以锗为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种以锗为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜，该增透膜镀制在以Ge为基体材料的光学透镜上，光线垂直入射。膜系设计采用前截止滤光片为基本结构，采用非对称等效层获得与基底折射率的匹配。以ZnS和YF3作为主膜系的高低折射率材料，ZnS和Ge作为等效层材料。在制备过程中采用了离子源辅助、合适的基底温度等特定工艺。该增透膜能将可见光及近红外波段的太阳辐照尽可能反射掉，而将长波红外辐射尽可能透射。本发明具有太阳光反射功能的长波红外增透膜性能稳定，适合于中高轨道应用的小型长寿命光学敏感器的太阳防护窗使用，也可用作多光谱红外相机的分色片。
【专利说明】以锗为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学薄膜技术，具体指一种以Ge晶体为基底的对0.4-1.4μ m的太阳辐射进行反射；对14-16 μ m范围内的红外辐射进行透射的长波红外增透膜。
技术背景
[0002]对于工作于中高轨道应用的小型长寿命光学姿态敏感器，由于受太阳直射的时间较长，太阳辐射将导致器件温度升高而严重影响光学敏感器的工作状态，甚至可能因此而致盲。因此该类光学敏感器的光学系统采用了具有太阳防护功能的红外光学系统，其中最关键的光学薄膜元件就是本发明所论述的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜。其太阳防护功能主要是通过镀制不同功能的光学薄膜将可见光及近红外波段的太阳辐照尽可能反射掉，而将长波红外波段尽可能透射来实现的。因此，该长波增透膜的性能与系统性能指标有着密切关系，它的研制成功对于小型长寿命光学姿态敏感器的长寿命空间应用有重要意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种以Ge晶体为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜，对0.4-1.4 μ m的太阳辐射进行反射；对14-16 μ m范围内的红外辐射进行透射，以消除在中高轨工作的小型长寿命光学姿态敏感器所受的太阳直射影响，从而实现载荷在中高轨的正常运行。
[0004]本发明的技术方案是:采用前截止滤光片为基本结构，采用非对称等效层获得与基底折射率的匹配。
[0005]由于反射波段要求反射率尽可能高，以便将太阳辐照影响降到最低。而长波红外是工作波段，要求透射率尽可能高，同时膜层除了要进行常规的环境模拟试验检验外，还要求能够经受空间辐照考验。技术实现上需要考虑:
[0006]I)反射波段属于超宽带宽，在既保证反射率又保证透射率的情况下，膜系设计难度增大，同时膜层厚度增厚将带来一系列的可靠性问题；
[0007]2)膜层材料要求在可见近红外和长波红外都要具有很好的透光性，以保证薄膜产品具有良好的光学性能；同时膜层材料还得具有很好的环境友好性，以保证薄膜产品具有良好的空间可靠性。满足这样要求的膜层材料非常有限；
[0008]3)膜层材料的应力对于可靠性的影响非常大，需要进行工艺改进。综合以上三点，本发明在膜系设计上采用全介质膜层，结构采用前截止加匹配层的方案。选用ZnS和YF3作为反射堆的高低折射率材料。采用非对称等效层实现与基底的折射率匹配，最后通过软件优化获得可用的膜系，同时通过局部优化控制极个别关键层的厚度，实现反可见近红外透长波红外的功能。另外对膜层材料进行工艺改进，减小应力影响，以提高空间可靠性。
[0009]根据以上分析，该长波红外增透膜的实现包括以下步骤:
[0010]1.膜系的结构[0011]具有太阳光反射功能的长波红外增透膜层的膜系为:
[0012]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/η0
[0013]式中各符号的含义分别为:ns为基底；Iitl为空气；L表不光学厚度为λ (/4的YF3膜层出表不光学厚度为入。/4的Ge膜层#表不光学厚度为λ。/4的ZnS膜层；λ。为中心波长；N、H、L前的数字为λ/4光学厚度比例系数乘数，指数为所对应的括号中膜堆的周期数。
[0014]2.膜层制备方法
