中波红外短波通滤光片的设计与镀制技术研究

中波红外短波通滤光片的设计与镀制技术研究 中波红外短波通滤光片的设计与镀制技术 研究 148 真空与低温 Vacuum&Cryogenics 第16卷第3期 2010年9月 中波红外短波通滤光片的设计与镀制技术研究 张佰森,陈焘,熊玉卿,王多,王超 (兰州物理研究所,表面工程技术重点实验室,甘肃兰州730000) 摘要:研究了中波红外宽光谱短波通滤光片优化设计和镀制,论述了设计该种滤光片的原则和方法.根 据等效折射率理论,以周期性对称膜系为基础,使用部分膜层优化方法,设计了中波红外宽光谱短波通滤光 片,在2300-4700nnl透射波段范围上的平均透射率设计值大于90%,在5000--6300nln截止波段范围上的平均 透射率小于1.00%.采用"会聚光红外光学系统"和等离子体辅助沉积工艺实验制备了滤光片.实验表明,在透射波 段范围上的平均透射率约为83%,截止波段的平均透射率约为0.45%.结果表明,部分膜层优化方法设计的膜系, 膜层结构简单,有利于膜层厚度的监控. 关键词:中波红外;短波通滤光片;薄膜设计;镀制 中图分类号:0484.4文献标识码:A文章编号:1006-7086(2010)03-0148-05 DOI:IO.39696.issn.1006-7086.2010.03.005 DEsIGNANDPREPARATIoNoFMDIU]M—WAVEDRARED SHORT一?rAVELENGTHPASSF?TER ZItANGBai-sen,CHENTao,XIONGYu-qing,WANGDuo-shu,WANGChao (ScienceandTechnologyonSurfaceEngineeringLaboratory, LanzhouInstituteofPhysics,Lanzhou730000,China) Abstract:Inthispaper,optimizationdesignandpreparationofthemedium-waveinfraredbroad-bandshort-wavelength passfdterwasinvestigated.anddesignprinciplesandmethodswl聃 discussed.Theequivalent-indexmethodwasusedto designthefalterandthicknessesofsomechosen61Jn8wereoptimized.Theshort-wavelengthpassfilterinmedium-wave infraredbandwasdesigned.whichshowsanaveragetransmittanceratioismorethan90%atwavelengthregion2300~ 4700nmandanaveragetransmittanceratioislessthan1.00%at5000~630Ohm.Thefilterwaspreparedsuccessfullyby usingaconvergentinfraredopticalsystemandaplasmaassistantdepositiontechnology.Theresultshowsthatmakeuseof themethodofoptimizingsomechosenfilms,thefilmsystemissimplifiedanditisconvenienttomonitorthefdmthickness. Keywords:medium-waveinfrared;short-wavelengthpassfilter;,filmdesign;preparation 1引言 2,5m中波红外谱段是重要的大气窗口之一,工作在这一谱段的中波红外滤光片 在自然灾害,资源普 查等遥感系统红外相机和多光谱成像仪中广泛应用,主要用于对气象,地质成像和 光谱分析观测.遥感系 统为了得到高质量的图像,对中波红外滤光片提出了很高的要求,如要求透射区的 平均透射率高,抑制带截 止深度深,过渡特性好,能够适应复杂环境条件,具有高稳定性和高可靠性.所有这 一切,给中波红外滤光片 的膜系设计和制备带来较大困难.由于中波红外滤光片应用的重要性和特殊要求, 且其膜系结构和镀制工艺 复杂,近年来一直是红外光学薄膜研究的重点.作者以透射区较宽的中波红外短波 通滤光片为研究对象,研 收稿日期:2010-07—21. 基金项目:表面工程技术重点实验室基金(9140C54O109l0oc54)资助. 作者简介:张佰森(1982一),男,山东省滕州市人,助理工程师,从事空间光学薄膜技术研究. 