CN115079314B - 一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口 - Google Patents

一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口包括基底与设置于所述基底两面的增透膜;所述增透膜的膜系结构包括Sub/(a1iHb1iLa1iH)m/(a2iHb2iLa2iH)n/Air,m、n以及i独立地为正整数;其中,H代表λ0/4光学厚度的Ge膜层;L代表λ0/4光学厚度的ZnS膜层;a1i、a2i分别代表每层Ge膜层的厚度系数;b1i、b2i分别代表每层ZnS膜层的厚度系数;所述光学窗口通过对增透膜膜系的结构进行优化设计,不仅提高了光学测量窗口在中红外光谱段的透过率,而且提升了其使用强度,使其既能适用于低温环境,又能适用于高温环境,具有较好的应用前景。

Description

一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口
技术领域
本发明属于薄膜技术领域,具体涉及一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口。
背景技术
红外窗口作为红外成像探测系统的重要组成部分,主要是将红外传感/成像系统与外部恶劣环境分隔开。它广泛的应用于航空航天,高能物理等领域,该领域内的应用设备经常处于极低温或者极高温环境。对红外窗口而言,一方面既要保护红外传感器及其它光电装置不受外界环境的损伤,同时又要保证不能降低光电传感器对透射光谱信号的探测灵敏度和分辨率。
蓝宝石晶体,由于具有良好的机械和光学等综合性能,是中波红外窗口的主要候选材料。然而,随着飞行器高速化趋势的发展,对红外探测窗口提出更高的技术挑战:严重的气动加热,将导致蓝宝石红外窗口工作温度亦不断随之增高,给蓝宝石红外窗口器件的强度与刚度等机械性能会带来不利的影响,此外还大大降低了其良好的透波性能,从而产生诸如热开裂、热辐射和光畸变等严重问题,导致蓝宝石红外窗口部件的结构/功能失效。在高温、高压等恶劣工作环境下,蓝宝石红外窗口材料的强度和透过率也会显著下降,随之将产生热开裂、热辐射和光畸变等现象,从而导致红外窗口部件的结构/功能失效,其在400nm-5000nm波段的极限透过率也只有85%。而在低温等极端工作环境下,由于材料本身的低温特性发生变化,如折射率、厚度、吸收系数等发生较大变化,最终影响光学器件的功能。
为解决高温环境下透过率的问题,CN110794490A公开了一种中波红外增透膜设计及制备方法,包括步骤:膜系设计,基片清洗,基片加热,膜系镀制。基片材料为折射率为1-5的红外窗口玻璃,高折射率镀膜材料的折射率为1.5-3,低折射率镀膜材料的折射率为1-1.5,使用离子辅助沉积及合适的烘烤温度等特定的工艺条件,采用双面镀膜方式可实现5mm厚的FGa玻璃在中红外波段具有良好的透过效果。
CN103287010A公开了一种蓝宝石红外窗口用氧化钇/二氧化硅增透保护膜,包括依次沉积的氧化钇层和二氧化硅层,氧化钇层的厚度为200-750nm,二氧化硅层的厚度为600-900nm。
但上述两种增透膜的只适用于高温环境下,无法同时适用于极低温环境。
综上所述,如何提供一种可同时适用于低温环境和高温环境的中红外光谱段的光学窗口具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口通过增透膜膜系结构的设计,不仅提高了光学测量窗口在中红外光谱段的透过率,而且提升了其使用强度,使其既能适用于低温环境,又能适用于高温环境,具有较好的应用前景。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口包括基底与设置于所述基底两面的增透膜;
所述增透膜的膜系结构包括Sub/(a1iHb1iLa1iH)m/(a2iHb2iLa2iH)n/Air,m≥1,n≥1,i为正整数;
其中,H代表λ0/4光学厚度的Ge膜层;L代表λ0/4光学厚度的ZnS膜层;
a1i、a2i分别代表每层Ge膜层的厚度系数;b1i、b2i分别代表每层ZnS膜层的厚度系数。
λ0代表膜系结构对应的中心波长,这里λ0=2300nm。
本发明中膜系结构Sub/(a1iHb1iLa1iH)m/(a2iHb2iLa2iH)n/Air的意思具体是指,从基底(Sub)至远离基底的方向(即Air)上,依次设置有(a1iHb1iLa1iH)m膜层结构和(a2iHb2iLa2iH)n膜层结构。
本发明所述光学窗口针对现有光学窗片在低温或高温下透过率差、测量精度差的问题,通过设计新的膜系结构,使所得光学窗口极大地增加了窗片对中红外光谱段的透过率,可适用于极低或极高的温度环境下,且大大增加了调温光谱设备的测量灵活性与中红外光谱段的光学测量准确率。
以下作为本发明优选的技术方案,但不作为本发明提供的技术方案的限制,通过以下技术方案,可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案,所述增透膜的膜系结构中,m=2-5,且为正整数,例如2、3、4或5等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用,优选为4。
作为本发明优选的技术方案,所述增透膜的膜系结构中,n=3-6,且为正整数,例如3、4、5或6等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用,优选为5。
本发明中,(a1iHb1iLa1iH)膜结构与(a2iHb2iLa2iH)膜结构的重复周期均对最终增透膜的性能具有十分重要的影响。(a1iHb1iLa1iH)膜结构重复过多会导致制备工艺复杂,镀制周期变长,成本增加;重复过少会造成窗口的光学性能降低;(a2iHb2iLa2iH)膜结构重复过多或过少会也会对产品的性能产生较大影响。
作为本发明优选的技术方案,所述增透膜的膜系结构中,a1i=0.25-0.3,例如0.25、0.26、0.27、0.28、0.29或0.3等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用,优选为0.28。
作为本发明优选的技术方案,所述增透膜的膜系结构中,b1i是a1i的1.5-2.5倍,例如1.5倍、1.6倍、1.7倍、1.8倍、1.9倍、2.0倍、2.1倍、2.2倍、2.3倍、2.4倍或2.5倍等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述增透膜的膜系结构中,b1i是a1i的2倍。
作为本发明优选的技术方案,所述增透膜的膜系结构中,a2i=0.15-0.22,例如0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20、0.21或0.22等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用,优选为0.2。
作为本发明优选的技术方案,所述增透膜的膜系结构中,b2i是a2i的1.5-2.5倍,例如1.5倍、1.6倍、1.7倍、1.8倍、1.9倍、2.0倍、2.1倍、2.2倍、2.3倍、2.4倍或2.5倍等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述增透膜的膜系结构中,b2i是a2i的2倍。
本发明中,对于(a1iHb1iLa1iH)的膜结构,若a1i过大,即Ge膜层过厚,这会导致膜系失配,光谱透过率将会大大降低;若a1i过小,即Ge膜层过薄会也会导致膜系失配,降低光谱的透过率。此外,在整体膜结构中,a2i是小于a1i,主要是通过产生两个不同位置的光谱曲线,从而有效提高最终光谱的透过率。
再一方面,在上述两种结构中,均需控制系数b是系数a的1.5-2.5倍。
作为本发明优选的技术方案,所述基底包括蓝宝石。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明所述光学窗口通过增透膜膜系结构的优化与设计,实现了在低温(-195℃)至高温(300℃)环境下,光学窗口在中红外光谱段内平均透过率均达92.0%以上,极大地增加了调温光谱设备的测量灵活性与准确率,有利于生产应用。
具体实施方式
为更好地说明本发明,便于理解本发明的技术方案,下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子,并不代表或限制本发明的权利保护范围,本发明保护范围以权利要求书为准。
在一个具体实施方式中,本发明提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口包括基底与设置于所述基底两面的增透膜;
所述增透膜的膜系结构包括Sub/(a1iHb1iLa1iH)m/(a2iHb2iLa2iH)n/Air,m、n以及i独立地为正整数;
其中,H代表λ0/4光学厚度的Ge膜层;L代表λ0/4光学厚度的ZnS膜层;
a1i、a2i分别代表每层Ge膜层的厚度系数;b1i、b2i分别代表每层ZnS膜层的厚度系数。
进一步地,所述增透膜的膜系结构中,m=2-5,且为正整数。
进一步地,所述增透膜的膜系结构中,n=3-6,且为正整数。
进一步地,所述增透膜的膜系结构中,a1i=0.25-0.3。
进一步地,所述增透膜的膜系结构中,b1i是a1i的1.5-2.5倍。
进一步地,所述增透膜的膜系结构中,a2i=0.15-0.22
进一步地,所述增透膜的膜系结构中,b2i是a2i的1.5-2.5倍。
进一步地,所述基底包括蓝宝石。
以下为本发明典型但非限制性实施例:
本发明实施例1-4分别提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,基于具体实施方式部分的光学窗口,各实施例中的具体参数条件如表1所示。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
