CN108627889B - 一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口 - Google Patents

一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口，该光谱红外增透光学窗口增透膜使用了锗(Ge)、硫化锌(ZnS)和氟化镱(YbF3)为不同折射率的膜层材料，锗基底上的一种长波红外增透膜，其结构为：在基底(2)的一面沉积正面膜系(1)，在基底的另一面沉积结构相同的反面膜系(3)。使用离子源辅助沉积与合适的基底烘烤温度等特定工艺条件，在基底的两个表面分别沉积8层非规整的膜层。该增透膜元件可以使得在7.5～14.0μm区间具有良好的透光效果，平均透过率＞96％。Ge晶体是一种优质的高折射率红外材料，广泛应用于各种红外滤光片，该增透膜可以有效提高非制冷红外焦平面探测器的光学效率，在宽光谱应用方面呈现出明显优势。

Description

一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口
技术领域
本发明涉及红外光学薄膜技术，具体涉及一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口。
背景技术
增透膜又称减反膜，在光学元件中，由于元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损耗，常在光学元件表面沉积透明介质薄膜，使得元件达到减反增透的效果。最初的增透膜是通过在元件表面沉积单层增透薄膜材料实现的，这只能对单一特定波长的电磁波增透。为了在更大范围内和更多波长实现增透，可以利用沉积多层膜来实现。随着对增透膜的研究经验，发现了更多的可以作为增透膜的材料，同时由于镀膜技术的发展，增透膜的应用广泛涉及工业、农业、科研等多个行业。
电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。8～14μm是很重要的热红外窗口，透过率约80％，主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。锗具有优良的红外光学特性和物理特性，由于锗晶体在大气中对2～14μm波段具有高而均匀的透明性，是红外热像仪理想的窗口，其大规模应用于侦查和警戒的夜视仪和热成像仪等领域，在红外光学领域具有不可替代的地位。
锗的折射率很高(n＝4.0)，因此锗光学元件的界面损失非常大，透过率仅为50％左右，严重影响光学性能，特别是红外光学性能，因此需要制备红外增透膜来改善锗的红外光学透过性能，这对提高探测器的响应尤为重要。
发明内容
本发明目的是提供了一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口，可以使用在红外热成像设备中以减少反射损耗，增强信号强度，提高探测器响应。
本发明的技术方案是：一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口，包括在基底(2)一面沉积正面膜系(1)，在基底另一面沉积结构相同的反面膜系(3)，其特征在于：
所述的正面膜系(1)的膜系结构为：
基底/0.316H 0.360M 0.465H 0.887M 0.339L 0.136M 0.603L 0.145M/空气；
所述的反面膜系(3)的膜系结构为：
基底/0.316H 0.360M 0.465H 0.887M 0.339L 0.136M 0.603L 0.145M/空气；
式中，H表示一个λ0/4光学厚度的Ge膜层；M表示一个λ0/4光学厚度的ZnS膜层；L表示一个λ0/4光学厚度的YbF3膜层；λ0为中心波长；H、M和L前的数字均为膜层的厚度比例系数。
由于本发明增透膜的增透波段范围较宽，故采用8层膜系结构并使用YbF3提高透过率，使得在7.5～14.0μm的范围内都得到良好的增透效果。
本发明由于增透光谱区域内包含水汽吸收区，为了降低影响，薄膜沉积拟采用离子束辅助沉积方式，选择适当的阳极电压和阴极电流，可以有效地降低水汽吸收影响。
本发明的有益效果：提供了一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口，以锗为基底的一种长波红外增透膜，增透区域光谱范围为7.5～14.0μm，增透区域比8～14μm的红外大气窗口略有加宽，平均透过率大于96％，可以很好的应用于非制冷型红外焦平面探测器领域，增强信号强度，提高探测器响应率。
附图说明
图1为本发明锗基底的长波红外增透膜正面及背面膜系排列的剖面结构示意图。
图2为本发明的锗基底的光谱透过率曲线。
图3为本发明的锗基底的长波红外增透膜的光谱透过率曲线。
其中：(1)为正面膜系；(2)为锗基片；(3)为背面膜系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明增透膜光谱增透范围为7.5～14.0μm。选用合适的光学薄膜材料，以Ge为高折射率基地材料，ZnS、YbF3为低折射率材料如图1所示。
本发明增透膜膜系为多层膜非规整膜系结构。膜系沉积采用石英晶体监控。膜系结构通过膜系设计软件优化，得到正面膜系(1)的膜系结构为：
基底/0.316H 0.360M 0.465H 0.887M 0.339L 0.136M 0.603L 0.145M/空气；
反面膜系(3)的膜系结构为：
基底/0.316H 0.360M 0.465H 0.887M 0.339L 0.136M 0.603L 0.145M/空气；
式中，H表示一个λ0/4光学厚度的Ge膜层，M表示一个λ0/4光学厚度的ZnS膜层，L表示一个λ0/4光学厚度的YbF3膜层，λ0为中心波长，H、M与L前的数字为膜层的厚度比例系数。
为减小增透范围内的水汽吸收，薄膜沉积采用离子源辅助轰击，选择阳极电压为150伏特，阴极电流为4安培，以及合适的基片沉积温度、蒸发速率等工艺控制可有效地提高膜层可靠性。
从图2可以看出，仅采用锗基底的光谱透过率平均反射率约为50％。
从图3中可以看出，以Ge为高折射率基底材料，ZnS、YbF3为低折射率材料制成的多层膜非规整膜，使得在光谱增透范围为7.5～14.0μm的范围内都得到良好的增透效果，平均增透过率大于96％，比仅用锗基底的光谱透过率大得多，因此本发明所研制的锗基底长波红外增透窗口能够达到提高非制冷型红外焦平面探测器探测效率的要求。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种锗基底宽光谱红外增透光学窗口，其结构为：在基底(2)一面沉积正面膜系(1)，在基底另一面沉积结构相同的反面膜系(3)，其特征在于：
所述的正面膜系(1)的膜系结构为：
基底/0.316H 0.360M 0.465H 0.887M 0.339L 0.136M 0.603L 0.145M/空气；
所述的反面膜系(3)的膜系结构为：
基底/0.316H 0.360M 0.465H 0.887M 0.339L 0.136M 0.603L 0.145M/空气；
式中，H表示一个λ0/4光学厚度的Ge膜层；M表示一个λ0/4光学厚度的ZnS膜层；L表示一个λ0/4光学厚度的YbF3膜层；λ0为中心波长；H、M和L前的数字均为膜层的厚度比例系数；
所述红外增透光学窗口增透区域光谱范围为7.5～14.0μm，增透区域比8～14μm的红外大气窗口略有加宽，平均透过率大于96％。
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