CN115807207A - 一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，涉及光学薄膜技术领域。其包括步骤：制备Si膜层和SiO2膜层，获取所述膜层的第一光学厚度，进行退火处理；获取经退火处理后的Si膜层和SiO2膜层的光学常数及第二光学厚度；根据所述光学常数，计算滤光片的膜系；根据光学厚度的变化量，计算所述滤光片的修正监控膜系；在修正监控膜系的光学监控下制备所述滤光片，并进行退火处理，制得近红外滤光片。本发明提供的一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，其制备的近红外滤光片具有高透过率和高环境稳定性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术领域，尤其涉及一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法。
背景技术
在空间遥感领域，近红外波段(0.78～2.5μm)因诸多被探测目标在此区域具有独特的光谱特性，而受到了广泛关注，并成为遥感仪器重要的工作波段。Si/SiO2多谐振腔结构近红外滤光片因膜层材料折射率比值大，在近红外区域，特别是波长小于1.8μm的红外波段，具有不可比拟的优势。中长波红外区域常用的高折射率材料如锗(Ge)、碲化铅(PbTe)等在此波段存在明显吸收。可见光波段常用的高折射率材料如氧化钽(Ta2O5)、氧化铌(Nb2O5)等虽然在该波段可以使用，但由于其折射率偏低导致滤光片膜层数量多，产品镀制时间长，且可见光波段的带外抑制很难处理。相比于可见光波段常用的氧化物材料，Si/SiO2多谐振腔结构滤光片具有更简单的膜系结构，膜层数量少；具有更薄的膜层厚度，膜层应力小，薄膜器件可靠性高；具有更强的抗角漂能力；具有更宽的光谱截止带，同时可见光波段带外抑制更易处理。因此，这些独特优势使得Si/SiO2多谐振腔结构近红外滤光片在军事侦察、激光雷达以及新一代气象卫星等空间遥感领域有明确需求。
在空间遥感仪器中，带通滤光片作为精细分光元件将成像系统光谱通道精确分开，以准确提取各通道的遥感信息，其定位精度以及透过率等光谱性能的优劣直接关系到所获得参数反演的准确性。目前，电子束蒸发工艺已广泛应用于制备Si/SiO2多谐振腔结构滤光片，但硅薄膜在1.0～1.3μm波段仍存在严重吸收，导致滤光片透过率很低，限制了Si膜层在此波段的使用。同时，Si/SiO2多谐振腔结构滤光片在工程化应用过程中，受水汽、空气等环境因素的影响，滤光片会出现光谱透过率下降、波形变差以及中心波长漂移等问题，对遥感仪器成像系统的长期可靠、稳定运行带来巨大的挑战。
因此，提高薄膜器件透过性能及其环境稳定性已经成为Si/SiO2多谐振腔结构滤光片在1.0～1.3μm波段实现工程化应用的关键。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，其制备的近红外滤光片具有高透过率和高环境稳定性的优点；该方法结合光学镀膜技术与退火处理工艺，解决了Si/SiO2多谐振腔结构滤光片在1.0～1.3μm波段透过率低、环境稳定性差的技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，包括以下步骤：
1)分别制备Si膜层和SiO2膜层，获取所述Si膜层和SiO2膜层的第一光学厚度，进行退火处理；
2)采用透过率光谱包络法获取经退火处理后的所述Si膜层和SiO2膜层的光学常数及第二光学厚度；
3)根据所述光学常数，计算滤光片的膜系；
4)根据所述第二光学厚度与所述第一光学厚度的变化量，计算所述滤光片的修正监控膜系；
5)在所述修正监控膜系的光学监控下制备所述滤光片，并进行退火处理，制得近红外滤光片。
可选地，在步骤1)中，采用在真空环境下电子束蒸发工艺制备所述Si膜层和SiO2膜层。
可选地，在步骤1)中，退火处理条件为：在真空环境或保护气体氛围下，将膜层加热到300～400℃并保温2小时，然后自然冷却。
可选地，在步骤2)中，所述光学常数包括折射率n和消光系数k。
可选地，在步骤3)中，根据所述光学常数，利用TFCalc或FilmWizard光学薄膜设计软件，按照技术指标计算所述滤光片的膜系，膜系结构为多谐振腔的法布里-珀罗带通结构，具体膜系结构为：
[H L H…L|2mH|L…H L H]k
或者
[H L H…H|2mL|H…H L H]k
