CN219625736U - 一种可调谐中红外高反射膜系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可调谐中红外高反射膜系统。该高反射膜系统包括相互间隔且平行的上基底和下基底，其中，上基底和下基底相对的表面上附着有高反射膜。在高反射膜系统第一层与最后一层为低折射率材料，其厚度为其余低折射材料层厚度的0.41～0.42倍。该高反射膜系统在上、下基底上采用高、低折射率材料交替结构，其中的第一层与最后一层的低折射率材料为0.413倍光学厚度；上、下基底经过组装后中间具有均匀厚度的空气膜层。该高反射膜系统具有优异的力学性能、耐高温性和稳定性，当环境发生大幅度的变化时中也可正常适用，环境适用性强，有效解决了高反射膜系统对湿度、温度和压力敏感的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高反射膜系统，尤其涉及一种可调谐中红外高反射膜系统，属于光学薄膜领域。
背景技术
近年来，随着“碳达峰、碳中和”理念的提出，我国对环境保护，化工污染减排的要求达到了新的高度，在这一宏观趋势下，红外光谱气体探测技术也迎来了应用浪潮，我国近年也从环境保护、石油化工、安全运输等方面对气体减排和气体探测提出了新要求，凭借红外光谱气体探测技术独特的功能特性，将红外光谱气体探测技术的市场逐渐推广到新的应用领域。
常见的检测气体包括易燃易爆、有毒气体、蒸气以及VOCs物质，涉及种类较多。基于不同领域所监测的气体种类不同，气体光谱覆盖了长波及中波范围。
传统的红外探测传感器中会使用到F-P腔干涉仪，在光学中，法布里－珀罗干涉仪(英文：Fabry–Pérot interferometer)，是一种由两块平行的反射镜组成的多光束干涉仪。其中两块反射镜相对的内表面都镀有高反膜，但所采用的高反膜多为一次成型，且高反膜中的材料层均为1倍光学厚度。
在F-P腔干涉仪的应用中，高反射膜对于环境的要求相对严格。一旦温度、湿度以及震动等外部条件不具备，则会很大程度上影响其工作的性能以及准确度。传统的高反膜常使用在金属镀制，但在金属高反膜中，各膜层的粘附性和致密性有限，因此，常常为一次性镀制高折射率材料膜或低折射率材料膜，形成反射层，从而避免膜层脱落，但是，这也造成了空气和水汽容易进入到金属膜层内，在高温及高温高湿环境下金属膜层容易被氧化腐蚀，于此同时由制备过程引入的颗粒异物造成膜层缺陷会加剧腐蚀的生成，这不仅使得金属膜的反射率降低，损失光能，而且腐蚀剥落的膜层还可能会积聚阻挡在光路的通道口上，进一步降低光能的收集效率，甚至会使器件在高温和残余的膜的应力的作用下变形破裂，极大的影响了膜层的使用寿命和环境适应性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种可调谐中红外高反射膜系统，该高反射膜系统采用高、低折射率材料交替镀制，其中第一层与最后一层均为低折射率材料，且这两层为0.41～0.42倍光学厚度；基于上述各结构与组分间的协同作用，使得该高反射膜系统具有优异的力学性能、耐高温性和稳定性，当环境发生大幅度的变化时也可正常适用，环境适用性强。
为实现上述技术目的，本发明提供了一种可调谐中红外高反射膜系统，包括：相互间隔且平行的上基底和下基底，所述上基底和下基底相对的表面上附着有高反射膜；所述高反射膜由3～5层低折射率材料层和2～4层高折射率材料层交叠组成，且任意一层高折射率材料层夹在两层低折射率材料层之间；所述低折射率材料层中第一层和最后一层的厚度为0.41～0.42倍光学厚度。
本实用新型所提供的高反射膜系统采用高、低折射率材料交替镀制，其中第一层与最后一层均为低折射率材料，且这两层为0.41～0.42倍光学厚度。基于上述的膜结构及膜组分，可大幅提高膜系统成膜后的反射率，并在膜层的表面形成保护层，提高膜系统的耐磨性和耐高温性；进一步的，最低层设置为0.41～0.42倍光学厚度的低折射率材料层，不仅能够使得膜层与基底结合的更为紧密，防止膜层脱落和分离，还可以提高膜层的致密性，大幅提升膜系统的稳定性。
作为一项优选的方案，所述上基底为Ge或K9玻璃；所述下基底为Ge或K9玻璃。
作为一项优选的方案，所述低折射材料层为氧化铝、氧化硅和氮化硅中的至少一种；所述高折射材料层为五氧化二钽、锗和氮化钛中的至少一种。
