一種以鍺為基底的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種以鍺為基底的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜，該增透膜鍍制在以Ge為基體材料的光學透鏡上，光線垂直入射。膜系設計采用前截止濾光片為基本結構，采用非對稱等效層獲得與基底折射率的匹配。以ZnS和YF3作為主膜系的高低折射率材料，ZnS和Ge作為等效層材料。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。該增透膜能將可見光及近紅外波段的太陽輻照盡可能反射掉，而將長波紅外輻射盡可能透射。本專利具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜性能穩(wěn)定，適合于中高軌道應用的小型長壽命光學敏感器的太陽防護窗使用，也可用作多光譜紅外相機的分色片。
【專利說明】 一種以鍺為基底的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜

【技術領域】
[0001]本專利涉及光學薄膜技術，具體指一種以Ge晶體為基底的對0.4-1.4μ m的太陽輻射進行反射；對14-16 μ m范圍內的紅外輻射進行透射的長波紅外增透膜。

【背景技術】
[0002]對于工作于中高軌道應用的小型長壽命光學姿態(tài)敏感器，由于受太陽直射的時間較長，太陽輻射將導致器件溫度升高而嚴重影響光學敏感器的工作狀態(tài)，甚至可能因此而致盲。因此該類光學敏感器的光學系統(tǒng)采用了具有太陽防護功能的紅外光學系統(tǒng)，其中最關鍵的光學薄膜元件就是本專利所論述的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜。其太陽防護功能主要是通過鍍制不同功能的光學薄膜將可見光及近紅外波段的太陽輻照盡可能反射掉，而將長波紅外波段盡可能透射來實現(xiàn)的。因此，該長波增透膜的性能與系統(tǒng)性能指標有著密切關系，它的研制成功對于小型長壽命光學姿態(tài)敏感器的長壽命空間應用有重要意義。


【發(fā)明內容】

[0003]本專利的目的是提供一種以Ge晶體為基底的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜，對0.4-1.4 μ m的太陽輻射進行反射；對14-16 μ m范圍內的紅外輻射進行透射，以消除在中高軌工作的小型長壽命光學姿態(tài)敏感器所受的太陽直射影響，從而實現(xiàn)載荷在中高軌的正常運行。
[0004]本專利的技術方案是:采用前截止濾光片為基本結構，采用非對稱等效層獲得與基底折射率的匹配。
[0005]由于反射波段要求反射率盡可能高，以便將太陽輻照影響降到最低。而長波紅外是工作波段，要求透射率盡可能高，同時膜層除了要進行常規(guī)的環(huán)境模擬試驗檢驗外，還要求能夠經受空間輻照考驗。技術實現(xiàn)上需要考慮:
[0006]I)反射波段屬于超寬帶寬，在既保證反射率又保證透射率的情況下，膜系設計難度增大，同時膜層厚度增厚將帶來一系列的可靠性問題；
[0007]2)膜層材料要求在可見近紅外和長波紅外都要具有很好的透光性，以保證薄膜產品具有良好的光學性能；同時膜層材料還得具有很好的環(huán)境友好性，以保證薄膜產品具有良好的空間可靠性。滿足這樣要求的膜層材料非常有限；
[0008]3)膜層材料的應力對于可靠性的影響非常大，需要進行工藝改進。
[0009]綜合以上三點，本專利在膜系設計上采用全介質膜層，結構采用前截止加匹配層的方案。選用ZnS和YF3作為反射堆的高低折射率材料。采用非對稱等效層實現(xiàn)與基底的折射率匹配，最后通過軟件優(yōu)化獲得可用的膜系，同時通過局部優(yōu)化控制極個別關鍵層的厚度，實現(xiàn)反可見近紅外透長波紅外的功能。另外對膜層材料進行工藝改進，減小應力影響，以提高空間可靠性。
[0010]根據(jù)以上分析，該長波紅外增透膜的實現(xiàn)包括以下步驟:
[0011]1.膜系的結構
[0012]具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜層的膜系為:
[0013]ns/3.027N3.122H3.302N (0.65N1.3L0.65N)5 (0.55N1.1L0.55N)5 (0.45N0.9L0.45N)6(0.35N0.7L0.35Ν)64.035Ν3.144L9.275N/nQ式中各符號的含義分別為:ns為基底;n0為空氣；L表不光學厚度為λ /4的YF3膜層；Η表不光學厚度為λ ^4的Ge膜層；Ν表不光學厚度為AciA的ZnS膜層；λ ^為中心波長；N、H、L前的數(shù)字為λ 光學厚度比例系數(shù)乘數(shù)，指數(shù)為所對應的括號中膜堆的周期數(shù)。
[0014]2.膜層制備方法
[0015]膜層制備是在具有擴散泵系統(tǒng)的箱式真空鍍膜設備上進行的，Ge、YF3采用電子束蒸發(fā)沉積，ZnS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14A。通過膜層材料試驗結果分析表明:基底溫度控制在190°C時，膜層具有很好的光學性能和牢固度；在該溫度下，電子束蒸發(fā)沉積所得的Ge和YF3膜層具有更加致密的結構，同時長波端吸收也比阻蒸沉積所得膜層的吸收小。離子束輔助沉積對于減小膜層間應力，提高膜層可靠性具有重要作用。
[0016]本專利的有益效果如下:
[0017]1.本專利提供了一種以Ge晶體為基底的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜，能夠實現(xiàn)對0.4-1.4 μ m的太陽輻射進行高效反射；同時對14-16 μ m范圍內的長波紅外輻射進行高效透射。
[0018]2.本專利采用了特定工藝，減小了材料在長波端的吸收，提高了光學效率和空間可靠性。
[0019]3.本專利的技術方案合理可行，產品性能穩(wěn)定，可廣泛應用于小型長壽命光學姿態(tài)敏感器以及多光譜紅外相機。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是復合增透膜膜層結構示意圖，圖中:
[0021]I一具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜層；
[0022]2 —Ge 基底；
[0023]3—背面長波減反射膜。
[0024]圖2a是具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜可見近紅外波段實測反射率曲線山是長波紅外波段實測透射率曲線。

