CN109270617B - 一种多波段线性激光防护薄膜窗口 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波段线性激光防护薄膜窗口，其包括窗口基底和形成在窗口基底两侧表面上的薄膜，其中，基底一侧表面的薄膜为四波段分光薄膜A，其膜系结构为：Sub/(L 2H L)^m(0.8L 1.6H 0.8L)^m/Air，参考波长为λ1，其中8<m<24；基底另一侧表面的薄膜为四波段分光薄膜B，其膜系结构为：Sub/(2L 4H 2L)^n/Air，参考波长为λ2，其中8<n<24；高折射率薄膜材料H为Ta2O5，低折射率薄膜材料L为SiO2。本发明通过在吸收基底二面分别设计四波段分光薄膜，能降低防护窗口的应力，实现多波段卫星激光防护窗口的设计；本方法对于不同工作波段、不同防护激光波段的线性激光防护窗口的设计具有普适性。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，涉及一种多波段线性激光防护薄膜窗口。
背景技术
随着高能激光武器的关键技术取得重大突破，使其迅速成为一种具有直接杀伤力的新式武器。近年来，航天大国反卫星激光武器技术发展迅速，已经形成了现实的作战能力。针对当前反卫星激光武器的发展，迫切需要研究和发展卫星的激光防护技术，尤其是对卫星的光学遥感系统(特别是光电探测器)进行抗激光致盲或损伤的加固和防护，以增强卫星在空间的生存与防护能力。
随着空间军事化步伐的加快，曾经是冷战产物的反卫星激光武器再度受到重视，包括美国、俄罗斯、中国、法国、英国、德国、以色列、日本、澳大利亚、瑞典等国都在开展不同规模、不同类型的反卫星激光武器的研究。目前，美国是世界上反卫星激光武器发展水平最高的国家，已经对天基、地基和机载等多种平台的反卫星激光武器进行了广泛的研究，并于1997年10月，利用低功率氟化氘激光器进行了地基激光反卫星试验，试验获得成功，这次试验是研制反卫星武器的一个重要的里程碑，也是历史上第一次公开地用高功率激光器攻击卫星。证明反卫星激光武器可以干扰、破坏卫星上的仪器或摧毁卫星平台。
目前，国外激光武器的发展趋势：一是研制开发高功率短波长固体激光器。固体激光器是今后大力发展的激光器类型，输出波长短，利于大气传输、适合远程作战；二是继续研制开发化学激光武器。在各类激光器中，化学激光武器连续平均功率最高，最高达兆瓦级。如1.315μm的氧化碘(IO)、2.7μm的氟化氢(HF)及3.8μm的氟化氘(DF)激光器。对卫星而言，常用的工作波段主要有0.55μm～0.8μm可见光/近红外CCD相机、1.55μm的激光通信等。因此，迫切需要研制具有在卫星工作波段有高透过率和激光武器波长处有较低的透过率的激光防护窗口，实现卫星反激光武器的防护。因此，对于可见光-近红外-中红外波段的激光防护窗口的研究已成为目前卫星防护研究的重要课题。
对于卫星激光防护膜，国内外已进行过相关研究。美陆军纳蒂克研究中心研制一种组合式层状结构防护镜，其利用多层介质膜对特定波长激光的反射衰减达到激光防护效果。据报道可防护532nm、694nm和1064nm三种激光，光密度为4，可见光透过率达73％，其主要缺点是玻璃箔易损。目前国内报道的有设计和制备了532nm、1064nm单波长激光防护用负滤光片，对特定激光波长的反射率大于99％，截止带两侧通带内平均透射率大于85％，所镀制的滤光片具有良好的环境适应性，但其只能防护一个波长激光。另有采用溅射法制备了Sub/(HL)^P H2L/空气(P＝9～15)防护膜，对1.06和1.315μm波长范围内的激光高反射，对可见光则高透过。
综上所述，目前对于卫星激光防护薄膜研究主要集中在可见光-近红外波段，不能完全覆盖目前常用的高功率激光武器输出波长所在的近红外-中红外波段，对于多波段激光防护窗口的设计还未见报道。因此本发明提出一种多波段线性激光防护薄膜窗口的设计方法，实现5波段激光防护窗口的制备，对于卫星平台防护激光武器具有重要的作用。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种能覆盖可见光-近红外-中红外波段的多波段线性激光防护薄膜窗口，通过采用基底和线性激光防护薄膜相结合的方法，选择具有一定波段吸收的基底，在基底二面镀制多波段分光薄膜，实现卫星工作波段的高透过和强激光武器波段的低透过，另外还能大大降低薄膜的应力特性，从而实现卫星的正常工作和强激光武器攻击的防护。