CN117270094A - 一种远紫外负滤光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种远紫外负滤光片及其制备方法，属于光学成像技术领域。解决现有技术中LBH‑S和LBH‑L反射镜带外反射率高的技术问题。本发明的远紫外负滤光片，该滤光片是采用等效层折射率匹配方法分别设计了LBH‑S和LBH‑L的反射镜，其中LBH‑S和LBH‑L膜系均为结构相同的非周期LaF3/MgF2多层膜，只是LBH‑S和LBH‑L膜系每层的膜厚度不同，并采用热蒸发方法制备了该反射镜，制备的反射镜在工作波段具有较高的反射率，同时带外反射率抑制能力较好。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种远紫外负滤光片及其制备方法。
背景技术
极光是由地球高轨道的高能带电粒子与大气层中的N2和O2分子相互碰撞产生的一种特殊现象。对极光的空间成像探测能够提供磁球层不同区域的空间域和时域信息。140-180nm是N2的LBH极光发射谱线，其中，140-160nm被称作LBH-S带，160-180nm被称作LBH-L带。N2的LBH带是多个卫星载荷的重要探测目标，包括我国风云三号D星和H星的广角极光成像仪，美国IMAGE卫星的WIC，美国Polar的UVI。极光中除了紫外和可见光外，还有较强的H元素发射谱线121.6nm，O元素的130.4nm和135.6nm谱线，它们将破坏LBH带的成像质量。因此，在LBH带成像光学系统的设计中，必须考虑带外抑制。上述LBH带成像光学系统通常采用1/4波长周期单层膜结构，随着周期数的增加，目标波段的反射率会得到显著提高，反射区和透射区的过度变得越来越陡峭，但是其通常具有显著的旁带波纹，带外抑制较差。
如美国Polar的UVI载荷采用三个反射镜和一个透射式滤光片来分别对LBH-S和LBH-L带成像。反射镜是由35层LaF3/MgF2周期膜组成，它在121.6nm、130.4nm和135.6nm反射率分别为25％，30％和58％。周期多层膜的带外抑制较差。它的光学系统的带外抑制主要是通过透射式滤光片来实现的。美国IMAGE卫星的WIC采用卡塞格林光学系统对LBH带成像，其采用两个宽带反射镜，这两个反射镜也提供了近紫外和可见光的反射抑制。但是，它没有给出反射镜具体采用的材料和结构，其在121.6nm、130.4nm和135.6nm反射率分别为40％，15％和40％，同样的，它的带外抑制也不好。我国风云三号D星和H星的广角极光成像仪都是采用四个反射镜，除了最前面的BaF2滤光片以外，没有再使用其它透射式滤光片。我国风云三号D星的广角极光成像仪探测LBH带，采用了22层的非周期LaF3/MgF2宽带多层膜反射镜。使用了带宽展宽技术，获得了40nm的带宽，在185-220nm波段的平均反射率是10％，反射率仍然较高。
发明内容
本发明要解决现有技术中LBH-S和LBH-L反射镜带外反射率高的技术问题，提供一种远紫外负滤光片及其制备方法，该滤光片是采用等效层折射率匹配方法分别设计了LBH-S和LBH-L的反射镜，采用热蒸发方法制备了该反射镜，制备的反射镜具有较好的带外反射率抑制能力。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种远紫外负滤光片，包括设置在基底上的LBH-S膜系、和设置在基底上的LBH-L膜系；
所述LBH-S膜系为交替结构的非周期的LaF3/MgF2多层膜，第一层为LaF3，最后一层为MgF2，多层膜层数共计为16层，每层LaF3层和MgF2层的厚度均为10-30nm，LBH-S膜系的总厚度为353nm；
所述LBH-L膜系为交替结构的非周期的LaF3/MgF2多层膜，第一层为LaF3，最后一层为MgF2，多层膜层数共计为16层，每层LaF3层和MgF2层的厚度均为10-39nm，LBH-L膜系的总厚度为414nm。
在上述技术方案中，所述LBH-S膜系在工作波长的平均反射率为42.87％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、161-180nm、181-220nm的反射率分别为6.09％、2.12％、5.52％、4.65％、1.69％。