张佰森等:中波红外短波通滤光片的设计与镀制技术研究149 究其设计和镀制技术.该滤光片设计指标为:在2300—4700nlll波段范围内平均透射率大于90%;在5 000,6300nnl波段范围内平均透射率小于1%. 2滤光片膜系设计 短波通滤光片的设计主要有2种方法:一种是解析法,另一种是全自动优化法.采用解析法,得到的是规 整膜层,在工艺上易实现,但光谱性能通常较差,且不能调整光谱特性.全自动优化法可设计出光谱性能优异 的膜层结构,但由于得到的各膜层光学厚度不同,有时折射率也是变化的,工艺上难以实现.作者在设计过程 中,根据等效折射率理论,以周期性对称膜系为基础,通过对膜系结构的分析,运用部分膜层优化法,即在周 期性对称膜系的基础上,改变少数几层膜的光学厚度,对膜系进行优化设计,使滤光片的光谱特性大为改善. 部分膜层优化法既克服了解析法的缺点,又弥补了全自动优化法的不足,在工艺上容易实现. 2.1基本膜系结构选择. 短波通滤光片基本膜系结构一般采用对称周期性膜系 其等效折射率E为 (L z L)或, H 2一 H 2一) (2) 截止深度行为 Tr=_—_?———(3)(时【()咄】J 截止带中心波长A.为 Ao=l一2 订 sifnrrJ-nL]n~-nL 1Ac(4) 订 式中H和L分别为A光学厚度的高,低折射率膜层;A为截止波长;和n分别为L和H膜料折射率;no 和n.分别为人射介质和基底折射率;6吼为H或L膜层位相厚度;m为对称膜系周期数. 经过计算分析,采用(O.5LH0.5L)m作为滤光片的主膜系. 2.2镀膜的选择 合理选择镀膜材料,优化膜系结构,是制备性能优良短波通滤光片的前提保证.镀膜材料的选取原则是M: (1)透射波段内的吸收少; (2)机械性能优良,化学性能稳定; (3)薄膜与基底,薄膜与薄膜之间要有良好的附着性; (4)薄膜的应力应尽可能小,而且对多层膜,高低折射率材料的应力性质最好相反,以降低多层膜的积累 应力网; (5)膜料之间的相容性好; (6)工艺上易实现. 对于中波红外滤光片,基底和镀膜材料选择都很有限.低折射率材料一般选择 zIlS,ZnSe,高折射率材料 一 般选择Ge,PbTe,Pb_,Ge,Te等.相对而言,ZnS的镀制工艺成熟,机械性能好,符合上述5条原则.PbTe折 射率高(n=5.5),有利于膜层的减少,且易蒸镀,但在小于3.4m波段具有较大吸收,这限制了它在该波段的 应用.Ge具有化学性能稳定,机械强度高的优点,折射率也较高(.0).在详细分析,对比了该波段镀膜材 料的物理,化学,光学和机械性能基础上,高折射率材料选用Ge,低折射率材料选用ZnS.这2种材料折射率 比值较大,在2~5m的范围内的吸收系数小,材料的透射率高,可以有效地减少镀膜层数,有利于滤光片的 150真空与低温第16卷第3期 稳定性.基底材料选用中波红外波段常用的蓝宝石. 2.3膜系设计 准确获得膜料的光学常数是设计膜系的基础.制备工艺参数对膜料的光学常数影响较大,膜系设计软件 膜料库里自带的膜料光学常数数据与实际也有较大差别.为了获得准确的光学常数,首先制备了Ge,ZnS的 单层膜,用傅里叶红外光谱仪获得其透射率光谱,用包络法计算其折射率和消光系数.设计膜系时,采用计算 得到的光学常数进行设计.实际镀制时,也保持制备条件与单层膜制备条件一致,这样有利于保证理论设计 与实际镀制膜系光谱性能的一致性. 对于所开发研制的宽光谱短波通滤光片,根据式(3),膜层周期数m=6即可满足截止区截止度要求;根 据截止波长要求A,结合(4)式计算可得主膜系中心波长A..其主膜系结构为 /TT, = fH.g--lIA1203IAir,二, 式中为短波通主膜系中心波长. 所研制的短波通滤光片对通带内的波纹系数有较高要求.实现透射区低波纹系数的基本方法是使主膜 系与基底,主膜系与入射介质间有良好的等效折射率匹配. 主膜系(0.5LH0.5L)的等效折射率为1.4,与基底,入射介质基本匹配,但光谱性能与要求仍有较大 差距.为了提高透射率光谱质量,针对影响透射率光谱较大的个别膜层进行优化,经过局部优化后的膜系理 论透射率如图1所示.从图1可以看出,经过优化后的膜系,透射区内的透射率,波纹性能均较好,所有指标 完全满足设计要求. 静 菸 ~l--II----'t....一 … 卜:2300280033003800430048oo530058oo6300 波长/rim 图1优化后的滤光片理论计算透射光谱 3滤光片的镀制与性能测试 3.1会聚光红外光学系统 在镀制光学薄膜时,对每一层膜光学厚度的准确测量和控制是一个十分重要的问题,国内外普遍采用的 是光学监控法.因此,一个理想的光学监控系统对于研制高性能的红外薄膜器件是十分必要的. 对于红外光学薄膜监控,探测器接收到的光能越多,薄膜镀制过程中膜厚变化所对应的能量变化就越 大.