一種ZnSe基片的紅外寬光譜分光膜的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種ZnSe基片的紅外寬光譜分光膜，該分光膜的工作角度為0—30°，鍍制在ZnSe基底上，以Ge和ZnSe為高低折射率材料，采用高低折射率交替的膜系設(shè)計(jì)方法獲得折射率的匹配。大角度入射紅外寬光譜分光膜在制備過程中采用了離子源輔助、合適的基底溫度等特定工藝。該分光膜在入射角為0—30°時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)均衡分光。本實(shí)用新型分光膜性能穩(wěn)定，適合于干涉式大氣探測技術(shù)中干涉系統(tǒng)的寬光譜分光使用。
【專利說明】一種ZnSe基片的紅外寬光譜分光膜
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及光學(xué)薄膜技術(shù)，具體指一種以ZnSe晶體為基底的對(duì)4一 14.5 μ m紅外寬光譜范圍內(nèi)的光學(xué)能量進(jìn)行均衡分光的紅外分光膜。
技術(shù)背景
[0002]大氣垂直探測儀是氣象衛(wèi)星上搭載的主要紅外遙感儀器之一，它采用基于傅里葉變換的干涉式光譜技術(shù)對(duì)大氣輻射的光譜進(jìn)行分光，而分束技術(shù)就是干涉式分光系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于大氣垂直探測儀要對(duì)4-14.5 μ m范圍內(nèi)的大氣光譜進(jìn)行探測，因此要求分光膜的基底材料首先要保證在該范圍內(nèi)是透明的，而且考慮到對(duì)分光效率的影響，基底材料在該波段的吸收也必須盡可能小。目前紅外分束技術(shù)的研究在國內(nèi)尚屬空白，而國外在上世紀(jì)70年代就有了類似產(chǎn)品的研制與應(yīng)用。由于國外的技術(shù)限制，對(duì)于這些項(xiàng)目中分束技術(shù)的具體研制情況，從文獻(xiàn)調(diào)研情況來看，甚少提及。唯一的一份資料顯示:法國的
1.A.S.1其光譜覆蓋范圍是3.5-15.5um，選用幾乎沒有吸收的KBr作為基底材料，由于其折射率較低(n=l.5)，因而反射損耗較小，背面無需鍍制消色差寬光譜增透膜。但是，KBr晶體具有很強(qiáng)的吸濕性，導(dǎo)致其空間可靠性很差，需要進(jìn)行鍍制特殊保護(hù)膜。國內(nèi)目前還不具備大口徑KBr晶體的冷加工和進(jìn)行特殊保護(hù)的能力，因此我們選用了光學(xué)性能較好的ZnSe晶體作為基底材料。雖然ZnSe晶體在長波區(qū)域存在一定的吸收，但是其優(yōu)良的光學(xué)均勻性、良好的機(jī)械硬度和穩(wěn)定性，決定了其具有良好的空間可靠性。它的研制成功對(duì)于我國的大氣垂直探測技術(shù)具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本專利的目的是提供一種以ZnSe為基底的紅外寬光譜分光膜，對(duì)4_14.5 μ m光譜范圍內(nèi)的光譜輻射進(jìn)行均衡分光，以滿足航天遙感大氣垂直探測儀干涉系統(tǒng)的分光需求。
[0004]本專利的技術(shù)方案是:采用考慮介質(zhì)吸收的交替折射率膜系設(shè)計(jì)思想進(jìn)行分光膜的設(shè)計(jì)。
[0005]為了能夠?qū)崿F(xiàn)均衡分光，在滿足T+R+A = I的條件下，唯一能做的就是盡可能減少吸收。在寬光譜分光膜系設(shè)計(jì)時(shí)，將基底、膜層材料ZnSe和Ge的n、k值全部考慮進(jìn)來。為了實(shí)現(xiàn)大角度入射寬光譜均衡分光膜，設(shè)計(jì)時(shí)采用交替折射率膜系設(shè)計(jì)方法作為解決方案，其主要思想是用高低折射率交替的、帶有極薄層的多層膜結(jié)構(gòu)來展寬帶寬，同時(shí)獲得折射率的匹配。最后通過軟件優(yōu)化獲得可用的分光膜系，同時(shí)通過局部優(yōu)化控制極個(gè)別關(guān)鍵層的厚度，實(shí)現(xiàn)高效均衡分光。
[0006]根據(jù)以上分析，該分光膜的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟:
[0007]1.膜系的結(jié)構(gòu)
[0008]大角度入射紅外寬光譜分光膜I膜系為:
[0009]ns/0.836L0.6H1.5L0.84H1.2L0.675H1.09L0.444H1.964L0.198H1.482L0.763H0.586L0.892H0.989L/n0[0010]式中各符號(hào)的含義分別為:ns為基底；]!(!為空氣；L表不光學(xué)厚度為λ^/4的硒化鋅(ZnSe)膜層；H表示光學(xué)厚度為λ/4的鍺(Ge)膜層。λ ^為中心波長；H、L前的數(shù)字為λ ο/4光學(xué)厚度比例系數(shù)乘數(shù)。
[0011]2.膜層制備方法