在上述技术方案中，所述LBH-L膜系在工作波长的平均反射率为48.53％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、140-159nm、181-220nm的反射率分别为4.81％、2.71％、1.60％、6.74％、4.35％。
在上述技术方案中，所述基底为微晶玻璃。
一种远紫外负滤光片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、基片前处理
使用高纯水超声波清洗基片，并离心甩干；
步骤2、制备LBH-S膜系
将LaF3和MgF2置于钼舟里，使用电阻蒸发方法镀膜，在步骤1的基底上制备LBH-S膜系；
步骤3、制备LBH-L膜系
将LaF3和MgF2置于钼舟里，使用电阻蒸发方法镀膜，在步骤1的基底上制备LBH-L膜系。
在上述技术方案中，步骤2和3中，镀膜过程中的沉积速率为0.2nm/s。
在上述技术方案中，步骤2和3中，镀膜过程中本底真空度为2.5*10-4Pa。
在上述技术方案中，步骤2和3中，基底加热温度为170℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明的远紫外负滤光片，该滤光片是采用等效层折射率匹配方法分别设计了LBH-S和LBH-L的反射镜，其中LBH-S和LBH-L膜系均为结构相同的非周期LaF3/MgF2多层膜，只是LBH-S和LBH-L膜系每层的膜厚度不同，并采用热蒸发方法制备了该反射镜，制备的反射镜在工作波段具有较高的反射率，同时带外反射率抑制能力较好。
实验结果表明，本发明的远紫外负滤光片，LBH-S膜系在工作波长的平均反射率为42.87％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、161-180nm、181-220nm的反射率分别为6.09％、2.12％、5.52％、4.65％、1.69％；LBH-L膜系在工作波长的平均反射率为48.53％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、140-159nm、181-220nm的反射率分别为4.81％、2.71％、1.60％、6.74％、4.35％。说明本发明制备的远紫外负滤光片具有较好的带外反射率抑制能力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为单层LaF3和MgF2薄膜在入射角度分别为10°和20°的反射率测试结果和理论拟合曲线示意图。
图2为LaF3和MgF2的光学常数示意图。
图3为(0.5LH0.5L)and(0.5HL0.5H)等效层的理论计算等效折射率示意图。
图4为LBH-S和LBH-L反射镜的理论设计反射率曲线示意图，其中(a)为LBH-S，(b)为LBH-L。
图5为LBH-S膜系或LBH-L膜系的结构示意图。
图6为LBH-S和LBH-L反射镜的试验反射率曲线示意图，其中(a)为LBH-S，(b)为LBH-L。
具体实施方式
本发明的发明思想为：我国风云三号D星的广角极光成像仪探测LBH带，采用了22层的非周期LaF3/MgF2宽带多层膜反射镜。使用了带宽展宽技术，获得了40nm的带宽，在185-220nm波段的平均反射率是10％，仍然较高。反射镜通常采用1/4波长周期单层膜结构，随着周期数的增加，目标波段的反射率会得到显著提高，反射区和透射区的过度变得越来越陡峭，但是其通常具有显著的旁带波纹(带外抑制较差)。本发明的目的就是解决LBH-S和LBH-L反射镜带外反射率高的问题。本发明采用等效层匹配技术设计非周期多层膜膜系，工作波段分别为LBH-S和LBH-L，获得了更好的带外抑制。
本发明采用等效层匹配基底和入射介质的方法设计了非周期LaF3/MgF2多层膜，即计算不同种类的等效层的等效折射率，找到与基底和入射介质折射率详尽的等效层，以这种等效层为基础组建初始膜系，然后再做进一步的优化。用电阻热蒸发方法镀制了设计的膜系，制备的膜系在工作波段具有较高的反射率，同时带外抑制较好。