由于探测器所获得的能量与其光学系统的有效孔径成正比,为了克服极值法监控难以判断和控制在极值 点附近的膜厚变化的缺点,要想提高膜层监控精度,就必须把更多的光能量会聚在监控片上.基于上述思想, 作者设计研制了一种会聚光红外光学系统,并成功应用于滤光片的镀制. 由于该会聚光红外光学系统的红外监控信号强,膜层在极值点附近的信号变化明显,膜层监控重复性和 稳定性好,为该短波通滤光片的成功研制提供了很好的技术工艺保障. 姗??????m0 张佰森等:中波红外短波通滤光片的设计与镀制技术研究15l 3.2等离子体辅助沉积工艺【J 为了提高滤光片的附着力和光谱特性的环境稳定性,一般要采取离子束辅助沉积(IBAD)或等离子体辅 助沉积工艺(PAD).采用IBAD或PAD的优点是所制备的薄膜附着牢固,结构致密,环境稳定性好. LPS等离子源离子能量较低(50,70eV),束流密度较高(50o,800mA).相对轻型等离子体源(u)和增 强型等离子体源(APS)而言,考夫曼型离子源或宽束冷阴极离子源的离子能量高(150-1500eV)而束流密度 较低(10,100nab_),对中波红外滤光片所用Ge等膜料具有刻蚀效应,所镀制膜层的显微结构改善不均匀,膜 层仍存在一定的残余应力.因此,目前的发展趋势是采用LPS或APS等离子体辅助沉积工艺.在镀制中波红 外短波通滤光片时,作者采用了LPS等离子体辅助沉积工艺,所镀制的滤光片附着力强,环境稳定性好,完全 满足相关的环境实验要求. 3-3中波红外宽光谱短波通半波孔的消"习 在宽光谱短波通滤光片的实际制备过程中,往往在通带区域内反射带中心波长1,2处出现一个反射峰, 通常称之为半波孔,也有称它为干涉滤光片的半波跌落,如图2所示.它的出现极大地影响了短波通滤光片 的光谱性能,甚至导致滤光片无法使用. H l ,\l{{ 一}1f \踺缸 I I 230028003300380043004800530058006300 波长/rim 图2有半波孔的短波通滤光片透射光谱 导致半波孔形成的因素很多,主要有膜料的色散,膜层折射率的非均匀性以及膜层厚度控制误差积累 等.研究表明,膜层厚度周期性误差积累是导致半波孔的主要因素.因此,针对这些因素采取相应措施,可以 消除半波孔. 通过镀制单层膜,对相应膜料光学监控厚度因子进行标定.通过对监控参数的修正,消除了光电极值监 控技术带来的膜厚周期性误差,从而消除了半波孔.与其他如通过坩埚修正挡板的设计消除半波孔相比,运 用单层膜定标监控因子方法简单易行,消除半波孔效果明显,更具有可操作性. 3.4滤光片实测光谱分析 研制的中波红外短波通滤光片实测透射率光谱如图3所示. I八,},/^ 1} t f l l l. ; Z30O28O03300380043004801】53O0580063OO 波长/rim 图3研制的滤光片实测透射光谱 从图3中可以看出,其半功率点位置,通带透射率,截止带深度等技术指标均满足设计要求. 3.5环境稳定性实验 为了检测研制的短波通滤光片能否适应各种恶劣的使用环境,对研制的滤光片进行了多种环境稳定性 152真空与低温第16卷第3期 实验,包括:水溶性实验,盐溶性实验,附着力实验等.系列环境实验表明:作者研制的中波红外宽光谱短波通 滤光片,附着牢固,环境稳定性好. 4结论 (1)部分膜层优化方法既能克服全自动优化方法给工艺上带来的困难,又弥补了解析法设计膜系时不能 调整光谱特性的不足. (2)采用会聚光红外光学系统可以实现中波红外滤光片膜厚的精确控制. (3)设计和镀制滤光片时,应重视从单层膜获取膜料光学常数,厚度监控因子等信息. (4)运用单层膜标定厚度监控因子的方法可以有效消除半波孔,方法简单,更具有可操作性. (5)采用低能量,高密度等离子体辅助沉积工艺,更有利于g.~l-滤光片膜层质量的改善. 参考文献: 【1】1张佰森,马勉军,熊玉卿.空间用宽截止长波grJ'l,带通滤光片的设计与镀制叨.红外,2009,3O(2):15,19. 【2]2王中挺,厉青,陶金花,等.环境一号卫星CCD相机应用于陆地气溶胶的监测【J】.中国环境科学,2009,29(9):902—907. [3】戎志国,张玉香,刘诚,等.中波红外火情遥感的大气辐射传输特性田.红外与激光工程,2009,38(4):589—593. 【4]张佳华,李欣,姚风梅,等.基于热红外光谱和微波反演地表温度的研究进展【J】.光谱学与光谱分析,2009,29(8):2103—2107. 嘲陈伟涛,张志,王焰新.矿山开发及矿山环境遥感探测研究进展叨.国土资源遥感,2009,(2):1-8. 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