本發(fā)明涉及遠(yuǎn)紅外波段光學(xué)薄膜技術(shù)，具體指一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口，通過在cvd金剛石上鍍制多層膜，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)紅外波段5-50微米透射和中波紅外5微米前波段的截止。

技術(shù)背景

紅外光學(xué)薄膜濾光片作為紅外遙感技術(shù)的基礎(chǔ)關(guān)鍵元器件之一，對紅外遙感的性能有著直接的影響。紅外光學(xué)薄膜濾光片的發(fā)展，直接影響著紅外技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展。現(xiàn)在主流的紅外光學(xué)薄膜濾光片主要集中在25微米之前的波段進(jìn)行研究；對于25微米之后的紅外波段，由于光學(xué)薄膜材料的限制，相關(guān)光學(xué)薄膜方向的研究甚少。隨著紅外光學(xué)的發(fā)展，在地球輻射收支等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ΣㄩL至遠(yuǎn)紅外50微米的探測提出了新的要求。

地球輻射收支是指地球大氣系統(tǒng)從太陽接收紫外、可見和近紅外電磁輻射和地球大氣系統(tǒng)向外層空間放射紅外輻射的輻射交換過程，地球輻射收支(erb)的探測是空間遙感探測的有機(jī)組成部分，作為全球氣候觀測系統(tǒng)中一個重要的氣候變量，地球輻射收支測量可以用于驗(yàn)證氣候模式輸出，確定數(shù)值預(yù)報模式中的云參數(shù)化方案，以及分析痕量氣體、氣溶膠和云對于氣候變化的影響。

地球輻射收支光譜范圍從0.2微米至100微米以上。主要分為0.2-5微米的短波通道和5-50微米的長波通道。針對短波通道的光學(xué)薄膜研究已經(jīng)很普及。而對于長波通道，目前主要集中在8-12微米的研究。而25-50微米波段區(qū)間的探測，并無專門研究，只在全波段探測中涉及。這對于長波通道的研究和分析都帶來極大的困難。

在遠(yuǎn)紅外窗口方向的研究方向，國內(nèi)有的采用聚乙烯、塑料等有機(jī)物作為15-50μm波段的紅外探測器的窗口材料，這些材料具有耐機(jī)械沖擊能力，但是在15μm之前不能對光譜進(jìn)行響應(yīng)，并且塑料高分子成分在航天上的應(yīng)用也有其欠缺性。

對長波紅外光學(xué)薄膜窗口進(jìn)行研究，通過寬光譜的紅外高精度觀測，去除5微米之前的太陽輻射的影響，可提高長波通道的探測精度。該研究對于地球輻射探測、深空探測等遠(yuǎn)紅外探測具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出設(shè)計了一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口，該光學(xué)薄膜窗口元件實(shí)現(xiàn)對中波波長5μm波段前的截止，5-50μm波段增透。本發(fā)明具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口性能穩(wěn)定，適合于地球輻射探測的長波窗口、深空探測等領(lǐng)域的應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：在cvd金剛石基底兩面分別沉積正面截止膜系和背面截止膜系。

本發(fā)明的濾光片由正面截止膜系1、基片2和背面截止膜系3組成，在基底的一面沉積正面截止膜系1，在基底的另一面沉積背面截止膜系3。

正面截止膜系1的膜系結(jié)構(gòu)為：

基底/0.22h0.78l0.43h0.99l0.47h1.10l0.47h1.20l0.45h1.25l0.35h1.57l0.15h5.13l/空氣

其中，h表示一個λ0/4光學(xué)厚度的pbte膜層，l表示一個λ0/4光學(xué)厚度的csi膜層，λ0為中心波長，為4微米，h、l前的數(shù)字為λ0/4光學(xué)厚度比例系數(shù)乘數(shù)；

