本發(fā)明屬于光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種中波和紅外波段的高效分光、在中波波段同步濾除二氧化碳紅外輻射波長(zhǎng)的分色元件及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

隨著紅外物理與光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，基于紅外線的光電成像與探測(cè)技術(shù)成為現(xiàn)代光電技術(shù)的重要學(xué)科與技術(shù)分支，不僅在國(guó)防軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且逐漸拓展到民用領(lǐng)域中。以紅外精確制導(dǎo)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用為例，紅外制導(dǎo)已經(jīng)從點(diǎn)源探測(cè)制導(dǎo)發(fā)展到成像制導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了從光機(jī)掃描成像到焦平面陣列凝視成像的跨越，大大提高了紅外成像的作用距離、制導(dǎo)精度和抗干擾能力等。

基于單一紅外波段的成像已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，隨著光電對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展和目標(biāo)復(fù)雜性，單一波段波段工作體制的成像不能完全適應(yīng)發(fā)展的需求。雙色的成像方式兼有中波紅外(3～5μm)和長(zhǎng)波紅外(8～14μm)兩個(gè)波段的優(yōu)勢(shì)，在很多紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。例如，美國(guó)海軍艦艇自身防御系統(tǒng)(ssds)的紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)、美國(guó)天基紅外衛(wèi)星(sbirs)計(jì)劃的低軌空間導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)(smts)、法國(guó)的空海全景警戒紅外(vampir)系統(tǒng)、荷蘭的sirius紅外搜索系統(tǒng)等。

雙波段成像與探測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)采用共光路的方式，主要有共光路共探測(cè)器和共光路分探測(cè)器。在共光路分波段探測(cè)中，需要將中波紅外(3～5μm)和長(zhǎng)波紅外(8～14μm)兩個(gè)波段分離，這就需要一種分色元件來實(shí)現(xiàn)，可以采取中波反射長(zhǎng)波透射和長(zhǎng)波反射中波透射的方式。單純對(duì)中波和長(zhǎng)波分光的方法已經(jīng)有報(bào)道，但是同時(shí)在3～5μm波段中濾除二氧化碳波長(zhǎng)的分色元件報(bào)道較少。

本發(fā)明基于中波反射長(zhǎng)波透射的思想，提出一種可以實(shí)現(xiàn)中波紅外(3～5μm)和長(zhǎng)波紅外(8～14μm)兩個(gè)波段分離，并且在中波波段內(nèi)濾除二氧化碳波長(zhǎng)的分色元件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提出一種中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段分色元件及設(shè)計(jì)方法，以解決如何在實(shí)現(xiàn)中波紅外波段(3～5μm)和長(zhǎng)波紅外波段(7～9.7μm)分光的同時(shí)，在中波紅外波段濾除二氧化碳紅外輻射波長(zhǎng)(4.2μm±0.2μm)的技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段分色元件的設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟：

選定參考波長(zhǎng)λ0為4.2μm；選擇基底材料sub為zns或znse，高折射率材料h為ge，低折射率材料l為zns，甚低折射率材料a為yf3；單位光學(xué)厚度為λ0/4；

基底為平行平板結(jié)構(gòu)，具有相對(duì)的第一表面和第二表面；

在第一表面設(shè)計(jì)反射中波紅外、透射長(zhǎng)波紅外和二氧化碳波長(zhǎng)的光學(xué)多層膜，其初始膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|0.5h1.2l1.8h0.3l2.3h1l1.2h1.2l1h2l0.1h2.5l1h1l1.1h1.2l2.3h0.2l1.6h0.8l1.1a0.2h|air

設(shè)定第一表面的膜系結(jié)構(gòu)在λ0±0.2μm波段的透過率為最大值，3～5μm其余波段的反射率為最大值，7.5～9.7μm波段的透過率為最大值；對(duì)第一表面的初始膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|x1hx2lx3hx4l……x19hx20lx21ax22h|air

其中，x1～x22為每層薄膜的光學(xué)厚度系數(shù)；

在第二表面設(shè)計(jì)長(zhǎng)波紅外和二氧化碳波長(zhǎng)的減反射薄膜，其初始膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|0.8h0.6l0.6h0.2l1.6h1.8l0.4h1.8l1.6h0.4l0.2h1.8l|air

設(shè)定第二表面的膜系結(jié)構(gòu)在λ0±0.2μm波段的透過率為最大值，7.5～9.7μm波段的透過率為最大值，對(duì)第二表面的初始膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|y1hy2ly3hy4ly5hy6ly7hy8ly9hy10ly11hy12l|air

其中，y1～y12為每層薄膜的光學(xué)厚度系數(shù)；

最終的中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段分色元件的結(jié)構(gòu)為：

air|x22hx21ax20hx19l……x4hx3lx2hx1l|sub|y1hy2ly3hy4ly5hy6ly7hy8ly9hy10ly11hy12l|air

