CN108196332A - 一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜 - Google Patents

一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其中，该中波反射滤光薄膜结构针对不同基底有所不同，若为金属材料基底，则薄膜结构如下：Sub/x1M x2L x3H x4L x5H/Air；若为非金属材料基底，则薄膜结构如下：Sub/x1A x2H x3L x4H/Air；其中，Sub为基底，A为一层金属膜，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，Air为入射介质空气，x1‑x5分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4，设计入射角度为45°。本发明将二氧化碳吸收滤除功能与反射镜相结合，有利于简化系统结构，设计出的膜系结构具有总厚度小、应力小、光学性能好的特点，在实际制备中对工艺要求较低。

Description

一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，特别是有关一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜。
背景技术
中波红外光电探测系统的探测波段为3.5-5μm，可探测舰艇、飞行器等红外辐射目标。大气中的二氧化碳红外吸收峰位于4.2μm，恰好在中波红外探测波段内，二氧化碳红外吸收峰的存在将对中波红外辐射目标的探测造成干扰，降低红外成像的清晰度和探测距离，降低系统稳定性。
解决某个波段内滤除某些特定波长的问题，通常采用透射负滤光片技术，即通过多层不同材料薄膜的堆叠，使整个目标波段内的光线透过，使特定波长的光线反射，以此来滤除特定波长的光线。从膜系设计的角度来看，负滤光片膜系结构复杂、难以设计和优化；从中波红外探测波段的实际应用情况来看，中波红外负滤光片薄膜总厚度大、红外薄膜材料应力大、工艺可实现性低、薄膜失效风险高、研制成本高。严重影响了中波红外探测系统可靠性。因此，在中波红外光电探测系统中采用透射负滤光片技术滤除或抑制二氧化碳红外吸收干扰方法无法推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其中，该中波反射滤光薄膜结构针对不同基底有所不同，若为金属材料基底，则薄膜结构如下：Sub/x1M x2L x3H x4L x5H/Air；若为非金属材料基底，则薄膜结构如下：Sub/x1A x2H x3L x4H/Air；其中，Sub为基底，A为一层金属膜，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，Air为入射介质空气，x1-x5分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4，设计入射角度为45°。
根据本发明的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的一实施例，其中，金属材料基底为Al或Cu。
根据本发明的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的一实施例，其中，非金属材料基底可为K9玻璃、熔融石英或Si。
根据本发明的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的一实施例，其中，金属膜为Au、Ag、Al或Cu。
根据本发明的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的一实施例，其中，高折射率材料为锗，中折射率材料为硫化锌，低折射率材料为氟化钇。
根据本发明的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的一实施例，其中，若基底为金属材料，按照金属材料基底的薄膜结构方案，每层膜的光学厚度系数为：x1＝5.23±0.05，x2＝3.00±0.05，x3＝7.00±0.05，x4＝3.00±0.05，x5＝5.50±0.05；若基底为非金属材料，按照非金属材料基底的薄膜结构方案，每层膜的光学厚度系数为：x1＝0.075±0.001，x2＝12.53±0.05，x3＝4.64±0.05，x4＝4.28±0.05。
根据本发明的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的一实施例，其中，确定基底材料与各薄膜材料光学参数后，再以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，即为每层膜的光学厚度系数。
根据本发明的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的一实施例，其中，Al反射镜作为基底，选择薄膜材料为锗、硫化锌和氟化钇，参考波长为800nm，单位光学厚度为200nm，设计角度为45°，五层的膜系结构如下：Sub/x1M x2Lx3H x4L x5H/Air；以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，得到每层薄膜的光学厚度系数为：x1＝5.2304，x2＝2.9979，x3＝6.9360，x4＝2.9979，x5＝5.5034；得到的中波红外反射滤光薄膜的膜系：Al/5.2304M 2.9979L 6.9360H 2.9979L 5.5034H/Air；由邻近基底的第一层薄膜至最外层薄膜对应的物理厚度分别为：554.4nm，500nm，378.0nm，500nm和299.9nm。
根据本发明的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的一实施例，其中，以K9反射镜作为基底，薄膜材料为锗、氟化钇和金，参考波长为1000nm，单位光学厚度为250nm，设计角度为45°；四层的膜系结构为：Sub/x1A x2H x3L x4H/Air；得到膜系结构，以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，得到每层薄膜的光学厚度系数为：x1＝0.0774，x2＝11.9286，x3＝4.4224，x4＝4.0785；得到的中波红外反射滤光薄膜的膜系：K9/0.0774A 11.9286H 4.4224L 4.0785H/Air；由邻近基底的第一层薄膜至最外层薄膜对应的物理厚度分别为：72.8nm，747.6nm，762.1nm和5.6m。
