CN116463588B - 一种红外滤光薄膜的制备方法、红外陷波光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外滤光薄膜的制备方法、红外陷波光学元件。该方法通过先测定在制备单层薄膜时的第一厚度因子，再测定在制备多层薄膜时的第二厚度因子，计算得到各膜层厚度因子的偏差与镀膜时长的关系。基于红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、上述厚度因子偏差关系，制备红外滤光薄膜。本发明能够基于镀膜时长修正厚度因子，减小了晶振监测误差，进而减小了红外滤光薄膜各膜层厚度的制备误差，减小了红外滤光薄膜的实测光谱曲线与理论光谱曲线之间的差异。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术领域，尤其涉及一种红外滤光薄膜的制备方法、红外陷波光学元件。
背景技术
红外滤光是滤除红外背景噪声，使红外目标成像更加清晰，尤其是需要滤除大气中CO2的红外辐射干扰。红外陷波光学元件表面镀覆红外滤光薄膜，用于实现红外滤光。红外滤光薄膜通常为多层结构，由两种不同折射率的材料薄膜交替层叠构成。当红外滤光薄膜各层的理论厚度与实际制备厚度差异较大时，红外滤光薄膜的光谱性能大幅下降。红外滤光薄膜的光谱性能受各层厚度的制备精度影响较大。
对于此类制备精度要求较高的红外滤光薄膜，一般单独搭建精度较高的光学监控系统，以实现监控红外滤光薄膜的生长厚度。但是光学监控方式的成本较高。大多数镀膜设备采用石英晶振监控方式，通过晶振监测薄膜厚度。
但是在制备多种材料多层结构的红外滤光薄膜时，随着镀膜时长的增加，晶振监测厚度与实际镀膜厚度之间会产生较大误差，造成多层结构的红外滤光薄膜各膜层的厚度产生较大制备误差，进而导致实测光谱曲线与理论光谱曲线之间产生较大的差异。
发明内容
本发明实施例提供了一种红外滤光薄膜的制备方法、红外陷波光学元件，以解决随着镀膜时长的增加，晶振监测误差增大，多层结构的红外滤光薄膜各膜层的厚度产生较大制备误差的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种红外滤光薄膜的制备方法，所述红外滤光薄膜包括多个交替层叠的第一膜层和第二膜层，所述第一膜层的材料为第一材料，所述第二膜层的材料为第二材料，所述方法包括：
对于所述第一材料和所述第二材料中的每种材料，制备该材料的标准单层膜层，根据该材料的标准单层膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料的第一厚度因子。
根据所述第一材料的第一厚度因子和所述第二材料的第一厚度因子，制备标准膜堆，所述标准膜堆包含包括多个交替层叠的第一膜层和第二膜层。
对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子。
对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子与该材料的第一厚度因子的差异，获取该材料对应的厚度因子偏差序列。
对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、所述厚度因子偏差序列，获取该材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、各材料对应的所述偏差关系，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜。
在一种可能的实现方式中，所述根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、各材料对应的所述偏差关系，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜，包括：
根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度，确定各第一膜层、各第二膜层的镀膜时长。
根据所述镀膜时长、第一材料对应的所述偏差关系，确定各第一膜层的厚度因子偏差。
根据所述镀膜时长、第二材料对应的所述偏差关系，确定各第二膜层的厚度因子偏差。
根据第一厚度因子，所述各第一膜层的厚度因子偏差、各第二膜层的厚度因子偏差，确定红外滤光薄膜中各膜层的第二厚度因子。
基于所述第二厚度因子，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜。
在一种可能的实现方式中，所述对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、所述厚度因子偏差序列，获取该材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系包括：
