CN115201941B - 一种适用于空间环境的高效红外宽光谱减反射膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于空间环境的高效红外宽光谱减反射膜，该减反射膜是在红外透镜或窗口基底上，以Ge、YbF₃为高低折射率材料进行主膜系构建，以ZnS为粘合层改善基底与膜层材料间的结合特性，辅以最外层ZnS为保护层提高减反射膜的空间环境使用可靠性。膜系设计采用考虑介质吸收的高低折射率交替膜系设计方法辅以粘合层，获得满足技术要求的设计结果。该宽光谱减反射膜在制备过程中采用了离子辅助沉积、合适的沉积温度及沉积速率等特定工艺，能够实现对2‑16μm波段能量高效透射，同时具有良好的空间环境可靠性，适合于多谱段红外遥感仪器的透镜和窗口使用，在保证红外光学系统能量的高效传递的同时减少了鬼像对成像系统的影响。

Description

一种适用于空间环境的高效红外宽光谱减反射膜

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术，具体指一种适用于空间光学系统的高效红外宽光谱减反射膜。该反射膜在红外透镜或窗口基底上制备以Ge、YbF3为高低折射率材料的主膜系，以ZnS为粘合层改善基底与膜层间的结合特性，辅以最外层ZnS作为保护层提高减反射膜的空间环境使用可靠性，实现2-16μm范围内不同光谱带宽内能量的高效透射。

背景技术

在航天遥感以及全天候(包括夜间)军事作战等领域，全天候对地遥感和监视的能力需要性能卓越的红外光学系统，而光学效率是光学系统的一个重要考察指标。红外光学系统中的透镜、窗口等光学元件大都是由锗、硒化锌、硫系玻璃等红外光学晶体加工而成，这些红外光学材料的折射率比较高，表面剩余反射大，导致系统能量损失严重。要减少光学系统的能量损失和可能存在的“鬼像”，就必须尽可能地减少介质和光学元件界面的菲涅尔反射。因此通常系统中的光学元件包括窗口、透镜等都要在表面镀制高效的减反射膜，以消除“鬼像”同时提高系统光学效率。随着遥感仪器探测波段的不断延伸，透镜窗口等的工作波段也随着拓宽，而且透射率和可靠性要求也不断提高，传统的设计方法已不能满足要求。通过采用Ge和YBF3两种折射率差值较大的红外光学薄膜材料作为主膜系膜层材料，辅以粘合层和保护层，以较少的膜层数实现对2-16μm范围内不同光谱带宽的红外波段的高效增透。该减反射膜可以广泛应用于各类红外光学系统中的光学透镜窗口等。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于空间光学系统的高效红外宽光谱减反射膜的设计方法，以较少的膜层数实现对2-16μm范围内不同光谱带宽的红外波段的高效增透，满足多波段光学系统消除“鬼像”提高光学效率的需求。

本发明的技术方案是：在红外透镜或窗口基底的两表面上制备红外宽光谱减反射膜。在设计时既要考虑工作波段内的高透射要求，还要考虑膜层在空间应用的可靠性。因此膜系采用考虑介质吸收的高低折射率交替膜系设计方法，以Ge和YbF3这两种折射率差值较大的材料作为主膜系材料，采用较薄的ZnS层作为粘合层以改善基底与镀膜材料间的结合特性，辅以ZnS保护层提高整个减反射膜的可靠性。

根据以上分析，该减反射膜的实现包括以下步骤：

1.膜系的结构

在红外透镜或窗口基底1两个表面上依次沉积粘合层2、主膜系3及保护层4；

所述的透镜或窗口基底1为锗、硒化锌、硫系玻璃；

所述粘合层2为ZnS膜层，厚度为10～100nm；

所述的红外宽光谱减反射膜的主膜系3为低折射率膜层YbF3和高折射率膜层Ge构成的叠层，膜系结构为(a₁H b₁L)(a₂H b₂L)…(a_nH b_nL)，L表示光学厚度为λ₀/4的YbF3膜层；H表示光学厚度为λ₀/4的Ge膜层；λ₀为中心波长；

a₁，…,a_n，b₁,…,b_n分别为为λ0/4光学厚度的比例系数值，n为叠层的周期数，1≤n≤5；

所述保护层4为ZnS膜层，厚度通过将拟合的特定工艺条件下的ZnS材料实际光学常数代入由软件优化计算得出。。

2.膜层制备方法

膜层制备是在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备上进行的，ZnS、YbF₃、Ge均采用热蒸发沉积，全过程采用离子束辅助沉积，离子源为MarkII，具体参数为：阳极电压220V，阴极电流14A。沉积时真空度为1.0-1.5×10^-3Pa。通过膜层材料试验结果分析表明：基底温度控制在180℃时，膜层具有很好的牢固度；在该温度下，电子束蒸发沉积所得的Ge和YbF₃膜层应力最小，沉积速率分别为1.5～2nm/s和1.2～1.5nm/s，膜层间的结合最好。离子束辅助沉积对于增加膜层致密度，提高膜层可靠性也具有积极的作用。

本发明的有益效果如下：

1.本发明提供了一种适用于空间光学系统的高效红外宽光谱减反射膜，实现对2-16μm范围内不同光谱带宽的红外波段的高效增透，对多波段光学系统消除“鬼像”提高光学效率具有重要意义。

2.相比于以ZnS和Ge或者ZnS和YbF₃作为主膜系高低折射率材料，采用折射率差值较大的Ge和YbF₃则能够以最少的膜层数实现尽可能宽的波段增透以及尽可能高的透射率。

3.由于Ge与YbF₃的结合应力比较大，膜层容易开裂，因此本发明采用了特定工艺(包括沉积温度、速率、离子源辅助等)，提高了膜层的致密度，减小了膜层间的应力，保证了减反射膜的空间环境可靠性。

4.本发明的技术方案合理可行，产品性能稳定，可广泛应用于各类红外光学系统中的光学透镜窗口等的增透。

附图说明

图1是红外宽光谱减反射膜的膜层结构示意图，图中：

(1)—透镜或窗口基底；

(2)—粘合层；

(3)—主膜系膜层结构；

(4)—保护层。

图2锗基底双面镀制4-15μm宽光谱减反射膜后的实测透射率曲线。

图3硒化锌基底双面镀制7.5-14.5μm宽光谱减反射膜后的实测透射率曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

本实施例为红外高光谱相机中的中长波会聚透镜增透膜，其具体技术指标要求为：4-15μm平均透射率大于95％，基底材料为Ge。

根据技术要求，在设计时既要考虑4-15μm宽波段内的高透射要求，还要考虑膜层在空间应用的可靠性。膜系设计时采用考虑介质吸收的高低折射率交替膜系设计方法，以Ge和YbF3这两种折射率差值较大的材料作为主膜系材料，首层ZnS除了作为粘合层以改善基底与镀膜材料间的结合特性外，其厚度的选择还考虑到与后面的H层部分形成等效层满足与基底的折射率匹配，辅以ZnS保护层提高整个减反射膜的可靠性。为了保证较宽带宽内的均衡透射率，叠层周期数n＝4，最终膜系为：

n_s/0.2N 0.851H 0.318L 0.46H 0.367L 0.417H 0.785L 0.29H 1.403L 0.301N/n₀

N、H、L分别为ZnS、Ge和YbF₃，n_s为基底，n₀为空气，中心波长为4μm。

实施例二

本实施例是红外高光谱长波窗口的增透膜，其技术要求为7.5～14.5μm透射率大于97％，基底材料为硒化锌。

同样，在设计是既要考虑光学性能还要考虑空间可靠性。由于基底硒化锌与粘合层ZnS折射率比较接近，因此首层ZnS只是作为粘合层，其厚度小于100nm。由于波段相对实施例一要窄一些，因此叠层周期数n＝3，最终膜系为：

n_s/0.2N 1.11H 0.46L 2.597H 0.541L 1.32H 1.569L 0.832N/n₀各字母及符号意义同上，中心波长为4μm。

以上两实施例中，减反射膜的膜层制备都是在180℃的基底温度下，采用热蒸发沉积三种镀膜材料，全过程采用离子束辅助沉积。沉积时真空度为1.0～1.5×10^-3Pa。

图2、图3分别为两实施例减反射膜的实测光谱曲线。从图中可以看出，使用该发明专利所提供的减反射膜设计方法研制的透镜，透射率均满足系统指标要求。极低的单面剩余反射，对于消除系统“鬼像”起了重要作用。将两实施例样片按照光学薄膜空间可靠性试验规范要求进行试验，均能经受住相关试验检验，满足空间可靠性使用要求。

Claims (1)

1.一种适用于空间环境使用的高效红外宽光谱减反射膜，其特征在于：

所述的高效红外宽光谱减反射膜，其结构为：在红外透镜或窗口基底(1)两个表面上依次沉积粘合层(2)、主膜系(3)及保护层(4)；

所述的透镜或窗口基底(1)为锗、硒化锌、硫系玻璃；

所述粘合层(2)为ZnS膜层，厚度为10—100nm；

所述的红外宽光谱减反射膜的主膜系(3)为低折射率膜层YbF₃和高折射率膜层Ge构成的叠层，膜系结构为：

(a₁H b₁L)(a₂H b₂L)…(a_nH b_nL)，L表示光学厚度为λ₀/4的YbF₃膜层；H表示光学厚度为λ₀/4的Ge膜层；λ₀为中心波长；a₁，…,a_n，b₁,…,b_n分别为λ₀/4光学厚度膜层的比例系数值，n为叠层的周期数，1≤n≤5；

膜层的沉积工艺条件为：基底温度180℃，真空度为1.0-1.5×10^-3Pa，电子束蒸发沉积Ge和YbF3的沉积速率分别为1.5-2nm/s和1.2-1.5nm/s，离子束辅助沉积参数为阳极电压220V，阴极电流14A；

所述保护层(4)为ZnS膜层，其厚度通过软件优化得出，所用光学常数由特定工艺条件下的ZnS材料实验数据拟合计算得出。