CN110824588A - 一种中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法 - Google Patents

一种中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法 Download PDF

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刘华松
姜玉刚
杨霄
孙鹏
何家欢
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Abstract

本发明涉及一种中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法，属于光学薄膜技术领域。本发明设计了一种新型中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法，它通过采用中波增透硬质保护薄膜和中波增透薄膜相结合的方法，能够有助于中波红外硬质保护薄膜窗口的制备。设计过程中，它通过在Si基底一面设计中波增透硬质保护薄膜，其中选择高硬度的Si3N4薄膜作为最外层保护薄膜，在另一面设计中波增透薄膜，能实现高透过率、高硬度的中波红外硬质保护薄膜窗口的设计。

Description

一种中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法。
背景技术
随着红外技术的高速发展，红外制导武器的服役环境日益苛刻。红外窗口是红外热成像探测系统中的关键部件，位于红外成像系统的最前端。它是重要的结构/功能一体化部件，又是抗高速条件下的热力学冲击的薄弱环节。国外早在四十年代就开始了增透保护膜的研究和相关试验验证。通过数十年的研究总结出窗口耐受砂蚀/雨蚀的速度阈值，窗口耐受砂蚀/雨蚀损失光学性能的时间等经验性公式。在对损伤机理研究的同时，相应的保护膜层的研究也在同步进行，但直到八十年代初国外才实现类金刚石保护膜(DLC膜)的沉积，试验表明保护膜对窗口表面的侵蚀耐受程度具有明显的提升。
在目前的技术手段下，中波红外光学窗口表面的硬质保护薄膜一般使用类金刚石薄膜。国内外大量研究单位均开展来了关于类金刚石薄膜的理论与实验研究。然而，类金刚石薄膜具有材料本身的固有技术难题和不足：1)类金刚石膜层在大气高温环境下易发生氧化，导致其性能迅速退化；2)随着类金刚石薄膜厚度的增大，膜层内部产生较大的应力，进而降低膜层与基底之间的结合强度，导致薄膜在基底表面成膜困难，极易诱发膜层起皱甚至脱落，使薄膜在使用过程中就发生早期失效；3)类金刚石薄膜的一般采用CVD法制备，不易与其他制备方法兼容，且该方法制备的薄膜具有较大的红外吸收，当硬质保护薄膜厚度较大时，红外窗口的透过率会明显降低。
而由于作无定形态的Si3N4是一种重要的结构材料，它具有硬度高、弹性模量大，本身具有润滑性，表面摩擦系数小、耐磨损等特点，所以常被用作耐磨材料。同时它还具有耐高温、热膨胀系数小、导热系数大、抗热震性好，以及耐腐蚀、抗氧化等优点。所以Si3N4薄膜在硬质保护薄膜方面具有很大的应用前景。
综上所述，目前中波常用的硬质保护薄膜大都是采用DLC薄膜，而对于Si3N4薄膜作为保护薄膜在中波红外窗口的应用还未见报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何实现高透过率、高硬度的中波红外硬质保护薄膜窗口的设计。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法，包括以下步骤：
1)首先给出基底，高、低折射率薄膜材料的光学常数；其次给出高硬度保护薄膜材料的光学常数；
2)然后给出中波增透硬质保护薄膜和中波增透薄膜的基本膜系结构；并根据要求选择合适的参数优化膜系结构，获得最佳的增透硬质保护薄膜和中波增透薄膜膜系结构；
3)将最佳的增透硬质保护薄膜和中波增透薄膜膜系结构和基底相结合，得到中波红外硬质保护薄膜窗口。
优选地，步骤1中，选择Si基底，选择Ta2O5为高折射率薄膜材料H，SiO2为低折射率薄膜材料L，Si3N4为硬质保护薄膜最外层薄膜材料M。
优选地，步骤1给出高折射率薄膜材料Ta2O5的折射率和消光系数，低折射率薄膜材料SiO2的折射率和消光系数，以及Si3N4薄膜的折射率和消光系数。
优选地，步骤2中，还在Si基底一侧设计3700nm-4800nm的增透硬质保护薄膜，记为Film A，在Si基底另一侧设计3700nm-4800nm的增透薄膜，记为Film B。
优选地，步骤2中设计Film A的基本膜系结构为Sub/(H L)^3M/Air，参考波长为4000nm。
优选地，优化后Film A的膜系结构为：Sub/1.06H 1.03L 0.05H 0.04L 0.98H0.48L 0.38M/Air。
优选地，步骤2中设计Film B的基本膜系结构为Sub/(H L)^4/Air，参考波长为4000nm，H为Ta2O5薄膜，L为SiO2薄膜。
优选地，优化后Film B的膜系结构为：Sub/1.03H 1.03L 0.77H 0.06L 0.76H0.68L 0.05H 0.04L/Air。
优选地，将优化后的增透硬质保护薄膜Film A、增透薄膜Film B和Si基底结合，得到中波红外硬质保护薄膜窗口。
(三)有益效果
本发明设计了一种新型中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法，它通过采用中波增透硬质保护薄膜和中波增透薄膜相结合的方法，能够有助于中波红外硬质保护薄膜窗口的制备。设计过程中，它通过在Si基底一面设计中波增透硬质保护薄膜，其中选择高硬度的Si3N4薄膜作为最外层保护薄膜，在另一面设计中波增透薄膜，能实现高透过率、高硬度的中波红外硬质保护薄膜窗口的设计。结果表明，该方法将大大提高中波红外硬质保护薄膜窗口的性能，对于中高性能中波红外硬质保护薄膜窗口的制备具有重要的作用。本发明对于不同工作波段的中波红外硬质保护薄膜的设计具有普适性。
附图说明
图1为中波红外硬质保护薄膜窗口结构示意图；
图2为Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的折射率和消光系数曲线图；
图3为Si3N4薄膜的折射率和消光系数曲线图；
图4为中波增透硬质保护薄膜的理论设计透过率曲线图；
图5为中波增透薄膜的理论设计透过率曲线图；
图6为中波红外硬质保护薄膜窗口理论设计透过率曲线图。
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。
本发明提供了一种中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法，包括以下步骤：
1)首先选择Si基底，选择Ta2O5为高折射率薄膜材料(H)，SiO2为低折射率薄膜材料(L)，Si3N4为硬质保护薄膜最外层薄膜材料(M)；将Si基底、Ta2O5薄膜、SiO2薄膜和Si3N4薄膜的光学常数导入到薄膜设计软件中；
2)根据技术要求，在基底一面设计增透硬质保护薄膜Film A，膜系结构为Sub/(HL)^m M/Air，参考波长为λ1，根据工作波段和透过率要求，选择合适的m(2～10)和λ1(1000nm～5000nm)参数；
在基底另一面设计增透薄膜Film B，膜系结构为Sub/(HL)^n/Air，参考波长为λ2，根根据工作波段和透过率要求，选择合适的n(2～10)和λ2(1000nm～5000nm)参数。
3)将增透硬质保护薄膜Film A、增透薄膜Film B和Si基底相结合，即可获得一种新型中波红外硬质保护薄膜窗口。
下面以中波红外(3700nm-4800nm)硬质保护薄膜窗口进行实例设计，设计步骤如下：
1)根据中波红外窗口设计要求，选择Si基底。选择Ta2O5为高折射率薄膜材料，SiO2为低折射率薄膜材料，Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的折射率和消光系数曲线如图2所示。选择高硬度的Si3N4作为硬质保护薄膜最外层薄膜材料，Si3N4薄膜的折射率和消光系数曲线如图3所示，在4000nm处的折射率和消光系数分别为1.916和2×10-4。
2)根据技术要求，如图1所示，在Si基底一侧设计3700nm-4800nm的增透硬质保护薄膜Film A，基本膜系结构为Sub/(H L)^3M/Air，参考波长为4000nm，H为Ta2O5薄膜，L为SiO2薄膜，M为Si3N4薄膜，优化后，具体膜系结构为：Sub/1.06H 1.03L 0.05H 0.04L 0.98H0.48L 0.38M/Air，其中Sub为基底，Air为空气，3700nm-4800nm的增透硬质保护薄膜理论设计透过率曲线如图4所示。
根据技术要求，在Si基底另一侧设计3700nm-4800nm的增透薄膜Film B，基本膜系结构为Sub/(H L)^4/Air，参考波长为4000nm，H为Ta2O5薄膜，L为SiO2薄膜，优化后，具体膜系结构为：Sub/1.03H1.03L 0.77H 0.06L 0.76H 0.68L 0.05H 0.04L/Air，3700nm-4800nm的增透薄膜理论设计透过率曲线如图5所示。
3)将增透硬质保护薄膜Film A和增透薄膜Film B膜系结构和Si基底相结合，即可获得中波红外硬质保护薄膜窗口，3700nm-4800nm硬质保护薄膜窗口的设计透过率曲线如图6所示，工作波段3700nm-4800nm的平均透过率达到99.27％。
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)