根据所述标准膜堆中第一材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、所述厚度因子偏差序列，通过多项式拟合方法，获取第一材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
根据所述标准膜堆中第二材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、所述厚度因子偏差序列，通过多项式拟合方法，获取第二材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
在一种可能的实现方式中，在所述对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子之前，还包括：
基于透射光谱拟合法，获得标准膜堆中各个膜层的实际厚度。
在一种可能的实现方式中，第一材料为锗，第二材料为氧化铝。
在一种可能的实现方式中，所述标准膜堆包括n个第一膜层、n+1个第二膜层，其中，每个第一膜层设于两个第二膜层之间。
第二方面，本发明实施例提供了一种红外陷波光学元件，包括本体。所述本体的正面和背面设有红外滤光薄膜。
所述红外滤光薄膜基于如第一方面任一项所述的红外滤光薄膜的制备方法得到。
在一种可能的实现方式中，所述红外滤光薄膜的类型包括红外陷波薄膜和红外增透薄膜。
在一种可能的实现方式中，所述红外陷波薄膜的中心波长范围为3.1至3.3微米。
本发明实施例提供一种红外滤光薄膜的制备方法、红外陷波光学元件。本发明实施例提供的制备方法通过先测定在制备单层薄膜时的第一厚度因子，再测定在制备多层薄膜时的第二厚度因子，计算得到各膜层厚度因子的偏差与镀膜时长的关系。基于红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、上述厚度因子偏差关系，制备红外滤光薄膜。本发明基于镀膜时长修正厚度因子，减小了晶振监测误差，进而减小了红外滤光薄膜各膜层厚度的制备误差，减小了红外滤光薄膜的实测光谱曲线与理论光谱曲线之间的差异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种红外滤光薄膜的制备方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的Ge材料的光学常数测试结果示意图；
图3是本发明实施例提供的Al2O3材料的光学常数测试结果示意图；
图4是本发明实施例提供的标准膜堆的理论光谱、实际光谱曲线示意图；
图5是本发明实施例提供的厚度因子偏差序列分布示意图；
图6是本发明实施例提供的红外陷波薄膜的理论光谱与实测光谱曲线示意图；
图7是本发明实施例提供的红外陷波光学元件的实测透射光谱曲线示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，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，都应当属于本方案保护的范围。
本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
随着红外光电技术的发展，为了获取更加清晰的红外目标成像，对于采集到的目标信号要经过多种手段的调制或滤波，以抑制背景噪声的干扰，提高图像的对比度。而干扰噪声相当一部分是来自环境背景，如大气CO2辐射干扰，其辐射峰波长位置处于2.7μm、4.3μm和15μm，其中4.3μm处辐射系数值最大，是中波红外探测成像背景噪声中最严重的辐射源之一。因此，为了有效降低4.3μm CO2辐射对红外目标信号的干扰，获取清晰、稳定的红外目标成像，需在原有的红外光学系统中引入滤波光学器件。
目前，国内外普遍采用的方法是红外短波通滤光片。红外短波通滤光片在有效去除4.3μm CO2辐射干扰的同时，也将会一并被滤除部分大于4.3μm有用信号光，致使3.0μm～5.0μm波长区间的中波红外有用信号光无法充分发挥作用。
陷波滤光片(也称带阻滤光片或负滤光薄膜)对大部分中波红外波长光具有较高透过率，而对特定波长范围(阻带)内的光可实现有效截止。因此，近年来，陷波滤光片受到了国内外研究学者的广泛关注。例如，西安应用光学研究所王松林等采用在单晶锗基底两面分别设计中波红外带通滤光膜和中波红外负滤光膜的方法，制备了一种光谱性能优良的双通道带通滤光片。兰州物理研究所张佰森等基于Rugate理论方法，设计了3.8μm单波长负滤光薄膜和1.315μm、3.8μm双波长负滤光薄膜，但由于膜层相对较为复杂，实现难度较大。高鹏等提出了陷波滤光片的类褶皱设计方法，并分析了各设计参数对光谱的影响。中科院上海技术物理研究所周晟等在Ge基片两面分别设计了负滤光膜系和长波截止膜系，组合形成了包含3.2μm～3.8μm和4.9μm～5.4μm两个通道的双色滤光片。