膜系设计：反射镜采用微晶玻璃做为基底，薄膜材料选用LaF3和MgF2。薄膜材料的光学常数通过反演单层膜的反射率来实现。单层膜的膜厚为130nm，测试入射角度分别为10和20°的反射率。附图1给出了单层LaF3和MgF2薄膜在入射角度分别为10和20°的反射率测试结果和理论拟合图。附图2给出了LaF3和MgF2的光学常数，波长范围120-220nm。反射镜通常采用1/4波长周期单层膜结构，随着周期数的增加，目标波段的反射率会得到显著提高，反射区和透射区的过度变得越来越陡峭，但是其通常具有显著的旁带波纹(带外抑制较差)。这种旁带波纹是因为1/4波长膜堆的等效折射率和周围介质不匹配导致的。我们的策略是采用与周围介质折射率匹配较好的对称周期多层膜做为负滤光片的主体结构，然后再做进一步优化。如附图3所示，我们计算了(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)的等效折射率，发现(0.5HL0.5H)与微晶玻璃基底的折射率匹配较好。因此我们采用(0.5HL0.5H)7做为反射镜的主体结构。附图4给出了初始膜系结构air/(0.5HL0.5H)7/sub的理论反射率，可以看到，膜系在在长波段反射率较低，但是在120-137nm波段的反射率仍然较高，这是由于膜系与入射介质空气的折射率不匹配导致的。需要在空气和膜系之间加入减反射层，MgF2是最好的选择。由于120nm是反射抑制目标最短的波长，LBH-S和LBH-L的平均工作波长分别是150nm和170nm，因此，LBH-S和LBH-L膜系的减反射层(匹配层)厚度分别为0.8L(120/150)和0.7L(120/170)，其中L代表低折射率材料，120/150和120/170代表的均是抑制目标波长和工作平均波长的比值。如附图4所示，加入匹配层后，120-137nm波段的反射率得到了有效的抑制，缺点是膜系在长波段的反射率略有升高，特别是LBH-S膜系在175nm和LBH-L膜系在185nm和200nm的反射率。最后，我们用Optilayer软件中的Refine功能对膜系做了进一步优化，在121.6nm、130.4nm、135.6nm容差设为0.01，其它波长设为1，得到了最终的膜系。如附图4所示，LBH-S膜系在工作波长的平均反射率为39.28％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、161-180nm、181-220nm的反射率分别为0.61％、0.34％、0.31％、2.40％、1.55％；LBH-L膜系在工作波长的平均反射率为43.22％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、140-159nm、181-220nm的反射率分别为0.42％、0.57％、0.90％、4.30％、3.70％。表1给出了理论设计结果。多层膜为非周期LaF3/MgF2多层膜，多层膜层数为16层，第一层为LaF3，最后一层为MgF2，LBH-S膜系的总厚度为353nm，每层膜厚在10-30nm之间；LBH-L膜系的总厚度为414nm，每层膜厚在10-39nm之间。
膜系制备：基片采用微晶玻璃，镀膜前用高纯水超声波清洗，并离心甩干。将LaF3和MgF2置于钼舟里，使用电阻蒸发方法镀膜，沉积速率为0.2nm/s。本底真空为2.5*10-4Pa，基底加热温度为170℃。镀膜参数，如多层膜层数、总厚度、基片加热温度是以多层膜不出现裂膜现象为标准，通过多次试验迭代确定的。
表1膜系的要求、设计和试验结果。
下面通过实施例对本发明进行清楚、完整的描述。
实施例
本发明的远紫外负滤光片，包括设置在基底上的LBH-S膜系、和设置在基底上的LBH-L膜系；所述LBH-S膜系为交替结构的非周期的LaF3/MgF2多层膜，第一层为LaF3，最后一层为MgF2，多层膜层数共计为16层，每层LaF3层和MgF2层的厚度均为10-30nm，本实施例中在远离基底的方向上每层LaF3的膜厚分别为10.1，29.9，21.9，22.5，21.3，22.4，25.4，10.0nm，每层MgF2的膜厚分别为19.1，20.8，27.8，27.5，27.1，29.1，11.3，26.9nm，LBH-S膜系的总厚度为353.1nm；所述LBH-L膜系为交替结构的非周期的LaF3/MgF2多层膜，第一层为LaF3，最后一层为MgF2，膜系层数共计为16层，每层LaF3层和MgF2层的厚度均为10-39nm，本实施例中在远离基底的方向上每层LaF3的膜厚分别为13.7，27.6，32.6，34.2，32.8，38.2，39.0，27.1nm，每层MgF2的膜厚分别为30.7，28.2，20.0，23.5，23.5，15.3，10.2，17.3nm，LBH-L膜系的总厚度为413.9nm。LBH-S膜系或LBH-L膜系的结构参见图5。
