CN112162340A - 一种以锗为基底45度角倾斜使用的红外宽光谱分色片 - Google Patents
一种以锗为基底45度角倾斜使用的红外宽光谱分色片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种以锗为基底45度角倾斜使用的红外宽光谱分色片，该分色片入射面采用长波通滤光片的膜系结构形式，实现短波红外反射，中长波红外透射的光谱分光功能，膜系采用锗和硫化锌作为高低折射率材料。通过使用双反射堆来实现多通道宽带反射，反射堆两端加匹配层，匹配层中使用氟化镱，优化匹配层压缩透射通道波纹；出射面设计了宽光谱减反射膜，以获得透射通道高透射率。分色片在制备过程中采用合适的沉积速率、沉积温度与离子辅助沉积等工艺。该分色片能实现在1.29μm～1.38μm、1.58μm～1.83μm、1.95μm～2.32μm三个通道内高反射，3.70μm～12.50μm内多个通道高透射。本发明的分色片可靠性好、光学及物理性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术，具体指一种以锗为基底45度角倾斜使用的红外宽光谱分色片，通过在锗基底入射面上制备具有光谱分光功能的分色膜、在基底出射面上制备宽光谱减反射膜，从而实现光谱分光。
技术背景
红外光谱成像仪是对地观测卫星上的主要探测载荷之一，应用于大气成分的监测，在气象分析、生态环境保护等方面发挥重要作用。在红外多通道遥感成像光谱仪中，通常采用分色片进行光谱分光以实现光信号的变向传递，使得不同波段范围内的光信号被合适的探测器接收后分别成像。通过设计一种红外多通道宽光谱分色片，将宽光谱的红外光按照系统要求分到两个不同的光路中，1.29μm～1.38μm、1.58μm～1.83μm、1.95μm～2.32μm短波红外通道内的光经过分色片后进入反射光路，而3.70μm～12.50μm范围内的中波红外通道与长波红外通道内的光经分色片后进入透射光路。
分色片以锗晶体作为基底材料，设计上膜层材料选用透明波段宽且环境稳定性良好的锗、硫化锌与氟化镱材料。该分色片对于风云三号D星中分辨率光谱成像系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种以锗为基底45度角倾斜使用的红外宽光谱分色片，对1.29μm～12.50μm红外宽光谱进行分光，以满足风云三号D星中分辨率光谱成像仪中的光谱分光需求。
本发明的技术方案是：在锗基底入射面上制备分色膜，在基底出射面上制备宽光谱减反射膜。
该分色片的入射面上设计分色膜，其主膜系中采用长波通滤光片结构形式，以锗和硫化锌分别作为高折射率材料和低折射率材料。因分色片是在大角度(45°角)入射下使用，三个短波反射通道分布在1.29μm～2.32μm的宽带内，单个反射堆无法满足带宽要求，为此膜系结构中使用双反射堆，在双反射堆的两端加匹配层，匹配层中使用更低折射率的氟化镱材料。在分色片的出射面上设计宽光谱减反射膜，以锗、硫化锌和氟化镱分别作为高折射率材料、中等折射率材料和低折射率材料，通过优化膜层获得中波与长波通道高透射率。
根据以上分析，该分色片的实现包括以下步骤：
1.膜系的结构
分色膜的膜系结构为：
基底/M1(0.58N1.16H0.58N)7(0.46N0.92H0.46N)a M2/空气其中：M1为前匹配层，M2为后匹配层，M1结构为k1Nk2Hk3Nk4H，M2结构为g1Hg2Ng3Hg4Ng5Hg6Ng7Hg8Ng9Hg10Ng11Lg12Ng13Hg14Ng15Lg16N，指数a是第二个反射堆周期数。
宽光谱减反射膜的膜系为：
基底/0.237N 0.908H 0.664N 0.471H 0.525N 0.179L 1.278N 1.527L 0.216N/空气其中：N表示光学厚度为λ0/4的硫化锌膜层，H表示光学厚度为λ0/4的锗膜层，L表示光学厚度为λ0/4的氟化镱膜层，λ0为中心波长，a取值5或6，k1、k2、k3、k4、g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8、g9、g10、g11、g12、g13、g14、g15、g16为各膜层厚度的比例系数。
2.膜层制备方法
在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备内沉积膜层，沉积第一层膜层之前采用离子束轰击基片，H采用电子束蒸发沉积，N、L采用电阻加热蒸发沉积，部分膜层采用离子束辅助沉积，离子源为MarkII，具体参数为：阳极电压130V～150V，阴极电流15A～17A。通过膜层材料试验结果分析表明：温度过高时，特别是高于200℃时，不利于硫化锌在基底上的沉积，在温度相对较低下沉积比较厚的氟化镱膜时容易产生裂纹甚至脱膜，基底温度控制在200℃时，膜层具有很好的牢固度。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提供了一种以锗为基底45度角倾斜使用的红外宽光谱分色片，是风云三号D星气象卫星中的中分辨率光谱成像仪中不可缺少的光学元件。
2.本发明采用了特定制备工艺，减小了薄膜材料在长波端的吸收，保证了透射区宽光谱范围内的透射率，并且提高了空间可靠性。
3.本发明的技术方案合理可行，产品性能稳定，可广泛应用于红外中分辨率成像系统中。
附图说明
图1分色片的膜层结构示意图，图中：
1—分色膜；
2—锗基底；
3—减反射膜。
图2分色片实测反射率光谱曲线。