本发明针对3.5-5μm波段红外光电探测系统中二氧化碳4.2μm红外吸收干扰问题，提供一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波反射滤光薄膜，该薄膜作为中波反射镜介质薄膜，可应用于介质或金属基底，反射3.5-5μm光线的同时，滤除二氧化碳4.2μm处红外吸收峰。该膜系能够实现4.2μm处的反射率小于15％，吸收带宽小于400nm，3.5-5μm反射带内平均反射率大于99％。中波红外反射镜普遍应用于红外光电探测光学系统中，本发明将二氧化碳吸收滤除功能与反射镜相结合，有利于简化系统结构，设计出的膜系结构具有总厚度小、应力小、光学性能好的特点，在实际制备中对工艺要求较低。
附图说明
图1所示为本发明一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的膜系结构示意图；
图2所示为锗材料的光学常数示意图；
图3所示为硫化锌材料的光学常数示意图；
图4所示为氟化钇材料的光学常数示意图；
图5所示为制得的中波红外反射滤光薄膜的反射率图；
图6所示为所得到的两次反射后的反射率图；
图7所示为本发明一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的膜系结构的另一示意图；
图8所示为金材料的光学常数示意图；
图9所示为制得的中波红外反射滤光薄膜的反射率图。
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。
为了解决中波红外探测中长久以来存在的技术问题，本发明提供一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，该中波反射滤光薄膜结构针对不同基底有所不同。
若为金属材料基底，则薄膜结构如下：
Sub/x1M x2L x3H x4L x5H/Air；
若为非金属材料基底，则薄膜结构如下：
Sub/x1A x2H x3L x4H/Air；
其中，Sub为基底，A为一层金属膜，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，Air为入射介质空气，x1-x5分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4，设计入射角度为45°。参考波长因不同材料与薄膜结构而异。
进一步地，金属材料基底可为Al、Cu等，非金属材料基底可为K9玻璃、熔融石英、Si等。金属膜可为Au、Ag、Al、Cu等。
高折射率、中折射率和低折射率材料分别为锗、硫化锌和氟化钇。
其中，若基底为金属材料，按照金属材料基底的薄膜结构方案，每层膜的光学厚度系数为：x1＝5.23±0.05，x2＝3.00±0.05，x3＝7.00±0.05，x4＝3.00±0.05，x5＝5.50±0.05；若基底为非金属材料，按照非金属材料基底的薄膜结构方案，每层膜的光学厚度系数为：x1＝0.075±0.001，x2＝12.53±0.05，x3＝4.64±0.05，x4＝4.28±0.05。
确定基底材料与各薄膜材料光学参数后，再以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，可得到最终的每层膜的光学厚度系数。
图1所示为本发明一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的膜系结构示意图，如图1所示，以金属材料作为基底的情况：
(1)以Al反射镜作为基底，选择薄膜材料主要为锗、硫化锌和氟化钇，参考波长为800nm，单位光学厚度为200nm，设计角度为45°。
如图1所示，五层的膜系结构如下：
Sub/x1M x2L x3H x4L x5H/Air；
x1-x5分别代表每层膜的光学厚度系数。
(2)图2所示为锗材料的光学常数示意图，图3所示为硫化锌材料的光学常数示意图，图4所示为氟化钇材料的光学常数示意图，如图2-图4所示；
(3)按照设计得到膜系结构，以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，可得到每层薄膜的光学厚度系数为：x1＝5.2304，x2＝2.9979，x3＝6.9360，x4＝2.9979，x5＝5.5034。
得到的中波红外反射滤光薄膜的膜系如下：
Al/5.2304M 2.9979L 6.9360H 2.9979L 5.5034H/Air
此时，由邻近基底的第一层薄膜至最外层薄膜对应的物理厚度分别为：554.4nm，500nm，378.0nm，500nm，299.9nm。该膜系总物理厚度约为2200nm。
图5所示为制得的中波红外反射滤光薄膜的反射率图，图6所示为所得到的两次反射后的反射率图，如图5以及图6所示，假设中波红外光学系统中，包含两个反射镜用以折转光路，若在两反射镜表面同时使用该膜系，
以非金属材料作为基底的情况：
(1)以K9反射镜作为基底，选择薄膜材料主要为锗、氟化钇和金，参考波长为1000nm，单位光学厚度为250nm，设计角度为45°。
图7所示为本发明一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜的膜系结构的另一示意图，如图7所示，四层的膜系结构如下：
Sub/x1A x2H x3L x4H/Air
x1-x4分别代表每层膜的光学厚度系数。
(2)图8所示为金材料的光学常数示意图，如图2、图4以及图8所示。
(3)按照设计得到膜系结构，以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，可得到每层薄膜的光学厚度系数为：x1＝0.0774，x2＝11.9286，x3＝4.4224，x4＝4.0785。
得到的中波红外反射滤光薄膜的膜系如下：
K9/0.0774A 11.9286H 4.4224L 4.0785H/Air；