1.一种中波红外硬质保护薄膜窗口的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)首先给出基底，高、低折射率薄膜材料的光学常数；其次给出高硬度保护薄膜材料的光学常数；
2)然后给出中波增透硬质保护薄膜和中波增透薄膜的基本膜系结构；并根据要求选择合适的参数优化膜系结构，获得最佳的增透硬质保护薄膜和中波增透薄膜膜系结构；
3)将最佳的增透硬质保护薄膜和中波增透薄膜膜系结构和基底相结合，得到中波红外硬质保护薄膜窗口。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，选择Si基底，选择Ta2O5为高折射率薄膜材料H，SiO2为低折射率薄膜材料L，Si3N4为硬质保护薄膜最外层薄膜材料M。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1给出高折射率薄膜材料Ta2O5的折射率和消光系数，低折射率薄膜材料SiO2的折射率和消光系数，以及Si3N4薄膜的折射率和消光系数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中，还在Si基底一侧设计3700nm-4800nm的增透硬质保护薄膜，记为Film A，在Si基底另一侧设计3700nm-4800nm的增透薄膜，记为Film B。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2中设计Film A的基本膜系结构为Sub/(H L)^3M/Air，参考波长为4000nm。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，优化后Film A的膜系结构为：Sub/1.06H1.03L 0.05H 0.04L 0.98H 0.48L 0.38M/Air。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2中设计Film B的基本膜系结构为Sub/(H L)^4/Air，参考波长为4000nm，H为Ta2O5薄膜，L为SiO2薄膜。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，优化后Film B的膜系结构为：Sub/1.03H1.03L 0.77H 0.06L 0.76H 0.68L 0.05H 0.04L/Air。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将优化后的增透硬质保护薄膜Film A、增透薄膜Film B和Si基底结合，得到中波红外硬质保护薄膜窗口。
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