图3分色片实测透射率光谱曲线。
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的详细说明。
基底材料为锗晶体。
根据技术要求，采用在锗基底入射面上制备分色膜、基底出射面上制备宽光谱减反射膜的技术方案。分色膜在设计时既要考虑覆盖多个反射通道的宽带高反射率，又要考虑中波及长波宽光谱范围内的高透射要求。为此分色膜的主膜系采用长波通滤光片的结构形式，并在主膜系的两侧添加匹配层，通过局部优化控制个别关键层的厚度，获得满足光学及物理性能要求且有利于工艺实现的可用膜系；出射面设计宽光谱减反射膜，膜系优化时同样遵循这样的原则。
由于锗材料在短波反射通道存在一定的吸收，当整体膜层数越多时，膜系就越厚，短波反射通道吸收就会增大；又因氟化镱材料在长波透射通道也存在一定的吸收，氟化镱层太厚时影响长波端的透射率，所以需综合考虑整体膜系层数与厚度。
(1)当膜堆周期数a＝7，b＝5时，
通过软件对膜系进行优化调整，同时控制极个别关键层的厚度，得到的膜系为：基底/0.351N 1.952H 0.573N 1.078H(0.58N1.16H0.58N)7(0.46N 0.92H 0.46N)5 0.709H0.867N 1.172H 1.072N 1.339H 1.069N 0.865H 1.121N 0.785H 0.807N 0.694L 0.589N0.473H 0.388N 2.352L 0.755N/空气；
设计结果在短波红外波段获得高反射率，在中波红外与长波红外波段获得高透射率，能够满足风云三号D星中分辨率成像系统的光谱分光使用要求。
(2)当膜堆周期数a＝7，b＝6时，
通过软件对膜系进行优化调整，同时控制极个别关键层的厚度，去掉厚度比例系数为0的膜层，得到的膜系为：基底/0.362N 1.849H 0.605N 1.072H(0.58N 1.16H 0.58N)7(0.46N 0.92H 0.46N)6 0.406N 1.678H 0.926N 2.189H 1.066N 1.313H 1.328N 0.745H0.273N 0.871L 0.293N 0.602H 0.267N 2.423L 0.649N/空气；
设计结果在短波红外波段获得了高反射率，中波红外与长波红外波段获得高透射率，能够满足风云三号D星中分辨率成像系统的光谱分光使用要求。
综合考虑锗薄膜在短波红外波段存在一定的吸收、氟化镱在长波红外存在一定的吸收、膜系可靠性和技术指标要求这几方面因素，锗基底入射面上的分色膜选择1中的膜系进行实际制作，
结合锗基底出射面上的减反射膜系，最终的完整膜系为：
n0/0.755N 2.352L 0.388N 0.473H 0.589N 0.694L 0.807N 0.785H 1.121N0.865H 1.069N 1.339H 1.072N1.172H 0.867N0.709H(0.46N 0.92H 0.46N)5(0.58N1.16H 0.58N)7 1.078H 0.573N 1.952H 0.351N/ns/0.237N 0.908H 0.664N 0.471H0.525N 0.179L 1.278N 1.527L 0.216N/n0
式中：ns为锗基底，n0为空气，N表示光学厚度为λ0/4的硫化锌膜层，H表示光学厚度为λ0/4的锗膜层，L表示光学厚度为λ0/4的氟化镱膜层，λ0为中心波长，指数7和5是反射堆周期数，N、H、L前的数字为各膜层厚度的比例系数。
在本实施例中，分色片的膜层沉积是在200℃的基底温度下进行，采用电子束蒸发沉积锗材料，采用电阻蒸发沉积硫化锌材料和氟化镱材料，局部膜层采用离子束辅助沉积。
从图2与图3可以看出，以锗为基底45度角倾斜使用的红外宽光谱分色片对1.29μm～1.38μm、1.58μm～1.83μm、1.95μm～2.32μm三个反射通道高反射，1.29μm～1.38μm反射通道内的平均反射率达94％，1.58μm～1.83μm、1.95μm～2.32μm两个反射通道内的平均反射率达96％；对3.70μm～12.50μm波段内的透射通道内高透射，其中3.70μm～11.40μm内的透射通道平均透射率达90％，11.41μm～12.50μm的内透射通道平均透射率达84％，能够满足风云三号D星中分辨率光谱成像仪的光谱分光使用要求。
Claims (1)
1.一种以锗为基底45度角倾斜使用的红外宽光谱分色片，其结构为在锗基底(2)入射面上有具备光谱分光功能的分色膜(1)、在锗基底(2)出射面有宽光谱减反射膜(3)，其特征在于：
所述的分色膜(1)的膜系结构为：
基底/M1(0.58N1.16H0.58N)7(0.46N0.92H0.46N)aM2/空气
M1为前匹配层，其结构为：
k1Nk2Hk3Nk4H，
M2为后匹配层，其结构为：
g1Hg2Ng3Hg4Ng5Hg6Ng7Hg8Ng9Hg10Ng11Lg12Ng13Hg14Ng15Lg16N，其中：指数a是第二个反射堆周期数，a取值5或6；N表示光学厚度为λ0/4的硫化锌膜层，H表示光学厚度为λ0/4的锗膜层，L表示光学厚度为λ0/4的氟化镱膜层，λ0为中心波长，k1、k2、k3、k4、g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8、g9、g10、g11、g12、g13、g14、g15、g16为各膜层厚度的比例系数。
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