分色元件的工作角度為45°。

進(jìn)一步地，第一表面優(yōu)化后的膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|0.4225h1.1963l1.7653h0.3175l2.3051h0.9988l1.1537h1.1317l0.9605h1.9779l0.1418h2.3985l0.9191h1.0633l1.0670h1.1621l2.2623h0.1787l1.5784h0.7884l1.1462a0.1832h|air。

進(jìn)一步地，第二表面優(yōu)化后的膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|0.3516h0.2868l0.2947h0.1256l0.7878h0.9171l0.2188h0.8582l0.8469h0.2373l0.0984h0.9363l|air。

此外，本發(fā)明還提出一種中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段分色元件，該分色元件采用上述任一項(xiàng)的設(shè)計(jì)方法得到。

(三)有益效果

本發(fā)明提出的中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段分色元件及設(shè)計(jì)方法，基于zns或znse材料作為基底，可以將中波紅外波段(3～5μm)以反射的方式分離，3.5～4.1μm反射率達(dá)到96％以上，4.4～4.7μm反射率達(dá)到90％以上，二氧化碳波長(zhǎng)的反射率10％以下；透射方向含有二氧化碳波長(zhǎng)和長(zhǎng)波紅外波段(7.5～9.7μm)，7.5～9.7μm波段的透過率為97％以上。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例分色元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中zns基底的光學(xué)常數(shù)；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中g(shù)e薄膜的光學(xué)常數(shù)；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中zns薄膜的光學(xué)常數(shù)；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中yf3薄膜的光學(xué)常數(shù)；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中第一表面的光譜反射率；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中第二表面的光譜透過率；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例分色元件中波紅外波段的分光效率曲線；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例分色元件長(zhǎng)波紅外波段的分光效率曲線。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本實(shí)施例提出一種中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段分色元件及其設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：

分色元件的結(jié)構(gòu)，如圖1所示?；诪槠叫衅桨褰Y(jié)構(gòu)，具有相對(duì)的第一表面a面和第二表面b面。

選定參考波長(zhǎng)λ0為4.2μm；選擇基底材料sub為zns，其光學(xué)常數(shù)如圖2所示；高折射率材料h為ge，其光學(xué)常數(shù)如圖3所示；低折射率材料l為zns，其光學(xué)常數(shù)如圖4所示；甚低折射率材料a為yf3，其光學(xué)常數(shù)如圖5所示；單位光學(xué)厚度為λ0/4。

在第一表面a面設(shè)計(jì)反射中波紅外、透射長(zhǎng)波紅外和二氧化碳波長(zhǎng)的光學(xué)多層膜，其初始膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|0.5h1.2l1.8h0.3l2.3h1l1.2h1.2l1h2l0.1h2.5l1h1l1.1h1.2l2.3h0.2l1.6h0.8l1.1a0.2h|air

設(shè)定第一表面的膜系結(jié)構(gòu)在4.0μm～4.4μm波段的透過率為最大值，3～5μm其余波段的反射率為最大值，7.5～9.7μm波段的透過率為最大值；對(duì)第一表面的初始膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|0.4225h1.1963l1.7653h0.3175l2.3051h0.9988l1.1537h1.1317l0.9605h1.9779l0.1418h2.3985l0.9191h1.0633l1.0670h1.1621l2.2623h0.1787l1.5784h0.7884l1.1462a0.1832h|air。

第一表面的薄膜物理厚度為9.09μm，其光譜反射率如圖6所示。

在第二表面b面設(shè)計(jì)長(zhǎng)波紅外和二氧化碳波長(zhǎng)的減反射薄膜，其初始膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|0.8h0.6l0.6h0.2l1.6h1.8l0.4h1.8l1.6h0.4l0.2h1.8l|air

設(shè)定第二表面的膜系結(jié)構(gòu)在4.0～4.4μm波段的透過率為最大值，7.5～9.7μm波段的透過率為最大值，對(duì)第二表面的初始膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的膜系結(jié)構(gòu)為：

sub|0.3516h0.2868l0.2947h0.1256l0.7878h0.9171l0.2188h0.8582l0.8469h0.2373l0.0984h0.9363l|air。

第二表面的薄膜物理厚度為4.28μm，其光譜透過率如圖7所示。

本實(shí)施例的分色元件的工作角度為45°。中波紅外波段(3～5μm)以反射的方式分離，分光效率如圖8所示，其中3.5～4.1μm反射率達(dá)到96％以上，4.4～4.7μm反射率達(dá)到90％以上，二氧化碳波長(zhǎng)的反射率10％以下；長(zhǎng)波紅外波段(7.5～9.7μm)以透射的方式分離，分光效率如圖9所示，透射方向含有二氧化碳波長(zhǎng)和長(zhǎng)波紅外波段(7.5-9.7μm)，7.5～9.7μm波段的透過率為97％以上。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。