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，包括窗口基底和形成在窗口基底两侧表面上的薄膜，其中，基底一侧表面的薄膜为四波段分光薄膜A，其膜系结构为：Sub/(L 2H L)^m(0.8L 1.6H 0.8L)^m/Air，参考波长为λ1，其中8<m<24；基底另一侧表面的薄膜为四波段分光薄膜B，其膜系结构为：Sub/(2L 4H 2L)^n/Air，参考波长为λ2，其中8<n<24；高折射率薄膜材料H为Ta2O5，低折射率薄膜材料L为SiO2。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的多波段线性激光防护薄膜窗口，通过在吸收基底二面分别设计四波段分光薄膜，能降低防护窗口的应力，实现多波段卫星激光防护窗口的设计；本方法对于不同工作波段、不同防护激光波段的线性激光防护窗口的设计具有普适性。
附图说明
图1线性激光防护薄膜窗口结构示意图。
图2 10mm厚的k9玻璃基底的透过率曲线。
图3离子束溅射Ta2O5和SiO2薄膜的折射率曲线。
图4四波段分光薄膜A的理论设计透过率曲线。
图5四波段分光薄膜B的理论设计透过率曲线。
图6多谱段线性激光防护薄膜窗口的理论设计透过率曲线。
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。
参照图1所示，本实施例薄膜窗口包括窗口基底和形成在窗口基底两侧表面上的薄膜，其中，基底一侧表面的薄膜为四波段分光薄膜A，其膜系结构为：Sub/(L 2H L)^m(0.8L 1.6H 0.8L)^m/Air，参考波长为λ1，其中8<m<24；基底另一侧表面的薄膜为四波段分光薄膜B，其膜系结构为：Sub/(2L 4H 2L)^n/Air，参考波长为λ2，其中8<n<24；高折射率薄膜材料H为Ta2O5，低折射率薄膜材料L为SiO2。
根据反射带的要求，将Ta2O5和SiO2的光学常数导入到薄膜设计软件中，根据m和n值不同，计算透过率曲线，然后根据预设指标要求选择合适的m和n值。
其中，选择k9玻璃为窗口基底。
下面以可见光0.55～0.8μm和激光通信1.55μm波段的透过和0.532μm、1.064μm、1.315μm、2.7μm和3.8μm强激光的防护为实例进行设计，设计步骤如下：
根据多波段防护窗口设计要求，其线性激光防护薄膜窗口结构示意图如图1所示，选择10mm厚的k9玻璃为窗口基底，其0.5-4μm波段的透过率曲线如图2所示。
采用离子束溅射沉积设备制备单层Ta2O5和SiO2薄膜，采用WVASE32软件进行光学常数计算，获得的离子束溅射Ta2O5和SiO2薄膜折射率曲线如图3所示，将计算获得的单层Ta2O5和SiO2薄膜的光学常数输入到薄膜设计软件中。
在k9基底一面设计四波段分光薄膜A，实现1.064μm、1.315μm波长的反射和0.55～0.8μm、1.55μm波段的增透，基本膜系结构为Sub/(L2H L)^16(0.8L 1.6H 0.8L)^16/Air，参考波长为0.666μm，优化每个短波通膜系的前6层和后7层后，最终膜系结构为：Sub/1.89L1.92H 1.98L2.05H 2.03L 2.01H(2L 2H)^10 2.01L 2.00H 1.99L 2.00H 2.00L1.97H1.95L 1.93H 1.86L 1.76H 1.70L 1.63H(1.6L 1.6H)^10 1.57L 1.48H1.55L 1.45H1.58L 1.25H 0.78L/Air，物理厚度11.6μm，理论设计透过率曲线如图4所示。
在k9基底另一面设计四波段分光薄膜B，实现0.532μm、2.7μm波长的反射和0.55～0.8μm、1.55μm波段的增透，基本膜系结构为Sub/(2L4H 2L)^14/Air，参考波长为0.662μm，优化膜系的前9层和后10层后，最终膜系结构为：Sub/1.95L 3.99H 3.93L 4.01H 3.98L3.95H 4.01L4.00H 3.97L(4H 4L)^6 4.04H 3.98L 3.98H 4.03L 3.97H 3.96L4.02H2.97L/Air，物理厚度11.2μm，理论设计透过率曲线如图5所示。