镀膜材料蒸发角的变化和各层膜厚误差的累积，是导致陷波滤光片的实测光谱与理论设计光谱差异的主要原因。对于此类制备精度要求较高的红外滤光薄膜，传统一般采用光学监控方式，其具有直接、方便、精度高等优点。但考虑到高精度中、远红外直接光学监控系统搭建成本相对较高，且目前国内大都数镀膜设备都仍以石英晶振监控方式为主，若能采用石英晶振监控方式监测薄膜厚度、实现高精度红外滤光薄膜的制备，将有着更为重要的现实意义和工程推广应用价值。
然而，实际镀膜过程中，采用石英晶振监控方式仍面临诸多问题，其中将为最为关键的难点之一就是长时间镀膜过程中薄膜厚度因子的精确标定。石英晶振监控方式需要标定单层薄膜厚度因子。即，单独生长制备某一材料的薄膜，生长时采用石英晶振监控得到理论薄膜厚度，制备完成后测量实际薄膜厚度。计算实际薄膜厚度与理论薄膜厚度的比值，作为该材料对应的厚度因子。基于得到的厚度因子，在制备该材料的薄膜时，修正晶振监测厚度与目标厚度之间的差异。
标定单层薄膜厚度因子的方法，对于该类滤光薄膜已经不能适用。具体而言，随着镀膜时长的增加，在镀膜真空度、晶控监控误差、镀膜室内温度变化、蒸发源状态等多种变化因素综合作用下，晶振监测厚度与实际镀膜厚度之间会产生较大误差，造成多层结构的红外滤光薄膜各膜层厚度产生较大制备误差，进而导致实测光谱曲线与理论光谱曲线之间产生较大的差异。
本发明实施例提供的一种红外滤光薄膜的制备方法基于镀膜时长修正晶振监控方式的厚度因子，以解决随着镀膜时长的增加，晶振监测误差增大，多层结构的红外滤光薄膜各膜层的厚度产生较大制备误差的问题。
图1为本发明实施例提供的一种红外滤光薄膜的制备方法的实现流程图。参照图1，红外滤光薄膜包括多个交替层叠的第一膜层和第二膜层，第一膜层的材料为第一材料，第二膜层的材料为第二材料。该制备方法包括：
在步骤101中、对于第一材料和第二材料中的每种材料，制备该材料的标准单层膜层，根据该材料的标准单层膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料的第一厚度因子。
示例性的，采用晶振监测方式，在锗基片上制备第一材料的标准单层膜层，获得晶振监测的第一材料单层膜层的厚度。在制备完成后测量第一材料的标准单层膜层的实际厚度。计算第一材料的标准单层膜层的实际厚度和监测厚度的比值，得到第一材料的第一厚度因子。
示例性的，采用晶振监测方式，在锗基片上制备第二材料的标准单层膜层，获得晶振监测的第二材料单层膜层的厚度。在制备完成后测量第二材料的标准单层膜层的实际厚度。计算第二材料的标准单层膜层的实际厚度和监测厚度的比值，得到第二材料的第一厚度因子。
示例性的，在采用晶振监测方式制备标准单层膜层时的厚度修正因子可设为100％。标准单层膜层的目标厚度可基于中心波长确定。
示例性的，标准单层膜层的实际厚度可通过光刻掩膜刻蚀、台阶仪测量方式得到。
示例性的，可通过光学透射方法，测量标准单层膜层，得到该材料对应的光学常数。
在步骤102中、根据第一材料的第一厚度因子和第二材料的第一厚度因子，制备标准膜堆，标准膜堆包含包括多个交替层叠的第一膜层和第二膜层。
标准膜堆中包括多层第一膜层和多层第二膜层。各第一膜层与第二膜层相互交替层叠。即各膜层材料与相邻的两膜层的材料不同。示例性的，标准膜堆中各膜层的厚度不同。对应的，各膜层的实际镀膜时长不同。
采用晶振监控方式制备标准膜堆。在制备第一膜层时采用第一材料的第一厚度因子修正晶振监测厚度。在制备第二膜层时采用第二材料的第一厚度因子修正晶振监测厚度。例如，将第一厚度因子与晶振监测厚度相乘，得到修正后的晶振监测厚度。在制备过程中，当某一膜层修正后的晶振监测厚度达到该膜层的目标厚度后，则停止生长该膜层。
在步骤103中、对于每种材料，根据标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子。
标准膜堆中包括两种材料的膜层，第一材料对应第一膜层，第二材料对应第二膜层。第一膜层、第二膜层均为多个。
在采用晶振监控方式制备标准膜堆时，根据晶振监测，获得标准膜堆中各第一膜层的监测厚度、各第二膜层的监测厚度。
示例性的，在制备得到标准膜堆后，通过透射光谱拟合法，获得标准膜堆中各第一膜层的实际厚度、各第二膜层的实际厚度。
对于第一材料，根据标准膜堆中第一材料所对应的各个第一膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得第一材料所对应的各个第一膜层的第二厚度因子。