[0012]膜層制備是在具有擴(kuò)散泵系統(tǒng)的箱式真空鍍膜設(shè)備上進(jìn)行的，Ge采用電子束蒸發(fā)沉積，ZnSe采用電阻加熱蒸發(fā)沉積，全過程采用離子束輔助沉積，離子源為霍爾源，具體參數(shù)為:陽極電壓200V，陰極電流14Α。通過膜層材料試驗(yàn)結(jié)果分析表明:基底溫度控制在時(shí)，膜層具有很好的牢固度；在該溫度下，電子束蒸發(fā)沉積所得的Ge膜層具有更加致密的結(jié)構(gòu)，同時(shí)長波端吸收也比阻蒸沉積所得膜層的吸收小。離子束輔助沉積對(duì)于減小膜層間應(yīng)力，提高膜層可靠性具有重要作用。
[0013]本專利的有益效果如下:
[0014]1.本專利提供了一種以ZnSe為基底的4一 14.5μπι紅外寬光譜分光膜，O — 30°角入射條件下，在4一 14.5 μ m光譜范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)均衡分光，分光效率E>92%。
[0015]2.本專利采用了特定工藝，減小了材料在長波端的吸收，提高了分光效率和空間
可靠性。
[0016]3.本專利的技術(shù)方案合理可行，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于傅里葉變換光譜儀中的分光系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是分光膜層結(jié)構(gòu)示意圖，圖中: [0018]I一寬光譜紅外分光膜層；
[0019]2—ZnSe 某底。
[0020]圖2(a)是三種基底溫度下的分光膜實(shí)測透射率曲線(30°入射);圖2 (b)是三種基底溫度下的分光膜實(shí)測反射率曲線(30 °入射)。
[0021]圖3是分光膜的分光效率和T/R曲線(30°入射)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本專利的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0023]本專利實(shí)施例的具體技術(shù)指標(biāo)要求為:
[0024]
蓋范圍I分束面透/反射能量比I分光效率 —
4 ~14.5 |t/R=0.8— 1.2|e=4RT=0.9 ~I
[0025]基底材料為ZnSe，最大入射角為30°。
[0026]根據(jù)技術(shù)要求，以紅外光學(xué)晶體ZnSe作為基底，要實(shí)現(xiàn)4 一 14.5μπι紅外波段高效均衡分光，膜系和工藝設(shè)計(jì)上首先要考慮盡可能減小T+R+A= I中的A即吸收，因此合適的膜層鍍制工藝非常重要。在膜系設(shè)計(jì)中采用 了高低折射率交替的、帶有極薄層的多層膜結(jié)構(gòu)代替漸變折射率模型，從而獲得折射率的匹配，展寬了帶寬。最后通過膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行膜系優(yōu)化，得到最終的分光膜系為:
[0027]ns/0.836L0.6H1.5L0.84H1.2L0.675H1.09L0.444H1.964L0.198H1.482L0.763H0.586L0.892H0.989L/n0[0028]H、L 分別為 Ge 和 ZnSe。
[0029]在本實(shí)施例中，分別在180°C、190°C和200°C的基底溫度下，制備了紅外寬光譜分光膜。Ge采用電子束蒸發(fā)沉積，ZnSe采用電阻加熱蒸發(fā)沉積，全過程采用離子束輔助沉積。
[0030]從圖2 (a)，圖2 (b)、3可以看出，三種溫度下制備的分光膜光學(xué)性能相近。本專利所研制的分光膜在30°入射角時(shí)，在4一 14.5 μ m工作光譜范圍內(nèi)T/R=0.8—1.2，分光效率E>92%，能夠?qū)崿F(xiàn)均衡分光。因此本專利所研制的分光膜能夠達(dá)到大氣垂直探測儀干涉系統(tǒng)的使用要求。
【權(quán)利要求】
1.一種ZnSe基片的紅外寬光譜分光膜，它在ZnSe基底(2)上制備寬光譜紅外分光膜(1)，從而實(shí)現(xiàn)入射角為O—30°時(shí)在4一 14.5 μ m寬光譜范圍內(nèi)均衡的能量分光，其特征在于: 所述的寬光譜紅外分光膜(I)的膜系結(jié)構(gòu)為:
基底 /0.836L0.6H1.5L0.84H1.2L0.675H1.09L0.444H1.964L0.198H1.482L0.763H0.586L0.892H0.989L/ 空氣 式中:L表示光學(xué)厚度為λ/4的硒化鋅膜層出表示光學(xué)厚度為λ/4的鍺膜層；入^為中心波長；H、L前的數(shù) 字為λ 0/4光學(xué)厚度的比例系數(shù)乘數(shù)。
【文檔編號(hào)】B32B9/04GK203385879SQ201320360191
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月21日
【發(fā)明者】于天燕, 秦楊, 劉定權(quán) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所