作为一项优选的方案，所述低折射率材料层的折射率为1.2～3.2；所述高透射率材料层的折射率为2.1～4.3。
作为一项优选的方案，所述高折射率材料层的折射率大于低折射率材料层的折射率。
作为一项优选的方案，所述低折射率材料层的折射率为1.2～1.5时，高折射率材料的折射率为2.1～2.3。该折射率要求主要针对的是入射波为0.9～1.7μm的波段。进一步优选，所述入射波为0.9～1.7μm波段时，高折射率材料可选为Ta2O5，低折射率材料可选为SiO2，SiO2在0.9～1.7μm波段的折射率为1.442～1.452，Ta2O5在0.9～1.7μm波段的折射率为2.099～2.122。
作为一项优选的方案，所述低折射率材料层的折射率为1.6～3.2时，高折射率材料的折射率为3.8～4.3。该折射率要求主要针对的是入射波为3～5μm、3～10μm和10～14.5μm的波段。进一步优选，所述入射波为3～5μm、3～10μm和10～14.5μm波段时，高折射率材料可选为Ge，低折射率材料可选为Al2O3。Ge在3～5um波段的折射率为3.97227～4.00213，Al2O3在3～5um波段的折射率为1.624～1.709。Ge在3-10um波段的折射率为3.96～4.00213，Al2O3在3～10um波段的折射率为1.709～3.13。Ge在10～14.5um波段的折射率为3.96，Al2O3在10～14.5um波段的折射率为3.1～3.13。
本实用新型所采用的膜系结构为：sub/0.413L(HL)^3/2Air/(HL)^30.413L/sub；其中，Sub表示基底；Air表示空气；H表示四分之一波长光学厚度的高折射率镀膜层；L表示四分之一波长光学厚度的低折射率镀膜层。高低折射率材料镀制过程中的物理厚度与中心波长有关，其计算公式为nd＝λ/4，其中λ为波长，n为高低材料所在波长的折射率，d为物理厚度。
本实用新型所提供的低折射率材料层的折射率和高折射率材料层的折射率要严格按照设定范围进行选择，其目的在于保证高、低折射率材料层之间的折射率差值位于合适的范围内，若差值过小，会导致光的吸收较多，无法呈现最终的高反射率。
作为一项优选的方案，所述上基底表面附着的高反射膜与下基底表面附着的高反射膜之间还存在空气层。
作为一项优选的方案，所述空气层的厚度为4～5μm。
作为一项优选的方案，所述低折射率材料层的厚度为0.12～1.6μm。进一步的，为保证低折射率材料层厚度的精准控制，其沉底速率应为1.9～2.4nm/s。
作为一项优选的方案，所述高折射率材料层的厚度为0.2～1.0μm。进一步的，为保证低高射率材料层厚度的精准控制，其沉底速率应为1.6～2.8nm/s。
相对现有技术，本发明所带来的有益技术效果为：
1)本实用新型所提供的高反射膜系统中，采用高、低折射率材料交替叠加的结构，其中第一层与最后一层均为低折射率材料，且这两层为0.41～0.42倍光学厚度；基于上述各结构与组分间的协同作用，使得该高反射膜系统具有优异的力学性能、耐高温性和稳定性，当环境发生大幅度的变化时中也可正常适用，环境适用性强。
2)本实用新型所提供的技术方案中，根据入射光的波段不同，选择不同的高、低折射率材料层组合方式，当来自0.9-1.7μm、3-5μm、3-10μm、10-14.5μm波段中任一单色光以入射角θ进入高反射膜系统时，所产生的透射光是许多透过反射镜的平行光束的叠加产生细窄明亮的干涉条纹，通过调整上、下基底之间的距离，即可调整由单色仪之中穿透光线的波段分布。
附图说明
图1为反射膜结构示意图；
1为基底，2为低折射率膜层，3为高折射率膜层，4为空气层；
图2为0.9～1.7μm波段反射膜反射率测试图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以下案例，0.9～1.7μm波段高折射率材料为Ta2O5，低折射率材料为SiO2。3～5μm、3～10μm和10～14.5μm波段高折射率材料为Ge，低折射率材料为Al2O3。
实施例1
本实施例例举的红外气体探测器F-P腔干涉仪两块平行反射镜中高反射膜具体结构如图1所示，采用现有常见的离子溅射镀膜设备-BSV1030制备高反射膜系统。根据镀膜层结构(包括膜层的层数、各膜层厚度等)的设计，反复交替镀制第一镀膜层和第二镀膜层，第一层与最后一层镀制0.413倍光学厚度低折射率材料镀膜层。最终得到所需镀膜层。采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor,通上氩气、氧气压力设置到30pai。镀制时间为膜层厚度/沉积速率。