对于第二材料，根据标准膜堆中第二材料所对应的各个第二膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得第二材料所对应的各个第二膜层的第二厚度因子。
在步骤104中、对于每种材料，根据标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子与该材料的第一厚度因子的差异，获取该材料对应的厚度因子偏差序列。
示例性的，获取第一材料对应的厚度因子偏差序列可以是：将标准膜堆中第一材料所对应的各个第一膜层的第二厚度因子，减去第一材料所对应的第一厚度因子，获得多个差异值，即第一材料对应的厚度因子偏差序列。
示例性的，获取第二材料对应的厚度因子偏差序列可以是：将标准膜堆中第二材料所对应的各个第二膜层的第二厚度因子，减去第二材料所对应的第一厚度因子，获得多个差异值，即第二材料对应的厚度因子偏差序列。
在步骤105中、对于每种材料，根据标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、厚度因子偏差序列，获取该材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
在采用晶振监控方式制备标准膜堆时，根据晶振监测，获得标准膜堆中各第一膜层的实际镀膜时长、各第二膜层的实际镀膜时长。例如，可在制备标准膜堆某一膜层时，获取该膜层的镀膜开始时刻和镀膜结束时刻。基于上述镀膜开始时刻和镀膜结束时刻，得到标准膜堆中该膜层的实际镀膜时长。
厚度因子偏差序列中每个值对应标准膜堆中某一膜层的厚度因子偏差。
示例性的，对于第一材料，根据标准膜堆中第一材料所对应的各个第一膜层的实际镀膜时长、厚度因子偏差序列，获取第一材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
示例性的，对于第二材料，根据标准膜堆中第二材料所对应的各个第二膜层的实际镀膜时长、厚度因子偏差序列，获取第二材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
对于每种材料，上述偏差关系表示该材料的厚度因子偏差与镀膜时长的关系。例如，上述偏差关系可以是该材料的厚度因子偏差关于镀膜时长的函数关系。
在步骤106中、根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、各材料对应的偏差关系，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜。
红外滤光薄膜包括多个交替层叠的第一膜层和第二膜层。各膜层的目标厚度即设计厚度。各第一膜层的目标厚度、各第二膜层的目标厚度可基于具体的中心波长确定。例如，各膜层的目标厚度可能各不相同。
采用晶振监控方式制备红外滤光薄膜，在制备某一膜层时，对比晶振监测的厚度与该膜层的目标厚度。当晶振监测的厚度等于目标厚度时，停止镀膜，完成该膜层的制备。示例性的，制备红外滤光薄膜时的镀膜条件与制备标准膜堆时的镀膜工艺条件相同。例如，镀膜工艺条件包括镀膜真空度、镀膜温度和镀膜材料源等。
根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、各材料对应的偏差关系，可对监测厚度进行修正，减小实际厚度与监测厚度的差异。
示例性的，可根据红外滤光薄膜某一膜层的目标厚度确定该膜层的预计镀膜时长。基于该膜层的预计镀膜时长、该膜层的材料对应的上述偏差关系，可获得该膜层修正偏差后的厚度因子，即修正偏差后的实际厚度与监测厚度比例关系。
本发明实施例通过先测定在制备单层薄膜时的第一厚度因子，再测定在制备多层薄膜时的第二厚度因子，计算得到各膜层厚度因子的偏差与镀膜时长的关系。基于红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、上述厚度因子偏差关系，制备红外滤光薄膜。本发明先基于镀膜时长修正厚度因子，再根据修正得到的厚度因子生长薄膜，减小了晶振监测厚度与实际厚度的误差，进而减小了红外滤光薄膜各膜层厚度的制备误差，减小了红外滤光薄膜的实测光谱曲线与理论光谱曲线之间的差异。
本发明实施例基于与红外滤光薄膜结构相似的标准膜堆获得厚度因子偏差序列，符合红外滤光薄膜实际制备过程的镀膜条件变化，最终修正得到的厚度因子精度更高。本发明实施例方法采用晶振监控方式，与现有镀膜设备兼容性高。采用该方法可有效改善薄膜镀制过程中由于沉积系统误差导致的光谱偏差问题，大幅度降低高性能红外滤光薄膜制备难度和门槛，适用于大规模工程化生产应用。