【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本專利的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0026]本專利實施例的具體技術指標要求為:
[0027]0.4 ?1.4 μ m，R (平均)>90% ;
[0028]14 ?16 μ m，T (平均)>85%
[0029]根據(jù)技術要求，以紅外光學晶體Ge作為基底，要實現(xiàn)0.4?1.4 μ m高反，14?16 μ m高透，首先要考慮材料選用要滿足在工作波段是透明的，其次膜系設計和工藝設計上要考慮盡可能減少膜層應力的集中以及長波端材料的吸收影響，因此合適的膜層鍍制工藝非常重要。膜系(I)設計采用全介質膜層，結構采用前截止加匹配層的方案。選用ZnS和YF3作為反射堆的高低折射率材料。采用非對稱等效層實現(xiàn)與基底的折射率匹配，最后通過軟件優(yōu)化獲得可用的膜系，同時通過局部優(yōu)化控制極個別關鍵層的厚度，實現(xiàn)反可見近紅外透長波紅外的功能。最終的膜系為:
[0030]ns/3.027N3.122H3.302N (0.65N1.3L0.65N)5 (0.55N1.1L0.55N)5 (0.45N0.9L0.45N)6(0.35N0.7L0.35Ν)64.035Ν3.144L9.275Ν/η0Η、N、L 分別為 Ge、ZnS 和 YF3。
[0031]在本實施例中，基底溫度控制在190°C，Ge、YF3采用電子束蒸發(fā)沉積，ZnS采用電阻加熱蒸發(fā)沉積，全過程采用離子束輔助沉積。
[0032]從圖2可以看出，本專利所研制的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜與背面減反射膜層(3)共同作用實現(xiàn)了在0.4?1.4μπι光譜范圍內平均反射率大于90%;在14?16 μ m光譜范圍內，平均透射率大于85 %。因此本專利所研制的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜能夠達到小型長壽命光學姿態(tài)敏感器的使用要求。
【權利要求】
1.一種以鍺為基底的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜，它在Ge基底(2)的一面上制備具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜層(I)，在另一面制備背面長波減反射膜(3)，其特征在于: 所述的具有太陽光反射功能的長波紅外增透膜層(I)的膜系結構為:ns/3.027N3.122H3.302N(0.65N1.3L0.65N)5(0.55N1.1L0.55N)S(0.45N0.9L0.45N)6(.0.35N0.7L0.35Ν)64.035N3.144L9.275N/nQ式中:ns為基底；nQ為空氣；L表示光學厚度為λ 0/4的YF3膜層；Η表示光學厚度為λ 0/4的Ge膜層；Ν表示光學厚度為λ 0/4的ZnS膜層；λ ^為中心波長；N、H、L前的數(shù)字為XciA光學厚度比例系數(shù)乘數(shù)，指數(shù)為所對應的括號中膜堆的周期數(shù)。
【文檔編號】G02B1/11GK203965649SQ201420310975
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權日:2014年6月12日
【發(fā)明者】于天燕, 劉定權, 崔維鑫, 秦楊, 成效春, 孫浩, 韓開亮 申請人:中國科學院上海技術物理研究所