本发明的远紫外负滤光片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、基片前处理
基片采用微晶玻璃，镀膜前用高纯水超声波清洗，并离心甩干；
步骤2、制备LBH-S膜系
将LaF3和MgF2置于钼舟里，使用电阻蒸发方法镀膜，沉积速率为0.2nm/s，本底真空度为2.5*10-4Pa，基底加热温度为170℃，在步骤1的基底上制备交替结构的非周期的LaF3/MgF2、总厚度为353.1nm的LBH-S膜系；
步骤3、制备LBH-L膜系
将LaF3和MgF2置于钼舟里，使用电阻蒸发方法镀膜，沉积速率为0.2nm/s，本底真空度为2.5*10-4Pa，基底加热温度为170℃，在步骤1的基底上制备制备交替结构的非周期的LaF3/MgF2、总厚度为413.9nm的LBH-L膜系。
图6给出了本实施例制备的LBH-S和LBH-L反射镜的反射率曲线。LBH-S膜系在工作波长的平均反射率为42.87％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、161-180nm、181-220nm的反射率分别为6.09％、2.12％、5.52％、4.65％、1.69％；LBH-L膜系在工作波长的平均反射率为48.53％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、140-159nm、181-220nm的反射率分别为4.81％、2.71％、1.60％、6.74％、4.35％。由此可知本发明制备的远紫外负滤光片具有较好的带外反射率抑制能力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种远紫外负滤光片，包括设置在基底上的LBH-S膜系、和设置在基底上的LBH-L膜系；
其特征在于，
所述LBH-S膜系为交替结构的非周期的LaF3/MgF2多层膜，第一层为LaF3，最后一层为MgF2，多层膜层数共计为16层，每层LaF3层和MgF2层的厚度均为10-30nm，LBH-S膜系的总厚度为353nm；
所述LBH-L膜系为交替结构的非周期的LaF3/MgF2多层膜，第一层为LaF3，最后一层为MgF2，多层膜层数共计为16层，每层LaF3层和MgF2层的厚度均为10-39nm，LBH-L膜系的总厚度为414nm。
2.根据权利要求1所述的远紫外负滤光片，其特征在于，所述LBH-S膜系在工作波长的平均反射率为42.87％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、161-180nm、181-220nm的反射率分别为6.09％、2.12％、5.52％、4.65％、1.69％。
3.根据权利要求1所述的远紫外负滤光片，其特征在于，所述LBH-L膜系在工作波长的平均反射率为48.53％，在121.6nm、130.4nm、135.6nm、140-159nm、181-220nm的反射率分别为4.81％、2.71％、1.60％、6.74％、4.35％。
4.根据权利要求1所述的远紫外负滤光片，其特征在于，所述基底为微晶玻璃。
5.一种权利要求1-4中任意一项所述的远紫外负滤光片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基片前处理
使用高纯水超声波清洗基片，并离心甩干；
步骤2、制备LBH-S膜系
将LaF3和MgF2置于钼舟里，使用电阻蒸发方法镀膜，在步骤1的基底上制备LBH-S膜系；
步骤3、制备LBH-L膜系
将LaF3和MgF2置于钼舟里，使用电阻蒸发方法镀膜，在步骤1的基底上制备LBH-L膜系。
6.根据权利要求5所述的远紫外负滤光片的制备方法，其特征在于，步骤2和3中，镀膜过程中的沉积速率为0.2nm/s。
7.根据权利要求5所述的远紫外负滤光片的制备方法，其特征在于，步骤2和3中，镀膜过程中本底真空度为2.5*10-4Pa。
8.根据权利要求5所述的远紫外负滤光片的制备方法，其特征在于，步骤2和3中，基底加热温度为170℃。
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