在一种可能的实现方式中，根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、各材料对应的偏差关系，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜，包括：
在步骤201中、根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度，确定各第一膜层、各第二膜层的镀膜时长。
示例性的，可根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度，各膜层材料的平均镀膜速率，确定各第一膜层、各第二膜层的镀膜时长。
在步骤202中、根据镀膜时长、第一材料对应的偏差关系，确定各第一膜层的厚度因子偏差。
在步骤203中、根据镀膜时长、第二材料对应的偏差关系，确定各第二膜层的厚度因子偏差。
在步骤204中、根据第一厚度因子，各第一膜层的厚度因子偏差、各第二膜层的厚度因子偏差，确定红外滤光薄膜中各膜层的第二厚度因子。
根据第一厚度因子，各第一膜层的厚度因子偏差，确定红外滤光薄膜中各第一膜层的第二厚度因子。确定得到的每个第一膜层的第二厚度因子表示该第一膜层修正偏差后的实际厚度与监测厚度比例关系。
根据第一厚度因子，各第二膜层的厚度因子偏差，确定红外滤光薄膜中各第二膜层的第二厚度因子。确定得到的每个第二膜层的第二厚度因子表示该第二膜层修正偏差后的实际厚度与监测厚度比例关系。
在步骤205中、基于第二厚度因子，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜。
采用晶振监控方式制备红外滤光薄膜，在制备某一膜层时，基于第二厚度因子对监测厚度进行修正。对比修正后的晶振监测的厚度与该膜层的目标厚度。当修正后的晶振监测的厚度等于目标厚度时，停止镀膜，完成该膜层的制备。
在一种可能的实现方式中，对于每种材料，根据标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、厚度因子偏差序列，获取该材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系包括：
根据标准膜堆中第一材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、厚度因子偏差序列，通过多项式拟合方法，获取第一材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
根据标准膜堆中第二材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、厚度因子偏差序列，通过多项式拟合方法，获取第二材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
示例性的，构建m个样本点，每个样本点包括横坐标值和纵坐标值。将标准膜堆中第一材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长作为横坐标值。将厚度因子偏差序列中各个膜层对应的厚度因子偏差作为纵坐标值。m表示标准膜堆中第一材料所对应的第一膜层的数量。构建n次多项式。将m个样本点的横坐标值代入构建的n次多项式，通过对比n次多项式的值与m个样本点纵坐标值的差异，求解n次多项式的最优拟合系数。将对应最优拟合系数的n次多项式，确定为第一材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
示例性的，构建m个样本点，每个样本点包括横坐标值和纵坐标值。将标准膜堆中第二材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长作为横坐标值。将厚度因子偏差序列中各个膜层对应的厚度因子偏差作为纵坐标值。m表示标准膜堆中第二材料所对应的第二膜层的数量。构建n次多项式。将m个样本点的横坐标值代入构建的n次多项式，通过对比n次多项式的值与m个样本点纵坐标值的差异，求解n次多项式的最优拟合系数。将对应最优拟合系数的n次多项式，确定为第二材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
在一种可能的实现方式中，在对于每种材料，根据标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子之前，还包括：基于透射光谱拟合法，获得标准膜堆中各个膜层的实际厚度。
透射光谱拟合法是利用光谱仪测量薄膜样品在一定波长范围内的透射率或反射率，然后进行分析计算样品的厚度的方法。
在一种可能的实现方式中，第一膜层的折射率大于第二膜层的折射率。例如，第一膜层为高折射率膜层，第二膜层为低折射率膜层。
在一种可能的实现方式中，第一材料为锗，第二材料为氧化铝。