其中，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料膜层；L为光学厚度为λ/4的低折射率材料膜层；k代表谐振腔数目，其值取1～6之间的整数；m代表间隔层干涉级次，其值一般取1～3之间的整数。两种薄膜材料中，Si膜层为高折射率材料，SiO2膜层为低折射率材料。
可选地，在步骤4)中，根据所述第二光学厚度与所述第一光学厚度的变化量，对步骤3)获得的所述滤光片的膜系进行修正：将滤光片膜系中各材料膜层乘以相应修正因子，Si膜层的修正因子为1/αH，SiO2膜层的修正因子为1/αL，获得所述滤光片的修正监控膜系；其中，αH为Si膜层的第二光学厚度与第一光学厚度的比值；αL为SiO2膜层的第二光学厚度与第一光学厚度的比值。
可选地，在步骤5)中，采用电子束蒸发工艺制备所述滤光片膜系中的膜层，在制备过程中使用步骤4)中获得的所述修正监控膜系进行光学监控，完成所述滤光片膜系中的各膜层的沉积，进行退火处理。
本发明提供的一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，具有以下几个方面的优点：
1)将退火处理作为一项重要工序考虑到滤光片设计与制备中，退火处理可显著降低滤光片在1.0～1.3um波段吸收，同时提高了膜层致密度。采用本专利制作的近红外滤光片具有高透过率和高环境稳定性等优点。
2)与基于金属氧化物材料制作的近红外滤光片相比，本发明制作的滤光片具有更简单的膜系结构，膜层数量少；具有更薄的膜层厚度，薄膜器件可靠性高；具有更强的抗角漂能力。因此，本发明在空间遥感领域有重要应用价值。
3)与氢化硅薄膜滤光片制备工艺相比，本发明制作方法仅需要普通的电子束蒸发设备即可，无需使用复杂的、专用的镀膜设备，工艺简单易操作；同时，镀膜过程中不使用氢气等危险气体，制作过程更加安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法的流程示意图；
图2是采用常规电子束蒸发工艺制作的近红外滤光片的透过率曲线；
图3是采用本发明制作的Si膜层经过退火处理后折射率n和消光系数k的色散曲线；
图4是采用本发明制作的SiO2膜层经过退火处理后折射率n和消光系数k的色散曲线；
图5是本发明实施例中滤光片设计膜系的截面结构示意图；
图6是本发明实施例中滤光片修正监控膜系的截面结构示意图；
图7是采用本发明制作的近红外滤光片的透过率曲线；
图8是采用本发明制作的近红外滤光片浸泡试验前后透过率曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，一般地，可以包括以下步骤：
1)分别制备Si膜层和SiO2膜层，获取所述Si膜层和SiO2膜层的第一光学厚度，进行退火处理；
2)采用透过率光谱包络法获取经退火处理后的所述Si膜层和SiO2膜层的光学常数及第二光学厚度；
3)根据所述光学常数，计算滤光片的膜系；
4)根据所述第二光学厚度与所述第一光学厚度的变化量，计算所述滤光片的修正监控膜系；
5)在所述修正监控膜系的光学监控下制备所述滤光片，并进行退火处理，制得近红外滤光片。
本发明提供的一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，将退火后处理作为一道重要工序应用到滤光片膜系设计与制备中。其工作原理在于：通过对滤光片进行退火处理，可显著降低滤光片中Si膜层在1.0～1.3μm波段的光学吸收，同时还可有效提高SiO2膜层的致密度，进而达到提高滤光片透过率以及环境稳定性的目的。但同时，退火处理会改变两种材料膜层的光学厚度，因此需根据薄膜退火处理前后光学厚度变化量，在镀膜监控过程中对各膜层光学厚度进行修正，来消除因退火处理引起的高、低折射率材料膜层光学厚度比例失配，确保两种材料(即Si膜层和SiO2膜层)光学厚度相对比例的准确性，进而制作出一种光谱精度高，透过率高，环境稳定性好的近红外滤光片。
具体地，在步骤1)中，采用在真空环境下电子束蒸发工艺制备Si膜层和SiO2膜层。退火处理条件为：在真空环境或保护气体氛围下，将膜层加热到300～400℃并保温2小时，然后自然冷却。在制备Si膜层和SiO2膜层的过程中，即可通过设备在镀制时的监控获得Si膜层和SiO2膜层的光学厚度。
在步骤2)中，光学常数包括折射率n和消光系数k。使用FilmWizard软件对薄膜样品(Si膜层和SiO2膜层)的透过率光谱采用包络法进行拟合，获得两种薄膜材料退火处理后的光学常数(折射率n、消光系数k)。
在步骤3)中，根据光学常数，利用TFCalc或FilmWizard光学薄膜设计软件，按照技术指标计算滤光片的膜系，膜系结构为多谐振腔的法布里-珀罗带通结构，具体膜系结构为：
