CN113900165B - 一种氟化钡基底复合增透膜及其结构设计方法 - Google Patents

一种氟化钡基底复合增透膜及其结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种氟化钡基底复合增透膜及其结构设计方法，其中所述复合增透膜的基本膜系结构为：Sub/γF(αiHβiL)n/Air(i＝1,2,…，n，n≥5)其中，Sub代表基底材料BaF2，αi，βi代表1/4波长光学厚度的倍数，Air代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，F代表在所述基底材料表面制备的一层氟化物，γ为所述氟化物的1/4波长光学厚度的倍数；复合增透膜由高折射率材料和低折射率材料组成，形成近红外激光和长波红外光透过率高的增透膜，基底材料为氟化钡，在氟化钡上制备一层氟化物，两种氟化物结合使得增透膜和基底的结合更加牢固，增强了增透膜的可靠性。

Description

一种氟化钡基底复合增透膜及其结构设计方法
技术领域
本申请涉及红外光学薄膜设计与研制技术领域，具体涉及一种氟化钡基底复合增透膜及其结构设计方法。
背景技术
随着科学技术的发展，单一模式的光学探测技术已经逐渐不能满足航空航天和成像制导等高精度探测领域的应用需求。使用近红外激光和长波红外复合探测可以充分发挥不同频段、不同探测机理、不同探测体制的优势，将不同系统获得的信息有效融合，弥补各自的不足，极大提高光电系统的探测精度和抗干扰能力。对于近红外激光和长波红外复合的光电系统，需要2个不同的光路对近红外激光和长波红外进行分别探测，这就会极大增大光学系统的体积和重量。使用近红外激光和长波红外共用透镜构造透射式共口径光学系统，在实现系统高光学通量探测的同时，可以有效降低系统的总体积和重量。
BaF2是一种在近红外激光和长波红外波段均具有较好的透明性的光学材料。常与ZnS(ZnSe)形成高低折射率配置设计高通量复合探测光学系统。但是，材料本身在应用时存在一定问题：近红外激光和长波红外的透过率较低，需要通过在其表面制备增透膜，不过此增透膜与基底结合不牢固，易脱落；另外，材料易潮解，在潮湿环境下难以应用。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种氟化钡基底复合增透膜及其结构设计方法。
一方面，本申请提出一种氟化钡基底复合增透膜，所述复合增透膜的基本膜系结构为：
Sub/γF(αiHβiL)n/Air(i＝1,2,…，n，n≧5)
其中，Sub代表基底材料BaF2，αi，βi代表1/4波长光学厚度的倍数，n代表膜系层数，Air代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，F代表在所述基底材料表面制备的一层氟化物薄膜，γ为所述氟化物薄膜的1/4波长光学厚度的倍数。
根据本申请实施例提供的技术方案，在所述基本膜系结构的最外层制备一层抗潮解材料薄膜。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述氟化物为YbF3。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述抗潮解材料薄膜为ZnS。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述高折射率材料为ZnS，所述低折射率材料为YbF3。
根据本申请实施例提供的技术方案，采用离子辅助热蒸发法制备所述氟化物薄膜和所述抗潮解材料薄膜。
第二方面，本申请提出一种以上所述的氟化钡基底复合增透膜的结构设计方法，包括以下步骤：
设定参考波长λ；
设定所述氟化物薄膜和所述抗潮解材料薄膜的物理厚度h1、h2；
计算得出所述氟化物薄膜和所述抗潮解材料薄膜的1/4波长光学厚度的倍数γ、δ；
在所述基底材料表面制备一层所述氟化物薄膜，其1/4波长光学厚度的倍数为γ；
构建基本膜系结构，所述基本膜系结构为：
Sub/(αiHβiL)n/Air(i＝1,2,…，n，n≧5)
其中，Sub代表基底材料BaF2，αi，βi代表单位1/4波长光学厚度的倍数，Air代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料；
在所述氟化物薄膜表面制备一层具有所述基本膜系结构的薄膜，获得第一复合增透膜结构；
在所述第一复合增透膜的最外层制备一层所述抗潮解材料薄膜，其1/4波长光学厚度的倍数为δ，获得第二复合增透膜结构。
设定目标波段及目标透过率；
计算优化所述第二复合增透膜在所述目标波段的透过率，得到所述γ、αi、βi及δ的数值，获得最终复合增透膜结构结构；
根据本申请实施例提供的技术方案，所述1/4波长光学厚度的倍数通过如下公式计算得出:
其中，λ为参考波长，γ为1/4波长光学厚度的倍数，h为物理厚度，r为折射率。