将k9基底参数与四波段分光薄膜A和四波段分光薄膜B膜系结构输入到薄膜设计软件中，即可获得多谱段线性激光防护薄膜窗口的理论设计透过率曲线，如图6所示。对于0.55～0.8μm和1.55μm波段，能分别实现大于97％和98％的透过；对于0.532μm、1.064μm、1.315μm、2.7μm、3.8μm波段能分别实现小于0.2％、0.2％、0.1％、0.2％和0.5％的透过。
综合分析，设计的多波段线性激光防护薄膜窗口两面分光薄膜的物理厚度相接近，能大大降低薄膜的应力，另外还能实现可见光0.55～0.8μm和激光通信1.55μm波段的透过和0.532μm、1.064μm、1.315μm、2.7μm和3.8μm强激光的低透过，既满足了卫星工作波段的高透过，又能防护强激光武器的攻击。
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 (10)
1.一种多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，包括窗口基底和形成在窗口基底两侧表面上的薄膜，其中，基底一侧表面的薄膜为四波段分光薄膜A，其膜系结构为：Sub/(L2H L)^m(0.8L 1.6H 0.8L)^m/Air，其中8<m<24；基底另一侧表面的薄膜为四波段分光薄膜B，其膜系结构为：Sub/(2L 4H 2L)^n/Air，其中8<n<24；高折射率薄膜材料H为Ta2O5，低折射率薄膜材料L为SiO2。
2.如权利要求1所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，根据反射带的要求，将Ta2O5和SiO2的光学常数导入到薄膜设计软件中，根据m和n值不同，计算透过率曲线，然后根据预设指标要求选择合适的m和n值。
3.如权利要求1所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，所述窗口基底选用k9玻璃。
4.如权利要求2所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，为实现1.064μm、1.315μm波长的反射和0.55～0.8μm、1.55μm波段的增透，四波段分光薄膜A的膜系结构为Sub/(L 2H L)^16(0.8L 1.6H 0.8L)^16/Air。
5.如权利要求4所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，所述四波段分光薄膜A的膜系结构的参考波长为0.666μm。
6.如权利要求5所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，所述四波段分光薄膜A中，优化膜系的前6层和后7层后，最终膜系结构为：Sub/1.89L 1.92H 1.98L 2.05H2.03L 2.01H(2L 2H)^10 2.01L 2.00H 1.99L 2.00H 2.00L 1.97H 1.95L 1.93H 1.86L1.76H 1.70L 1.63H (1.6L 1.6H)^10 1.57L 1.48H 1.55L 1.45H 1.58L 1.25H 0.78L/Air，物理厚度为11.6μm。
7.如权利要求6所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，为实现0.532μm、2.7μm波长的反射和0.55～0.8μm、1.55μm波段的增透，四波段分光薄膜B的膜系结构为Sub/(2L 4H 2L)^14/Air。
8.如权利要求7所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，所述四波段分光薄膜B的参考波长为0.662μm。
9.如权利要求8所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，所述四波段分光薄膜B中，优化膜系的前9层和后10层后，最终膜系结构为：Sub/1.95L 3.99H 3.93L 4.01H3.98L 3.95H 4.01L 4.00H 3.97L(4H 4L)^6 4.04H 3.98L 3.98H 4.03L 3.97H 3.96L4.02H 2.97L/Air。
10.如权利要求9所述的多波段线性激光防护薄膜窗口，其特征在于，所述四波段分光薄膜B的物理厚度为11.2μm。
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