在一种可能的实现方式中，标准膜堆包括n个第一膜层、n+1个第二膜层，其中，每个第一膜层设于两个第二膜层之间。
例如，标准膜堆的结构可表示为(L H)n L，其中H代表1/4λGe膜光学厚度，L代表1/4λAl2O3膜光学厚度。
本发明实施例提供一种红外陷波光学元件，包括本体。本体的正面和背面设有红外滤光薄膜。红外滤光薄膜基于上述任一项可能的实现方式中提供的红外滤光薄膜的制备方法得到。示例性的，本体的材料为锗。
在一种可能的实现方式中，红外滤光薄膜的类型包括红外陷波薄膜和红外增透薄膜。
在一种可能的实现方式中，红外陷波薄膜的中心波长范围为3.1至3.3微米。
为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案的一个具体实施例，对本方案进行清楚地描述。
(1)基于石英晶振监控方式，采用物理气相沉积方法，分别生长制备单层的高折射率薄膜材料Ge、低折射率薄膜材料Al2O3和MgF2薄膜。物理气相沉积方法可以是离子束溅射法、电子束蒸发法或磁控溅射法。
电子束蒸发法制备参数可以是：薄膜沉积的起始本底真空度1.3×10-3Pa，生长温度150℃～250℃，镀膜工艺参数为：Ge薄膜生长速率为0.3nm/s，电子束束流为200mA～400mA；Al2O3薄膜生长速率为0.35nm/s，电子束束流为350mA，通氧气量为10sccm～30sccm；镀膜前使用APS离子源对基底表面进行预清洗5min。
(2)通过光学透射方法，拟合获得如图2和图3所示的高折射率薄膜材料Ge、低折射率薄膜材料Al2O3的光学常数。
标定获得Ge薄膜的第一厚度因子xH＝0.95。标定获得Al2O3薄膜的第一厚度因子xL＝1.17。标定获得MgF2薄膜的第一厚度因子xM＝1.05。
(3)基于物理气相沉积方法，采用标定的单层膜层的第一厚度因子xH、xL，生长制备标准膜堆(L H)4L，H表示高折射率膜层、L表示低折射率膜层。即标准膜堆中包括4个高折射率膜层、5个低折射率膜层。示例性的，标准膜堆的参考中心波长范围为4.0μm至6.0μm。参照图4所示的标准膜堆的理论光谱、实际光谱曲线示意图，示例性的，其参考中心波长λ为5.5μm。
(4)通过透射光谱拟合法，拟合获得标准膜堆中各高折射率膜层材料H和低折射率膜层材料L的实际厚度，计算得到第二厚度因子XH1、XH2、XH3、XH4和XL1、XL2、XL3、XL4、XL5。
计算第二厚度因子与第一厚度因子XH、XL的相对偏差，获得厚度因子偏差序列ΔXH1、ΔXH2、ΔXH3、ΔXH4，以及ΔXL1、ΔXL2、ΔXL3、ΔXL4、ΔXL5。示例性的，基于以下公式计算：
ΔXHi＝XHi-XH，i∈(1,2,3,4)
ΔXLi＝XLi-XH，i∈(1,2,3,4，5)
例如，计算得到如图5所示的厚度因子偏差序列分布。
(5)通过多项式拟合方法，结合各膜层实际镀膜时间，获得高折射率膜层材料、低折射率膜层材料厚度因子偏差与镀膜时间的厚度偏差关系。例如：
ΔXH(t)＝-0.02
ΔXL(t)＝-0.00436+7.78753*10-4*t-1.2765*10-6*t2(t单位为min)
(6)红外陷波光学元件的正面和背面设有红外滤光薄膜。红外滤光薄膜类型包括红外陷波薄膜和红外增透薄膜。例如，红外陷波光学元件的一面设有陷波滤光薄膜、另一面设有红外增透薄膜。
根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、各材料对应的偏差关系，可得到修正后的第二厚度因子：
XH(t)＝XH+ΔXH(t)
XL(t)＝XL+ΔXL(t)
基于XH(t)、XL(t)、XM，生长制备红外增透薄膜。各膜层的目标厚度如下表：
其中，M表示MgF2薄膜。膜层厚度的单位为0.25λ0，即1/4参考中心波长。示例性的，红外增透薄膜的参考中心波长范围为4.3μm至4.7μm。例如，红外增透薄膜的参考中心波长(λ0)可以是4.5μm。
基于XH(t)、XL(t)，生长制备红外陷波薄膜，各膜层的目标厚度如下表：
参照图6所示的红外陷波薄膜的理论光谱与实测光谱曲线示意图，红外陷波薄膜的参考中心波长(λ1)为3.2μm。完成可有效滤除4.3μmCO2辐射波长的红外陷波光学元件的镀制。
采用傅里叶红外光谱仪对所制备的红外陷波光学元件进行透过率测试，测试结果参照如图7所示的红外陷波光学元件的实测透射光谱曲线示意图。测试结果表明：中波红外陷波滤光片理论与试验测试结果具有较好的一致性，其在4.2μm～4.5μm波段区间透过率<0.3％。3.5μm～4.05μm及4.7μm～5.0μm波段的平均透过率>95％，在保证3.5μm～5.0μm波段信号光高透过的同时，实现了对4.3μm附近CO2辐射波长的有效滤除。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种红外滤光薄膜的制备方法，其特征在于，所述红外滤光薄膜包括多个交替层叠的第一膜层和第二膜层，所述第一膜层的材料为第一材料，所述第二膜层的材料为第二材料，所述方法包括：
