^4 0.8(0.5H 1L 0.5H)^4(0.5H 1L 0.5H)^4|Air
设定所述第一表面的初始膜系结构在波长范围λ0±0.3μm波段的反射率为最大值，3.0～5.0μm波段的透过率为最大值；对所述第一表面的初始膜系结构进行优化，膜系结构优化后为如下结构：
Sub|x1H x2L x3H x4L……x23H x24L x25H|Air
其中，x1～x25分别为每层薄膜的光学厚度系数，其中0<xi<6；
将所述第二表面的初始膜系结构设计为如下结构：
Sub|8.0H’0.3L’2.2H’1.8L’1.6M|Air
设定所述第二表面的初始膜系结构在波长范围3.0～5.0μm波段的透过率为最大值，对所述第二表面的初始膜系结构进行优化，膜系结构优化后为如下结构：
Sub|y1H’y2L’y3H’y4L’y5M|Air
其中，y1～y5为每层薄膜的光学厚度系数，其中0<yi<8；
所述分色元件的最终结构为：
Air|x25H x24L x23H……x4L x3H x2L x1H|Sub|y1H’y2L’y3H’y4L’y5M|Air
所述分色元件的工作角度为45°。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，
所述第一表面的初始膜系结构优化后为如下结构：
Sub|2.0658H 0.1335L 4.9438H 0.2804L 1.9670H 0.4191L 1.7501H 0.6748L1.4928H 1.4128L 1.4595H 0.5955L 1.1344H 1.1176L 1.3968H 0.5952L 1.0274H0.5330L 0.9159H 0.9536L 0.5335H 1.4038L 0.1548H 1.4737L 0.3959H|Air。
3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，
所述第二表面的初始膜系结构优化后为如下结构：
Sub|7.7189H’0.2885L’2.2440H’1.7503L’1.6387M|Air。
4.一种可见光、激光与中红外波段全介质薄膜分色元件，其特征在于，采用如权利要求1～3中任一项所述的设计方法得到。
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