[0015]膜层制备是在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备上进行的，Ge、YF3采用电子束蒸发沉积，ZnS采用电阻加热蒸发沉积，全过程采用离子束辅助沉积，离子源为霍尔源，具体参数为:阳极电压200V，阴极电流14Α。通过膜层材料试验结果分析表明:基底温度控制在190°C时，膜层具有很好的光学性能和牢固度；在该温度下，电子束蒸发沉积所得的Ge和YF3膜层具有更加致密的结构，同时长波端吸收也比阻蒸沉积所得膜层的吸收小。离子束辅助沉积对于减小膜层间应力，提高膜层可靠性具有重要作用。
[0016]本发明的有益效果如下:
[0017]1.本发明提供了一种以Ge晶体为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜，能够实现对0.4-1.4 μ m的太阳辐射进行高效反射；同时对14-16 μ m范围内的长波红外辐射进行高效透射。
[0018]2.本发明采用了特定工艺，减小了材料在长波端的吸收，提高了光学效率和空间
可靠性。
[0019]3.本发明的技术方案合理可行，产品性能稳定，可广泛应用于小型长寿命光学姿态敏感器以及多光谱红外相机。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是复合增透膜膜层结构示意图，图中:
[0021]I一具有太阳光反射功能的长波红外增透膜层；
[0022]2 —Ge 基底；
[0023]3—背面长波减反射膜。
[0024]图2a是具有太阳光反射功能的长波红外增透膜可见近红外波段实测反射率曲线；2b是长波红外波段实测透射率曲线。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0026]本发明实施例的具体技术指标要求为:
[0027]0.4 ?1.4 μ m，R (平均)>90% ;
[0028]14 ?16 μ m，T (平均)>85%
[0029]根据技术要求，以红外光学晶体Ge作为基底，要实现0.4?1.4 μ m高反，14?16 μ m高透，首先要考虑材料选用要满足在工作波段是透明的，其次膜系设计和工艺设计上要考虑尽可能减少膜层应力的集中以及长波端材料的吸收影响，因此合适的膜层镀制工艺非常重要。膜系(I)设计采用全介质膜层，结构采用前截止加匹配层的方案。选用ZnS和YF3作为反射堆的高低折射率材料。采用非对称等效层实现与基底的折射率匹配，最后通过软件优化获得可用的膜系，同时通过局部优化控制极个别关键层的厚度，实现反可见近红外透长波红外的功能。最终的膜系为:
[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 分别为 Ge、ZnS 和 YF3。
[0031]在本实施例中，基底温度控制在190°C，Ge、YF3采用电子束蒸发沉积，ZnS采用电阻加热蒸发沉积，全过程采用离子束辅助沉积。
[0032]从图2可以看出，本发明所研制的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜与背面减反射膜层(3)共同作用实现了在0.4?1.4μπι光谱范围内平均反射率大于90%;在14?16 μ m光谱范围内，平均透射率大于85%。因此本发明所研制的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜能够达到小型长寿命光学姿态敏感器的使用要求。
【权利要求】
1.一种以锗为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜，它在Ge基底(2)的一面上制备具有太阳光反射功能的长波红外增透膜层(I)，在另一面制备背面长波减反射膜(3)，其特征在于: 所述的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜层(I)的膜系结构为:ns/3.027N3.122H3.302Ν(0.65Ν1.3L0.65Ν)5(0.55Ν1.1L0.55N)S(0.45N0.9L0.45Ν)6(0.35N0.7L0.35Ν)64.035Ν3.144L9.275Ν/η0 式中:ns为基底；％为空气山表示光学厚度为λ^/4的￥&膜层出表示光学厚度为λ 0/4的Ge膜层#表示光学厚度为λ 0/4的ZnS膜层；λ ^为中心波长；N、H、L前的数字为λ c/4光学厚度比 例系数乘数，指数为所对应的括号中膜堆的周期数。
【文档编号】G02B1/11GK104035147SQ201410259004
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】于天燕, 刘定权, 崔维鑫, 秦杨, 成效春, 孙浩, 韩开亮 申请人:中国科学院上海技术物理研究所