此时，由邻近基底的第一层薄膜至最外层薄膜对应的物理厚度分别为：72.8nm，747.6nm，762.1nm，255.6m。该膜系总物理厚度约为1838nm。
图9所示为制得的中波红外反射滤光薄膜的反射率图。
本发明可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，所提供的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波反射薄膜，仅使用4-5层膜的结构，总物理厚度小于2.5μm，在铝反射镜表面获得了在4.2μm处吸收率达到85％左右，反射率在15％以下，3.5-5μm波段范围内的反射带平均反射率大于99％的中波反射滤光薄膜，较少的薄膜层数和较小的物理厚度，降低了膜层脱落和开裂的风险。同时，将滤光功能与反射镜相结合，有利于简化系统结构。此外，若在系统中的多个反射镜表面同时使用该膜系，可大幅提高4.2μm光线的滤除效果。此外，若中波红外探测系统中包含n个反射镜时，在n个反射镜上同时使用该膜系，可使滤光效果大幅提高，4.2μm处的反射率将小于(15％)n。
本发明可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，：通过使用锗、硫化锌和氟化钇三种薄膜材料组合，将膜层的物理厚度控制在2200nm左右，高应力的氟化钇膜层共两层，最大层厚度小于500nm。通过在反射镜表面镀制该薄膜，可在3.5-5μm波段范围内，实现滤除4.2μm处的二氧化碳吸收干扰，吸收带宽度小于400nm，反射带平均反射率大于99％。该膜系适用于具有光线折转反射镜的中波红外光电探测系统中，薄膜可用电子束热蒸发与电阻热蒸发的沉积方式制备。
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 (9)

1.一种可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，该中波反射滤光薄膜结构针对不同基底有所不同，
若为金属材料基底，则薄膜结构如下：
Sub/x1M x2L x3H x4L x5H/Air；
若为非金属材料基底，则薄膜结构如下：
Sub/x1A x2H x3L x4H/Air；
其中，Sub为基底，A为一层金属膜，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，Air为入射介质空气，x1-x5分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4，设计入射角度为45°。
2.如权利要求1所述的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，金属材料基底为Al或Cu。
3.如权利要求1所述的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，非金属材料基底可为K9玻璃、熔融石英或Si。
4.如权利要求1所述的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，金属膜为Au、Ag、Al或Cu。
5.如权利要求1所述的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，高折射率材料为锗，中折射率材料为硫化锌，低折射率材料为氟化钇。
6.如权利要求1所述的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，若基底为金属材料，按照金属材料基底的薄膜结构方案，每层膜的光学厚度系数为：x1＝5.23±0.05，x2＝3.00±0.05，x3＝7.00±0.05，x4＝3.00±0.05，x5＝5.50±0.05；若基底为非金属材料，按照非金属材料基底的薄膜结构方案，每层膜的光学厚度系数为：x1＝0.075±0.001，x2＝12.53±0.05，x3＝4.64±0.05，x4＝4.28±0.05。
7.如权利要求1所述的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，确定基底材料与各薄膜材料光学参数后，再以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，即为每层膜的光学厚度系数。
8.如权利要求1所述的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，Al反射镜作为基底，选择薄膜材料为锗、硫化锌和氟化钇，参考波长为800nm，单位光学厚度为200nm，设计角度为45°，五层的膜系结构如下：Sub/x1M x2L x3H x4L x5H/Air；以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，得到每层薄膜的光学厚度系数为：x1＝5.2304，x2＝2.9979，x3＝6.9360，x4＝2.9979，x5＝5.5034；得到的中波红外反射滤光薄膜的膜系：Al/5.2304M 2.9979L 6.9360H 2.9979L 5.5034H/Air；由邻近基底的第一层薄膜至最外层薄膜对应的物理厚度分别为：554.4nm，500nm，378.0nm，500nm和299.9nm。
9.如权利要求1所述的可滤除二氧化碳红外吸收干扰的中波红外反射滤光薄膜，其特征在于，以K9反射镜作为基底，薄膜材料为锗、氟化钇和金，参考波长为1000nm，单位光学厚度为250nm，设计角度为45°；四层的膜系结构为：Sub/x1A x2H x3L x4H/Air；得到膜系结构，以4.2μm处低反射率、3.5-4.1μm和4.2-μm微米处高反射率为目标，进行数值优化计算，得到每层薄膜的光学厚度系数为：x1＝0.0774，x2＝11.9286，x3＝4.4224，x4＝4.0785；得到的中波红外反射滤光薄膜的膜系：K9/0.0774A 11.9286H 4.4224L 4.0785H/Air；由邻近基底的第一层薄膜至最外层薄膜对应的物理厚度分别为：72.8nm，747.6nm，762.1nm和5.6m。
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