背面截止膜系3的膜系結(jié)構(gòu)為：

基底/0.20h0.72l0.40h0.91l0.43h1.01l0.43h1.10l0.41h1.14l0.32h1.44l0.14h4.70l/空氣

其中，h表示一個λ0/4光學(xué)厚度的pbte膜層，l表示一個λ0/4光學(xué)厚度的csi膜層，λ0為中心波長，為3微米，h與l前的數(shù)字為膜層的厚度比例系數(shù)。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：提出了一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口，該光學(xué)薄膜窗口元件可以實(shí)現(xiàn)對波長小于5μm波段的截止，平均透過率低于0.5％；在5-50μm波段增透。本發(fā)明遠(yuǎn)紅外波段光學(xué)薄膜濾光片性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于地球輻射探測、遠(yuǎn)紅外目標(biāo)識別和深空探測等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口正面截止膜系及背面截止膜系排列的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中(1)為正面截止膜系，(2)為金剛石基片，(3)為背面截止膜系。

圖2為一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口的光譜透過率曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口，增透光譜區(qū)間為5-50μm，截止光譜區(qū)間為0～5μm，選用pbte和csi為高低折射率薄膜材料。

本發(fā)明一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口的正面截止膜系和背面截止膜系均采用為多層非規(guī)整膜系結(jié)構(gòu)。膜系沉積采用石英晶體監(jiān)控和光學(xué)直接監(jiān)控互補(bǔ)的監(jiān)控方式，控制膜層厚度沉積誤差，得到接近設(shè)計的結(jié)果。

正面截止膜系1選取中心波長λ0為4μm，通過膜系設(shè)計軟件優(yōu)化，膜系結(jié)構(gòu)為：

基底/0.22h0.78l0.43h0.99l0.47h1.10l0.47h1.20l0.45h1.25l0.35h1.57l0.15h5.13l/空氣

其中，h表示一個λ0/4光學(xué)厚度的pbte膜層，l表示一個λ0/4光學(xué)厚度的csi膜層，h、l前的數(shù)字為λ0/4光學(xué)厚度比例系數(shù)乘數(shù)。

背面截止膜系3選取中心波長λ0為3μm，通過膜系設(shè)計軟件優(yōu)化，膜系結(jié)構(gòu)為：

基底/0.20h0.72l0.40h0.91l0.43h1.01l0.43h1.10l0.41h1.14l0.32h1.44l0.14h4.70l/空氣

其中，h表示一個λ0/4光學(xué)厚度的pbte膜層，l表示一個λ0/4光學(xué)厚度的csi膜層，h、l前的數(shù)字為λ0/4光學(xué)厚度比例系數(shù)乘數(shù)。

為增強(qiáng)薄膜可靠性，薄膜沉積前采用離子源輔助轟擊清洗基片，選擇陽極電壓為180伏特，陰極電流為5安培，轟擊10分鐘。薄膜沉積真空為1-2×10^-3pa，基片沉積溫度控制在180±2℃。pbte薄膜沉積速率為1.2nm/s，csi薄膜沉積速率為2.0nm/s。

本發(fā)明實(shí)施案例得到的一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口在0-5微米波段范圍內(nèi)，平均透過率小于0.5％，在5-50微米范圍內(nèi)，平均透過率大于76.8％，透過率最高值為90.3％。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種具有中波紅外截止功能的遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口，該光學(xué)薄膜窗口以碲化鉛(PbTe)和碘化銫(CsI)為高低折射率薄膜材料，在1?2×10?3Pa真空環(huán)境、180±2℃沉積溫度下，采用阻蒸熱蒸發(fā)沉積方法在CVD金剛石基底兩側(cè)分別沉積多層膜而成；該遠(yuǎn)紅外光學(xué)薄膜窗口能夠?qū)崿F(xiàn)對中波紅外5微米前的光波截止，截止后其平均透過率低于0.5％，對5?50微米波段的光增透，平均透過率大于76.8％。本發(fā)明的遠(yuǎn)紅外波段光學(xué)薄膜窗口可應(yīng)用于深空探測、遠(yuǎn)紅外目標(biāo)識別和地球輻射探測等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：羅海瀚;劉定權(quán);高艷卿;蔡清元;孔園園
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.12
技術(shù)公布日：2017.09.12