[H L H…L|2mH|L…H L H]k
或者
[H L H…H|2mL|H…H L H]k
其中，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料膜层；L为光学厚度为λ/4的低折射率材料膜层；k代表谐振腔数目，其值取1～6之间的整数；m代表间隔层干涉级次，其值一般取1～3之间的整数。两种薄膜材料中，Si膜层为高折射率材料，SiO2膜层为低折射率材料。
在步骤4)中，根据第二光学厚度与第一光学厚度的变化量，对步骤3)中获得的滤光片的膜系结构进行修正，以消除因退火处理引起的高、低折射率材料膜层光学厚度比例失配。
在步骤4)中，进行修正时，将滤光片膜系中各材料膜层乘以相应修正因子，Si膜层的修正因子为1/αH，SiO2膜层的修正因子为1/αL，从而得到修正监控膜系。
在步骤5)中，采用在真空环境下电子束蒸发工艺制备滤光片膜系中的膜层，在制备过程中使用步骤4)中获得的修正监控膜系进行光学监控，完成滤光片膜系中的各膜层的沉积，进行退火处理。
在步骤5)中，退火处理时，将滤光片温度降低至室温后，在真空环境或保护气体氛围下，对滤光片加热到300～400℃并保温2小时，然后自然冷却。可选地，步骤5)中的退火工艺与步骤1)中的退火工艺相同。
在实际的制备过程中，下面以中心波长为1.2μm的近红外带通滤光片的制作为例，进行详细说明。
该滤光片以Φ15×1mm的蓝宝石为基片，要求透过带为1.18～1.22μm，T≥90％；截止带为0.9～1.13μm与1.27～1.5μm。滤光片的高、低折射率材料分别为Si和SiO2。若滤光片不经过退火后处理，因硅薄膜在此波段吸收较大，致使滤光片透过率偏低；同时因SiO2薄膜在制备过程中没有离子辅助，其膜层致密度不高，导致滤光片在时效过程中光谱漂移，环境稳定性差。所以，采用常规电子束蒸发工艺制备的Si/SiO2多谐振腔结构近红外滤光片光谱性能不能满足技术指标要求，透射率光谱曲线如图2所示。但是，采用本发明制作的滤光片可以满足指标要求，具体实施如下：
(1)采用常规电子束蒸发工艺分别制备Si膜层和SiO2膜层，并进行退火处理。当真空室真空达到1×10-3Pa时，打开离子源对基片进行轰击清洗。薄膜沉积温度为250℃，Si和SiO2的沉积速率分别为0.40nm/s和0.8nm/s，膜层镀制时不采用离子束辅助。监控波长λ均为1200nm，Si膜层镀制的光学厚度为10H，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料Si膜层。SiO2膜层镀制的光学厚度为10L，L为光学厚度为λ/4的低折射率材料SiO2膜层。沉积结束后，待薄膜样品温度降到室温取出，然后将薄膜样品放置真空退火炉中，按照10℃/min的升温速率，加热到400℃，保温2小时后自然冷却。
(2)使用FilmWizard软件对薄膜样品的透过率光谱采用包络法进行拟合，获得两种薄膜材料退火处理后的光学常数(折射率n、消光系数k)，如图3与图4所示。经计算，Si膜层退火后的光学厚度为9.54H，Si膜层退火后光学厚度与退火前光学厚度比值αH为0.954；SiO2膜层的光学厚度为10.26L，SiO2薄膜退火后光学厚度与退火前光学厚度比值αL为1.026。
(3)按照技术指标要求，对滤光片膜系进行设计与优化。经计算，得到膜系：Sub|(HL 2HL HL)3|Air，可满足指标要求，其截面结构示意图如图5所示。其中，设计波长λ为1.2μm，Sub为蓝宝石基底，Air为空气，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料Si膜层，L为光学厚度为λ/4的低折射率材料SiO2膜层。
(4)对滤光片膜系进行修正。Si膜层的修正因子为1/αH，即1.048；SiO2膜层的修正因子为1/αL，即0.975。将膜系中各膜层乘以相应修正因子，可得到滤光片镀制时修正监控膜系，其截面结构图如图6所示，具体为：
Sub|(1.048H 0.975L 2.096H 0.975L 1.048H 0.975L)3|Air。
(5)采用常规电子束蒸发工艺制备滤光片，在镀膜过程中使用步骤4)中获得的滤光片修正膜系进行光学监控，完成近红外滤光片各膜层的沉积，并按照步骤1)中退火工艺进行后处理，输出成品。经过测试，采用本发明制作的滤光片透过带为1.18～1.22μm，T≥90％；截止带为0.9～1.13μm与1.27～1.5μm。滤光片光谱透过率、带宽与截止带范围均达到了技术指标要求。图7为采用本发明制作的近红外滤光片透过率曲线。最后，将本发明制作的近红外滤光片置于45℃水中浸泡8h，考察其光谱稳定性。图8为采用本发明制作的近红外滤光片浸泡试验前后的透过率曲线。经浸泡试验后，滤光片光谱漂移量为0.6nm，滤光片具有较好的环境稳定性。