当入射光为0.9～1.7μm波段时，高反射膜系统以Ge为基底，以SiO2为镀膜材料的第一镀膜层，以Ta2O5为镀膜材料的第二镀膜层；第一镀膜层和第二镀膜层交替镀制。第一层与最后一层镀制0.413倍光学厚度低折射率材料SiO2镀膜层。所述Ta2O53膜层的镀膜沉积速率为1.6nm/s，所述SiO2膜层的镀膜沉积速率为2.36nm/s。其中，高折射率材料为Ta2O5在0.9～1.7μm波段的折射率n＝2.122～2.099，低折射率材料SiO2在0.9～1.7μm波段的折射率n＝1.452～1.442，制备完毕后，上基底和下基底相对的表面所得高反射膜系统各膜层的厚度由上至下分别为：
SiO2镀膜层121.577±3nm；
Ta2O5镀膜层202.477±3nm；
SiO2镀膜层294.730±3nm；
Ta2O5镀膜层202.477±3nm；
SiO2镀膜层294.730±3nm；
Ta2O5镀膜层202.477±3nm；
SiO2镀膜层294.730±3nm；
AIR 4500.00nm；
SiO2镀膜层294.730±3nm；
Ta2O5镀膜层202.477±3nm；
SiO2镀膜层294.730±3nm；
Ta2O5镀膜层202.477±3nm；
SiO2镀膜层294.730±3nm；
Ta2O5镀膜层202.477±3nm；
SiO2镀膜层121.577±3nm。
实施例2
采用现有常见的离子溅射镀膜设备-BSV1030制备高反射膜系统。根据镀膜层结构(包括膜层的层数、各膜层厚度等)的设计，反复交替镀制第一镀膜层和第二镀膜层，第一层与最后一层镀制0.413倍光学厚度低折射率材料镀膜层。最终得到所需镀膜层。采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor,通上氩气、氧气压力设置到30pai。镀制时间为膜层厚度/沉积速率。
当入射光为3～5μm波段时，高反射膜系统以Ge为基底、以Al2O3为镀膜材料的第一镀膜层，以Ge为镀膜材料的第二镀膜层；第一镀膜层和第二镀膜层交替镀制。第一层与最后一层镀制0.413倍光学厚度低折射率材料Al2O3镀膜层。所述Al2O3膜层的镀膜沉积速率为1.9nm/s，所述Ge膜层的镀膜沉积速率为2.8nm/s。其中，高折射率材料为Ge在3～5μm波段的折射率为3.97227～4.00213，低折射率材料Al2O3在3～5μm波段的折射率为1.624～1.709，制备完毕后，上基底和下基底相对的表面所得高反射膜系统各膜层的厚度由上至下分别为：
Al2O3镀膜层639.67±3nm；
Ge镀膜层599.27±3nm；
Al2O3镀膜层1550.70±3nm；
Ge镀膜层566.81±3nm；
Al2O3镀膜层1550.70±3nm；
Ge镀膜层566.81±3nm；
Al2O3镀膜层1550.70±3nm；
AIR 4500.00nm；
Al2O3镀膜层1550.70±3nm；
Ge镀膜层566.81±3nm；
Al2O3镀膜层1550.70±3nm；
Ge镀膜层566.81±3nm；
Al2O3镀膜层1550.70±3nm；
Ge镀膜层599.27±3nm；
Al2O3镀膜层639.67±3nm。
实施例3
采用现有常见的离子溅射镀膜设备-BSV1030制备高反射膜系统。根据镀膜层结构(包括膜层的层数、各膜层厚度等)的设计，反复交替镀制第一镀膜层和第二镀膜层，第一层与最后一层镀制0.413倍光学厚度低折射率材料镀膜层。最终得到所需镀膜层。采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor,通上氩气、氧气压力设置到30pai。镀制时间为膜层厚度/沉积速率。
当入射光为3～10μm波段时，高反射膜系统以K9玻璃为原材料的基底、以Al2O3为镀膜材料的第一镀膜层，以Ge为镀膜材料的第二镀膜层；第一镀膜层和第二镀膜层交替镀制。第一层与最后一层镀制0.413倍光学厚度低折射率材料Al2O3镀膜层。所述Al2O3膜层的镀膜沉积速率为1.9nm/s，所述Ge膜层的镀膜沉积速率为2.8nm/s。其中，高折射率材料为Ge在3～10μm波段的折射率为3.96～4.00213，低折射率材料Al2O3在3～10μm波段的折射率为1.709～3.13，制备完毕后，上基底和下基底相对的表面所得高反射膜系统各膜层的厚度由上至下分别为：