基底 蓝宝石 蓝宝石 蓝宝石 蓝宝石
a1i 0.28 0.25 0.3 0.26
b1i 0.56 0.625 0.45 0.468
m 4 4 3 5
a2i 0.2 0.22 0.18 0.16
b2i 0.4 0.44 0.324 0.4
n 5 6 4 3
对比例1:
本对比例提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口参照实施例1中的光学窗口,区别仅在于:增透膜的膜系结构为Sub/(a2iHb2iLa2iH)n/(a1iHb1iLa1iH)m/Air,涉及到的其他参数具体数值不变。
对比例2:
本对比例提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口参照实施例1中的光学窗口,区别仅在于:增透膜的膜系结构为Sub/(a1iHb1iLa1iH)n+m/Air,涉及到的其他参数具体数值不变。
对比例3:
本对比例提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口参照实施例1中的光学窗口,区别仅在于:增透膜的膜系结构为Sub/(a2iHb2iL)n/(a1iHb1iL)m/Air,涉及到的其他参数具体数值不变。
对比例4:
本对比例提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口参照实施例1中的光学窗口,区别仅在于:增透膜的膜系结构为Sub/(a2iHb2iLa2iH)n+m/Air,涉及到的其他参数具体数值不变。
对比例5:
本对比例提供了一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,所述光学窗口参照实施例1中的光学窗口,区别仅在于:增透膜的膜系结构为Sub/(b1iLa1iHb1iL)m/(b2iLa2iHb2iL)n/Air,涉及到的其他参数具体数值不变。
使用分光光度计测量实施例1-4以及对比例1-5所得光学窗口在中红外光谱段(3000-5000nm)的平均透过率,结果如表2所示。
表2
通过表2的数据结果可以看出,本发明实施例1-4的膜系结构可极大地提升光学窗口在低温或高温环境下的透过率,使其低温(-195℃)下平均透过率达92.1%以上,高温(300℃)下平均透过率达92.0%以上。
而通过对比例1-5可以看出,本发明所设计的膜系结构的优异性,无论是调整镀膜的顺序还是在本发明的基础上进行数量上的删减,这些同样会造成增透膜性能的下降。
综合上述实施例和对比例可以看出,本发明所述光学窗口通过增透膜膜系结构的优化与设计,实现了在低温(-195℃)至高温(300℃)环境下,光学窗口在中红外光谱段内平均透过率均达92.0%以上,极大地增加了调温光谱设备的测量灵活性与准确率,有利于生产应用。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的产品和详细方法,但本发明并不局限于上述产品和详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述产品和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于低温与高温环境下的中红外光谱段光学窗口,其特征在于,所述光学窗口包括基底与设置于所述基底两面的增透膜;
所述增透膜的膜系结构包括Sub/(a1iHb1iLa1iH)m/(a2iHb2iLa2iH)n/Air,m、n以及i独立地为正整数;
其中,m=2-5、n=3-6、a1i=0.25-0.3、a2i=0.15-0.22;b1i是a1i的1.5-2.5倍,b2i是a2i的1.5-2.5倍;
H代表λ0/4光学厚度的Ge膜层;L代表λ0/4光学厚度的ZnS膜层;
a1i、a2i分别代表每层Ge膜层的厚度系数;b1i、b2i分别代表每层ZnS膜层的厚度系数。
2.根据权利要求1所述的光学窗口,其特征在于,所述增透膜的膜系结构中,m=4。
3.根据权利要求1所述的光学窗口,其特征在于,所述增透膜的膜系结构中,n=5。
4.根据权利要求1所述的光学窗口,其特征在于,所述增透膜的膜系结构中,a1i=0.28。
5.根据权利要求1所述的光学窗口,其特征在于,所述增透膜的膜系结构中,b1i是a1i的2倍。
6.根据权利要求1所述的光学窗口,其特征在于,所述增透膜的膜系结构中,a2i=0.2。
7.根据权利要求1所述的光学窗口,其特征在于,所述增透膜的膜系结构中,b2i是a2i的2倍。
8.根据权利要求1-7任一项所述的光学窗口,其特征在于,所述基底包括蓝宝石。
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