综合以上的实例论证，本发明提出的一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法是切实有效可行的。实例表明，将退火后处理作为一道重要工序应用到滤光片膜系设计与制备中，可解决Si/SiO2多谐振腔结构滤光片在1.0～1.3μm波段透过率低环境稳定性差的技术问题。本发明提出的近红外滤光片的制作方法在空间光学薄膜技术领域具有重要的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，所述近红外滤光片膜系结构为Si/SiO2多谐振腔的法布里-珀罗带通结构，其特征在于包括以下步骤：
1)分别制备Si膜层和SiO2膜层，获取所述Si膜层和SiO2膜层的第一光学厚度，进行退火处理；
2)采用透过率光谱包络法获取经退火处理后的所述Si膜层和SiO2膜层的光学常数及第二光学厚度；
3)根据所述光学常数，计算滤光片的膜系；
4)根据所述第二光学厚度与所述第一光学厚度的变化量，计算所述滤光片的修正监控膜系；
5)在所述修正监控膜系的光学监控下制备所述滤光片，并进行退火处理，制得近红外滤光片。
2.根据权利要求1所述的用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，其特征在于，在步骤1)中，采用在真空环境下电子束蒸发工艺制备所述Si膜层和SiO2膜层。
3.根据权利要求1或2所述的用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，其特征在于，在步骤1)中所述退火处理的方法为：在真空环境或保护气体氛围下，将膜层加热到300～400℃并保温2小时，然后自然冷却。
4.根据权利要求1所述的用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，其特征在于，在步骤2)中所述光学常数包括折射率n和消光系数k。
5.根据权利要求1所述的用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，其特征在于，在步骤4)中所述的修正监控膜系的方法为：将滤光片膜系中各材料膜层乘以相应修正因子，Si膜层的修正因子为1/αH，SiO2膜层的修正因子为1/αL，获得所述滤光片的修正监控膜系；其中，αH为Si膜层的第二光学厚度与第一光学厚度的比值；αL为SiO2膜层的第二光学厚度与第一光学厚度的比值。
6.根据权利要求1所述的用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法，其特征在于，在步骤5)中，采用电子束蒸发工艺制备所述滤光片膜系中的膜层，在制备过程中使用步骤4)中获得的所述修正监控膜系进行光学监控，完成所述滤光片膜系中的各膜层的沉积，进行退火处理。
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| CN202111071468.6A CN115807207B (zh) | 2021-09-14 | 2021-09-14 | 一种用于空间遥感系统的近红外滤光片的制作方法 |
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| US5930046A (en) * | 1997-02-13 | 1999-07-27 | Optical Coating Laboratory, Inc. | Low net stress multilayer thin film coatings |
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| JP2007101695A (ja) * | 2005-09-30 | 2007-04-19 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | フォトニック結晶及びその製造方法 |
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2021
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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