Al2O3镀膜层329.32±3nm；
Ge镀膜层631.31±3nm；
Al2O3镀膜层798.72±3nm；
Ge镀膜层631.31±3nm；
Al2O3镀膜层798.72±3nm；
Ge镀膜层631.31±3nm；
Al2O3镀膜层798.72±3nm；
AIR 4500.00nm；
Al2O3镀膜层798.72±3nm；
Ge镀膜层631.31±3nm；
Al2O3镀膜层798.72±3nm；
Ge镀膜层631.31±3nm；
Al2O3镀膜层798.72±3nm；
Ge镀膜层631.31±3nm；
Al2O3镀膜层329.32±3nm。
实施例4
采用现有常见的离子溅射镀膜设备-BSV1030制备高反射膜系统。根据镀膜层结构(包括膜层的层数、各膜层厚度等)的设计，反复交替镀制第一镀膜层和第二镀膜层，第一层与最后一层镀制0.413倍光学厚度低折射率材料镀膜层。最终得到所需镀膜层。采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor,通上氩气、氧气压力设置到30pai。镀制时间为膜层厚度/沉积速率。
当入射光为10～14.5μm波段时，高反射膜系统以K9玻璃为原材料的基底、以Al2O3为镀膜材料的第一镀膜层，以Ge为镀膜材料的第二镀膜层；第一镀膜层和第二镀膜层交替镀制。第一层与最后一层镀制0.413倍光学厚度低折射率材料Al2O3镀膜层。所述Al2O3膜层的镀膜沉积速率为1.9nm/s，所述Ge膜层的镀膜沉积速率为2.8nm/s。其中，高折射率材料为Ge在10～14.5μm波段的折射率为3.96，低折射率材料Al2O3在10～14.5μm波段的折射率为3.1～3.13，制备完毕后，上基底和下基底相对的表面所得高反射膜系统各膜层的厚度由上至下分别为：
Al2O3镀膜层482.36±3nm；
Ge镀膜层915.4±3nm；
Al2O3镀膜层1169.35±3nm；
Ge镀膜层915.4±3nm；
Al2O3镀膜层1169.35±3nm；
Ge镀膜层915.4±3nm；
Al2O3镀膜层1169.35±3nm；
AIR 4500.00nm；
Al2O3镀膜层1169.35±3nm；
Ge镀膜层915.4±3nm；
Al2O3镀膜层1169.35±3nm；
Ge镀膜层915.4±3nm；
Al2O3镀膜层1169.35±3nm；
Ge镀膜层915.4±3nm；
Al2O3镀膜层482.36±3nm。
经测试，当来自0.9～1.7μm、3～5μm、3～10μm、10～14.5μm波段中任一单色光以入射角θ进入反射镜，反射率达98％以上。这时，透射光是许多透过反射镜的平行光束的叠加产生细窄明亮的干涉条纹，任一一对相邻光束的光程差为δ＝2ndCOSθ，其中θ为单色光的入射角，n为膜料折射率，d为两块平行反射镜之间的距离。调整两块平行反射镜之间的距离，即可调整由单色仪之中穿透光线的波段分布。
表1实施例1～4所得高反射膜系统反射率
| 案例 | 0.9-1.7μm | 3-5μm | 3-10μm | 10-14.5μm |
| 实施例1 | 98.5％ | 99.6％ | 99.5％ | 99.6％ |
进一步的，对实施例1～4所得高反射率膜系统分别进行附着力测试、湿热测试、耐高温验证。实现结果表明，实施例1～4所得高反射率膜系统用宽度1英寸的3M专用胶带紧贴镀膜表面，然后沿膜面垂直方向迅速拉起，反复拉扯30次未有脱膜现象，在温度为50℃的水里浸泡96小时后膜层无变化，常温升至300℃烘烤1小时后降至常温后，膜层无变化。通过以上结果可以看出，本实用新型所提供的高反射率膜系统具有优异的力学性能、耐高温性和稳定性。
对比例1
和实施例1相比，区别仅在于，第一层和最后一层低折射率材料层为1倍光学厚度，其他参数条件同实施例1。
对比例2
和实施例2相比，区别仅在于，第一层和最后一层低折射率材料层为1倍光学厚度，其他参数条件同实施例2。
对比例3
和实施例3相比，区别仅在于，第一层和最后一层低折射率材料层为1倍光学厚度，其他参数条件同实施例3。
对比例4
和实施例4相比，区别仅在于，第一层和最后一层低折射率材料层为1倍光学厚度，其他参数条件同实施例4。