对于所述第一材料和所述第二材料中的每种材料，制备该材料的标准单层膜层，根据该材料的标准单层膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料的第一厚度因子；
根据所述第一材料的第一厚度因子和所述第二材料的第一厚度因子，制备标准膜堆，所述标准膜堆包含包括多个交替层叠的第一膜层和第二膜层；
对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子；
对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子与该材料的第一厚度因子的差异，获取该材料对应的厚度因子偏差序列；
对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、所述厚度因子偏差序列，获取该材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系；
根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、各材料对应的所述偏差关系，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜。
2.如权利要求1所述的红外滤光薄膜的制备方法，其特征在于，所述根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度、各材料对应的所述偏差关系，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜，包括：
根据红外滤光薄膜各膜层的目标厚度，确定各第一膜层、各第二膜层的镀膜时长；
根据所述镀膜时长、第一材料对应的所述偏差关系，确定各第一膜层的厚度因子偏差；
根据所述镀膜时长、第二材料对应的所述偏差关系，确定各第二膜层的厚度因子偏差；
根据第一厚度因子，所述各第一膜层的厚度因子偏差、各第二膜层的厚度因子偏差，确定红外滤光薄膜中各膜层的第二厚度因子；
基于所述第二厚度因子，对监测厚度进行修正，制备红外滤光薄膜。
3.如权利要求1所述的红外滤光薄膜的制备方法，其特征在于，所述对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、所述厚度因子偏差序列，获取该材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系包括：
根据所述标准膜堆中第一材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、所述厚度因子偏差序列，通过多项式拟合方法，获取第一材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系；
根据所述标准膜堆中第二材料所对应的各个膜层的实际镀膜时长、所述厚度因子偏差序列，通过多项式拟合方法，获取第二材料的镀膜时长与厚度因子偏差的偏差关系。
4.如权利要求1所述的红外滤光薄膜的制备方法，其特征在于，在所述对于每种材料，根据所述标准膜堆中该材料所对应的各个膜层的实际厚度和监测厚度的比值，获得该材料所对应的各个膜层的第二厚度因子之前，还包括：
基于透射光谱拟合法，获得标准膜堆中各个膜层的实际厚度。
5.如权利要求1所述的红外滤光薄膜的制备方法，其特征在于，第一膜层的折射率大于第二膜层的折射率。
6.如权利要求5所述的红外滤光薄膜的制备方法，其特征在于，第一材料为锗，第二材料为氧化铝。
7.如权利要求1所述的红外滤光薄膜的制备方法，其特征在于，所述标准膜堆包括n个第一膜层、n+1个第二膜层，其中，每个第一膜层设于两个第二膜层之间。
8.一种红外陷波光学元件，其特征在于，包括本体；所述本体的正面和背面设有红外滤光薄膜；
所述红外滤光薄膜基于如权利要求1至7中任一项所述的红外滤光薄膜的制备方法得到。
9.如权利要求8所述的红外陷波光学元件，其特征在于，所述红外滤光薄膜的类型包括红外陷波薄膜和红外增透薄膜。
10.如权利要求9所述的红外陷波光学元件，其特征在于，所述红外陷波薄膜的中心波长范围为3.1至3.3微米。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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