综上所述，本申请提出一种氟化钡基底复合增透膜，复合增透膜由高折射率材料和低折射率材料组成，形成近红外激光和长波红外光透过率高的增透膜，基底材料为氟化钡，在氟化钡上制备一层氟化物，两种氟化物结合使得增透膜和基底的结合更加牢固，增强了增透膜的可靠性，另外在增透膜最外层增设了抗潮解材料，提高了其抗潮解性，使得在潮湿的环境下依然能够应用。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种氟化钡基底复合增透膜的基本膜系结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种外层制备有一层抗潮解材料的氟化钡基底复合增透膜的膜系结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种氟化钡基底复合增透膜的结构设计流程图；
图4为ZnS折射率曲线图；
图5为YbF3折射率曲线图；
图6为1.064μm透过率曲线图；
图7为8μm-12μm透过率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
诚如背景技术中提到的，针对现有技术中的问题，本申请提出了一种氟化钡基底复合增透膜，如图1所示，所述复合增透膜的基本膜系结构为：
Sub/γF(αiHβiL)n/Air(i＝1,2,…，n，n≧5)
其中，Sub代表基底材料BaF2，αi，βi代表1/4波长光学厚度的倍数，Air代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，F代表在所述基底材料表面制备的一层氟化物薄膜，γ为所述氟化物薄膜的1/4波长光学厚度的倍数。
本实施例中，优选地，所述氟化物为YbF3。
所述复合增透膜由所述高折射率材料和所述低折射率材料组成，形成近红外激光和长波红外光透过率高的增透膜，基底材料为所述氟化钡，在所述氟化钡上制备一层氟化物，两种氟化物结合使得所述增透膜和所述基底的结合更加牢固，增强了所述增透膜的可靠性。
进一步地，在所述基本膜系结构的最外层制备一层抗潮解材料薄膜。如图2所示，由于基底材料本身的易潮解性，故在潮湿环境下难以应用。故在最外层增加一层抗潮解材料薄膜，提高此增透膜的适用性，优选地，本实施例中，所述抗潮解材料为ZnS。在最外层添加抗潮解材料薄膜后，获得第一膜系结构为：
Sub/γF(αiHβiL)nδZ/Air(i＝1，2，…，n)
其中Sub代表基底材料BaF2，αi代表H的1/4波长光学厚度的倍数，βi代表L的1/4波长光学厚度的倍数，Air代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，F代表在所述基底材料表面制备的一层氟化物薄膜YbF3，γ为所述氟化物薄膜的1/4波长光学厚度的倍数，Z代表添加的抗潮解材料薄膜ZnS，δ为所述抗潮解材料薄膜的1/4波长光学厚度的倍数。
进一步地，优选地，所述高折射率材料为ZnS，所述低折射率材料为YbF3。所述ZnS分子量97.44，密度4.09g/cm3，熔点1830℃，是用于可见光和红外光区的最重要的一种高折射率薄膜材料，有很好的机械特性和理论上良好的光学特性；所述YbF3的低折射率材料，且与所述ZnS有较好的结合性，可提高所述复合增透膜的结合牢固度。
进一步地，采用辅助热蒸发法制备所述氟化物和所述抗潮解材料。常见的，光学材料的镀膜工艺包括：磁控溅射、离子束溅射、化学气相沉积、热蒸发沉积、离子辅助热蒸发等，本实施例中，优选地，选择离子辅助热蒸发法，此方法具有低污染、覆盖面积大、且成本较低的优势。
实施例2
本申请提出一种具有以上所述的氟化钡基底复合增透膜的结构设计方法，包括以下步骤，如图3所示：
设定参考波长λ；本实施例中设定参考波长为2000nm。
设定所述氟化物薄膜和所述抗潮解材料薄膜的物理厚度h1、h2；本实施例中设定所述氟化物薄膜为F，其物理厚度设定为20nm，其氟化物为YbF3；设定所述抗潮解材料薄膜为Z，其物理厚度设定为20nm，其抗潮解材料为ZnS。
计算得出所述氟化物薄膜和所述抗潮解材料薄膜的1/4波长光学厚度的倍数γ、δ；
所述1/4波长光学厚度的倍数通过如下公式计算得出:
其中，λ为波长，η为1/4波长光学厚度的倍数，h为物理厚度，r为折射率。
请参考图4所示，所述ZnS的折射率在波长λ为2000nm时为2.2575，且其物理厚度h为20nm，带入公式(1)，计算得出η＝0.0903，即所述ZnS的1/4波长光学厚度的倍数γ为0.09003。
请参考图5所示，所述YbF3的折射率在波长λ为2000nm时为1.4775，且其物理厚度h为20nm，带入公式(1)，计算得出η＝0.0591，即所述YbF3的1/4波长光学厚度的倍数δ为0.0591。
在所述基底材料表面制备一层所述氟化物薄膜，其1/4波长光学厚度的倍数为γ；根据上述计算，所述γ为0.09003，本实施例中选择3mm厚BaF2为基底材料。
构建基本膜系结构，所述基本膜系结构为：
Sub/(αiHβiL)n/Air(i＝1,2,…，n，n≧5)
其中，Sub代表基底材料BaF2，αi，βi代表单位1/4波长光学厚度的倍数，Air代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料；本实施例中选用高折射率材料为ZnS，选用低折射率材料为YbF3，n的初始值为5。
在所述氟化物薄膜表面制备一层具有所述基本膜系结构的薄膜，获得第一复合增透膜结构；所述第一复合增透膜的结构为：
Sub/γF(αiHβiL)n/Air(i＝1，2，…，n)
由于所述氟化物材料为YbF3，与所述低折射率材料相同，故所述第一复合增透膜结构为：
Sub/γL(αiHβiL)n/Air(i＝1，2，…，n)
在所述第一复合增透膜的最外层制备一层所述抗潮解材料薄膜，其1/4波长光学厚度的倍数为δ，获得第二复合增透膜结构；根据上述计算，δ为0.0591，其结构为：
Sub/γF(αiHβiL)nδZ/Air(i＝1，2，…，n)
其中，由于本实施例中所述抗潮解材料和所述高折射率材料都选用的所述ZnS，故结构为：
Sub/γL(αiHβiL)nδH/Air
设定目标波段及目标透过率；本实施例中，所述目标波段为1.064μm和8μm-12μm；
计算优化所述第二复合增透膜在所述目标波段的透过率，得到所述γ、αi、βi及δ的数值，获得最终复合增透膜结构结构；优选地，基于数值优化算法，优化所述第二复合增透膜在所述目标波段的透过率，使得此透过率趋于所述目标透过率，得到所述γ、αi、βi及δ的数值，获得最终复合增透膜的结构：S/0.0591L 0.9976H 1.1379L 1.0292H 0.9576L0.1295H 1.5931L 0.0938H 1.6788L 0.2233H 0.5911L 0.0903H/Air。在3mm氟化钡基底材料双面制备所述复合增透膜，如图6所示，所述目标波段1.064μm的透过率由93.5％提升至98.3％，如图7所示，所述目标波段8μm-12μm的平均透过率由89.5％提升至92.0％。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种氟化钡基底复合增透膜，其特征在于：
所述复合增透膜的基本膜系结构为：
Sub/γF(αiHβiL)n/Air i＝1,2,…，n，n≥5
其中，Sub代表基底材料BaF2，αi，βi代表1/4波长光学厚度的倍数，Air代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，F代表在所述基底材料表面制备的一层氟化物薄膜，γ为所述氟化物薄膜的1/4波长光学厚度的倍数；目标波段为1.064μm和8μm-12μm：所述高折射率材料为ZnS，所述低折射率材料为YbF3。
2.根据权利要求1所述的氟化钡基底复合增透膜，其特征在于：在所述基本膜系结构的最外层制备一层抗潮解材料薄膜。
3.根据权利要求1所述的氟化钡基底复合增透膜，其特征在于：所述氟化物为YbF3。
4.根据权利要求2所述的氟化钡基底复合增透膜，其特征在于：所述抗潮解材料为ZnS。
5.根据权利要求2所述的氟化钡基底复合增透膜，其特征在于：采用离子辅助热蒸发法制备所述氟化物薄膜和所述抗潮解材料薄膜。
6.一种权利要求2-5任一项所述的氟化钡基底复合增透膜的结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
设定参考波长λ；
设定所述氟化物薄膜和抗潮解材料薄膜的物理厚度h1、h2；
计算得出所述氟化物薄膜和所述抗潮解材料薄膜的1/4波长光学厚度的倍数γ、δ；
在所述基底材料表面制备一层所述氟化物薄膜，其1/4波长光学厚度的倍数为γ；
构建基本膜系结构，所述基本膜系结构为：
Sub/(αiHβiL)n/Air i＝1,2,…，n，n≥5
其中，Sub代表基底材料BaF2，αi，βi代表1/4波长光学厚度的倍数，Air代表空气，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料；
在所述氟化物薄膜表面制备一层具有所述基本膜系结构的薄膜，获得第一复合增透膜结构；
在所述第一复合增透膜的最外层制备一层所述抗潮解材料薄膜，其1/4波长光学厚度的倍数为δ，获得第二复合增透膜结构；
设定目标波段及目标透过率；
计算优化所述第二复合增透膜在所述目标波段的透过率，得到所述γ、αi、βi及δ的数值，获得最终复合增透膜结构。
7.根据权利要求6所述的氟化钡基底复合增透膜的结构设计方法，其特征在于：
所述1/4波长光学厚度的倍数通过如下公式计算得出:
其中，λ为参考波长，γ为1/4波长光学厚度的倍数，h为物理厚度，r为折射率。
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