经测试，当来自0.9～1.7μm、3～5μm、3～10μm、10～14.5μm波段中任一单色光以入射角θ进入反射镜，反射率低于85％。
测试结果见表2：
表2对比例1～4所得高反射膜系统反射率
| 案例 | 0.9-1.7μm | 3-5μm | 3-10μm | 10-14.5μm |
| 实施例1 | 83.6％ | 78.9％ | 82.4％ | 66.3％ |
。
Claims (8)
1.一种可调谐中红外高反射膜系统，其特征在于，包括：相互间隔且平行的上基底和下基底，所述上基底和下基底相对的表面上附着有高反射膜；所述高反射膜由3~5层低折射率材料层和2~4层高折射率材料层交叠组成，且任意一层高折射率材料层夹在两层低折射率材料层之间；所述第一层和最后一层低折射率材料层的厚度为0.41~0.42倍光学厚度。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外高反射膜系统，其特征在于：所述上基底为Ge或K9玻璃；所述下基底为Ge或K9玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外高反射膜系统，其特征在于：所述低折射率材料层为氧化铝、氧化硅和氮化硅中的至少一种；所述高折射率材料层为五氧化二钽、锗和氮化钛中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外高反射膜系统，其特征在于：所述低折射率材料层的折射率为1.2~3.2；所述高折射率材料层的折射率为2.1~4.3；所述高折射率材料层的折射率大于低折射率材料层的折射率。
5.根据权利要求4所述的一种可调谐中红外高反射膜系统，其特征在于：所述低折射率材料层的折射率为1.2~1.5时，高折射率材料的折射率为2.1~2.3。
6.根据权利要求4所述的一种可调谐中红外高反射膜系统，其特征在于：所述低折射率材料层的折射率为1.6~3.2时，高折射率材料的折射率为3.8~4.3。
7.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外高反射膜系统，其特征在于：所述上基底表面附着的高反射膜与下基底表面附着的高反射膜之间还存在空气层；所述空气层的厚度为4~5μm。
8.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外高反射膜系统，其特征在于：所述低折射率材料层的厚度为0.12~1.6μm；所述高折射率材料层的厚度为0.2~1.0μm。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202222255064.9U CN219625736U (zh) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 一种可调谐中红外高反射膜系统 |
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| CN202222255064.9U CN219625736U (zh) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 一种可调谐中红外高反射膜系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117512527A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-06 | 星际光(上海)实业有限公司 | 一种介质膜反射镜及其制备工艺 |
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2022
- 2022-08-26 CN CN202222255064.9U patent/CN219625736U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117512527A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-06 | 星际光(上海)实业有限公司 | 一种介质膜反射镜及其制备工艺 |
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |