本發(fā)明屬于光學薄膜技術領域，具體涉及一種可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口及設計方法。

背景技術：

隨著空間軍事化和商業(yè)化的迅猛發(fā)展，空間已成為維護國家安全和利益所必須關注和占據的戰(zhàn)略“制高點”。由于衛(wèi)星自身的脆弱性以及反衛(wèi)星武器的出現(xiàn)，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對衛(wèi)星的依賴性越高，衛(wèi)星反而越容易成為戰(zhàn)爭的薄弱環(huán)節(jié)。目前，機載激光(abl)、地基激光(gbl)和天基激光(sbl)是反衛(wèi)星的主要激光武器，要想實現(xiàn)摧毀衛(wèi)星，激光功率需要達到兆瓦級。目前，能用于攻擊衛(wèi)星的激光武器主要有1.315μm的氧化碘(coil)激光器、2.7μm的氟化氫(hf)激光器以及3.8μm的氟化氘(df)激光器三種。對衛(wèi)星而言，常用的工作波段主要有0.5μm～0.8μm可見光/近紅外ccd相機、1.55μm的激光通信等。因此，迫切需要研制具有在衛(wèi)星工作波段有高透過率和激光武器波長處有較低的透過率的激光防護窗口，實現(xiàn)衛(wèi)星反激光武器的防護。因此，對于可見光-近紅外-中紅外波段的激光防護窗口的研究已成為目前衛(wèi)星防護研究的重要課題。

美國20世紀90年代開展了地基反衛(wèi)星激光武器的研究工作。1997年10月，美國陸軍在新墨西哥州白沙導彈靶場采用高能激光系統(tǒng)試驗設施(功率為2.2mw的氟化氘化學激光器，中心波長為3.8μm，試驗中未全功率運行，有資料表明：當時的光功率為200w，激光束徑2m，)進行了首次公開的激光反衛(wèi)星試驗，目的是驗證激光在緊急時刻擊落衛(wèi)星的能力。從10月8日～23日，美國陸軍分別利用高功率和低功率激光器向一顆美國空軍正在軌道上運行的即將報廢的氣象衛(wèi)星msti-3(運行在425km高空、飛行速度達26800km/h)發(fā)射了6次激光，其中3次使425km高的msti-3衛(wèi)星光學傳感器飽和，并收到從衛(wèi)星上返回的數據。這次試驗是研制反衛(wèi)星武器的一個重要的里程碑，也是歷史上第一次公開地用高功率激光器攻擊衛(wèi)星。

對于衛(wèi)星激光防護膜，國內外已進行過相關研究。美國陸軍納蒂克研究中心研制一種組合式層狀結構防護鏡，其利用多層介質膜對特定波長激光的反射衰減達到激光防護效果。據報道可防護532nm、694nm和1064nm三種激光，光密度為4，可見光透過率達73％，其主要缺點是玻璃箔易損。目前國內報道在有色濾光片上用真空電子束蒸鍍制備高反射膜膜系為sub/(hl)^11h2l/空氣，最外層加鍍了sio2半波覆蓋層)，高反射膜的損傷閾值為15.3j/cm²，對某一波段具有高反射性，而對其他波段則有高透射性，具有抗化學浸蝕性；用濺射法制備了sub/(hl)^ph2l/空氣(p＝9～15)防護膜，對1.06和1.315μm波長范圍內的激光高反射，對可見光則高透過。

綜上所述，目前對于衛(wèi)星激光防護薄膜研究主要集中在可見光-近紅外波段，不能完全覆蓋目前常用的高功率激光武器輸出波長所在的近紅外-中紅外波段，對于可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口的設計還未見報道。因此，本發(fā)明提出一種可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口及設計方法，實現(xiàn)可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口的制備，對于衛(wèi)星平臺防護激光武器具有重要的作用。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明提出一種可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口及設計方法，以解決如何在實現(xiàn)衛(wèi)星的正常工作的前提下，保護衛(wèi)星避免受到強激光武器攻擊的技術問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出一種可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口設計方法，該設計方法包括如下步驟：

選擇k9玻璃為窗口的基底材料，ta2o5和sio2分別為膜系結構中的高折射率薄膜材料h和低折射率薄膜材料l；

在基底的一面設計三波段分光薄膜，分光薄膜的基本膜系結構為：sub/(0.5lh0.5l)^m/air，參考波長λ1，其中8<m<24；

在基底的另一面設計雙波段減反射薄膜，減反射薄膜的基本膜系結構為：sub/l(hl)^n/air，參考波長λ2，其中2<n<10；

將ta2o5和sio2的光學常數導入到薄膜設計軟件中，根據m和n值的不同，計算窗口的透過率曲線，由此選擇合適的m和n值，分別得到兩個基本膜系的最終膜系結構。

進一步地，分光薄膜的基本膜系結構中，m為14，λ1為1.315μm；最終膜系結構為sub/0.98l0.93h0.95l0.99h1.01l0.99h(lh)^81.01l0.92h0.88l0.87h0.98l1.05h0.51l/air；減反射薄膜的基本膜系結構中，n為5，λ2為0.65μm；最終膜系結構為sub/0.97l0.15h0.50l1.86h1.67l1.67h1.02l0.17h0.48l0.97h0.94l/air。

進一步地，k9玻璃的厚度為10mm。

此外，本發(fā)明還提出一種可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口，采用上述設計方法得到，該激光防護窗口對于0.5～0.8μm波段的透過率大于95％，對于1.55μm波段的透過率大于98％；對于1.315μm波段的透過率小于0.1％，對于2.7μm波段的透過率小于20％，對于3.8μm波段的透過率小于0.5％。

(三)有益效果

本發(fā)明提出的可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口及設計方法，通過采用基底和線性激光防護薄膜相結合的方法，選擇具有一定波段吸收的基底，在吸收基底一側設計三波段分光薄膜，另一側設計雙波段減反射薄膜，實現(xiàn)多波段衛(wèi)星激光防護窗口的設計。本發(fā)明對于不同工作波段、不同防護激光波段的線性激光防護窗口的設計具有普適性，實現(xiàn)衛(wèi)星工作波段的高透過和強激光武器波段的低透過，從而實現(xiàn)衛(wèi)星的正常工作和強激光武器攻擊的防護。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例激光薄膜防護窗口結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例k9玻璃的透過率曲線；

圖3為本發(fā)明實施例離子束濺射ta2o5和sio2薄膜折射率曲線；

圖4為本發(fā)明實施例三波段分光薄膜是理論設計透過率曲線；

圖5為本發(fā)明實施例雙波段減反射薄膜理論設計透過率曲線；

圖6為本發(fā)明實施例激光薄膜防護窗口理論設計透過率曲線；

圖7為本發(fā)明實施例激光薄膜防護窗口理論設計反射率曲線。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內容和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

本實施例提出一種可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口設計方法，該設計方法包括如下步驟：

根據多譜段防護窗口設計要求，確定其線性激光薄膜防護窗口結構，如圖1所示。選擇厚度為10mm的k9玻璃為窗口的基底材料，其對于0.5-4μm波段的透過率曲線，如圖2所示。

選擇ta2o5和sio2分別作為膜系結構中的高折射率薄膜材料h和低折射率薄膜材料l。采用離子束濺射沉積設備制備單層ta2o5和sio2薄膜，采用wvase32軟件進行光學常數計算，獲得的離子束濺射ta2o5和sio2薄膜折射率曲線，如圖3所示。

在k9基底的一面設計三波段分光薄膜，實現(xiàn)1.315μm波段的反射和0.5～0.8μm波段和1.55μm波段的增透。該分光薄膜的基本膜系結構為：sub/(0.5lh0.5l)^14/air，參考波長λ1為1.315μm。優(yōu)化前6層和后7層后，最終膜系結構為sub/0.98l0.93h0.95l0.99h1.01l0.99h(lh)^81.01l0.92h0.88l0.87h0.98l1.05h0.51l/air。該三波段分光薄膜是理論設計透過率曲線，如圖4所示。

在k9基底的另一面設計雙波段減反射薄膜，實現(xiàn)0.5～0.8μm波段和1.55μm波段的增透。該減反射薄膜的基本膜系結構為：sub/l(hl)^5/air，參考波長λ2為0.65μm。對所有膜層全優(yōu)化后，最終膜系結構為sub/0.97l0.15h0.50l1.86h1.67l1.67h1.02l0.17h0.48l0.97h0.94l/air。該雙波段減反射薄膜理論設計透過率曲線，如圖5所示。

將k9基底參數與三波段分光膜和雙波段減反射膜膜系結構輸入到薄膜設計軟件中，獲得多譜段線性激光薄膜防護窗口的理論設計透過率曲線和反射率曲線，如圖6和7所示。由圖可見，該激光防護窗口對于0.5～0.8μm波段的透過率大于95％，對于1.55μm波段的透過率大于98％；對于1.315μm波段的透過率小于0.1％，對于2.7μm波段的透過率小于20％，對于3.8μm波段的透過率小于0.5％。

本實施例設計的激光防護窗口，能實現(xiàn)可見光0.5～0.8μm和激光通信1.55μm波段的透過和1.315μm、2.7μm和3.8μm強激光的低透過，既滿足了衛(wèi)星工作波段的高透過，又能防護強激光武器的攻擊。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。