一种双波段冷镜的制作方法及装置与流程

本发明涉及光学薄膜技术领域，特别涉及一种双波段冷镜的制作方法及装置。

背景技术：

lyman-α线是氢元素的发射谱线，波长121.6nm，它是太阳色球层及色球层和日冕的过渡区域最强的谱线。通过研究lyman-α线的hanle效应，人们可以揭示太阳色球层磁场结构的奥秘。太阳色球层磁场结构是太阳物理学领域极富挑战性的一项科学研究。2015年，美国宇航局发射了拉曼阿尔法光谱偏振计(clasp1)探空火箭，成功探测到121.6nm谱线的散射过程和hanle效应导致的线偏振现象。他们在分析获取的数据时遇到了这样一个问题：局域辐射场影响了散射偏振，这阻碍了hanle效应的研究。他们后来发现，在对121.6nm谱线观测的同时，再增加一个280nm的观测谱线，就能够解决之一问题。280nm是mgⅱ的h和k发射谱线。因此，美国宇航局提出了clasp2项目。在这个项目中，需要用到双波段反射镜，它能够反射121.6nm和280nm的谱线，并且透射可见光。

这种双波段反射镜也被称作双波段冷镜，冷镜是指能够反射目标谱线，同时能够透过可见光的窄带多层膜。冷镜已经在clasp1、sumi和iris等型号上获得了成功的应用。在clasp1，它的目标反射谱线是121.6nm,在sumi上是155nm和280nm，在iris上是133-140nm和278-283nm。clasp2、sumi和iris等型号上使用的双波段冷镜，使用了两组多层膜，它们先后被镀在了基片的同一侧。首先沉积hfo2/sio2多层膜，它被用来反射280nm谱线,然后沉积laf3/mgf2多层膜，它被用来反射其它谱线，如121.6nm，155nm或133-140nm。

为了保证探测谱线的光谱纯度，冷镜反射带的旁带波纹需要尽可能的低。很多学者针对这一问题做了大量的研究，perilloux系统的提出了一种剪裁的膜厚调制方法来抑制旁带波纹。这种方法的思路起源于rugate滤光片的设计，在设计rugate滤光片时，调制的是折射率，而剪裁的膜厚调制方法调制的是薄膜厚度。

技术实现要素：

为了满足太阳色球层磁场结构研究的需要，本发明的目的之一在于提供一种双波段冷镜的制作方法，目的之二在于提供一种双波段冷镜制作装置，该冷镜在121.6nm和280nm处具有较高的反射率，在121.6nm处带宽4nm，可见波段反射率低，两个反射带带外波纹得到了有效的抑制。

本发明提供的一种双波段冷镜的制作方法，所述方法包括：

选取高阶121.6nm多层膜作为基础膜系；

使用宽波段减反射膜对所述121.6nm多层膜的反射带旁带振荡进行抑制得到第一过程冷镜；

使用非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法对所述第一过程冷镜进行280nm反射带旁带波纹的抑制得到第二过程冷镜；

对所述第二过程冷镜的121.6nm反射带利用高斯型目标曲线进行处理得到双波段冷镜。

可选地，所述选取高阶121.6nm多层膜作为基础膜系之前，还包括：

获取所述121.6nm多层膜对应的中心波长。

可选地，所述获取所述121.6nm多层膜对应的中心波长，包括：

使用一阶exp指数衰减法拟合光学常数，根据预设第一关系确定中心波长为279nm，所述第一关系为：

其中，σm,n是高阶截止带(波数，nm^-1)，σ0是一阶反射带，m和n是整数，δnl是低折射率材料折射率变化，δnh是高折射率材料折射率变化，nl0是参考波长处低折射率材料折射率，nh0是参考波长处高折射率材料折射率，fm是调制频率。

可选地，所述选取高阶121.6nm多层膜作为基础膜系，包括：

确定初始膜系为(hl)^11h，将所述121.6nm多层膜配置为具有基本的目标光谱特性且在在121.6nm处的反射带带宽是6nm已完成基础膜系的制备，其中、h和l分别是高、低折射率材料的光学厚度。

可选地，所述使用宽波段减反射膜对所述121.6nm多层膜的反射带旁带振荡进行抑制得到第一过程冷镜，包括：

在所述121.6nm多层膜上加镀一个宽带减反射膜2hl得到第一过程冷镜，其中、h和l分别是高、低折射率材料的光学厚度。

可选地，使用非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法对所述第一过程冷镜进行280nm反射带旁带波纹的抑制得到第二过程冷镜，包括：

利用预设第三关系对第一过程冷镜进行裁剪厚度调制多层膜每一层薄膜，所述第三关系为：

t(l)＝tavg[1+ka(l)cos(2πfml)]；

其中，h和l分别是高、低折射率材料的光学厚度，t(l)是第l层膜的光学厚度，tavg是四分之一波长膜厚，fm是调制频率，这里取fm＝0.5，k是调制振幅，a(l)是裁剪振幅函数。

当所述裁剪振幅函数为高斯函数时，所述高斯函数为：

a(l)＝exp(-(l-ltotal)²/(2c²))；

其中，c为常数，

可选地，所述对所述第二过程冷镜的121.6nm反射带利用高斯型目标曲线进行处理得到双波段冷镜，包括：

利用高斯型目标曲线对所述第二过程冷镜的121.6nm反射带进行处理得到在121.6nm的反射率是37.4％，带宽4nm，在280nm的反射率是81.4％的双波段冷镜。

可选地，所述121.6nm多层膜采用的镀膜材料是氟化镧和氟化镁，基底是熔石英，氟化镧和氟化镁交替叠加在所述基底上，靠近所述基底侧膜层为氟化镁，最外层为氟化镧。

可选地，所述裁剪振幅函数包括正旋函数、线性函数、五次函数或高斯函数中至少一种。

本发明还提供一种双波段冷镜的制作装置，所述装置包括：

选取单元，用于选取高阶121.6nm多层膜作为基础膜系；

第一抑制单元，用于使用宽波段减反射膜对所述121.6nm多层膜的反射带旁带振荡进行抑制得到第一过程冷镜；

第二抑制单元，用于使用非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法对所述第一过程冷镜进行280nm反射带旁带波纹的抑制得到第二过程冷镜；

处理单元，用于对所述第二过程冷镜的121.6nm反射带利用高斯型目标曲线进行处理得到双波段冷镜。

本发明还提供了一种双波段冷镜，应用上述方法制得，该双波段冷镜只由一种多层膜组成，laf3/mgf2，基底是熔石英，laf3和mgf2交替叠加在基底上，靠近基底侧膜层为laf3，最外层是mgf2。入射角45°。该冷镜有两个反射带，分别位于121.6nm和280nm处，121.6nm处的反射带带宽4nm，两个反射带的旁带振荡较低，而且在可见光波段，反射率较低，两个反射带旁带波纹得到了有效的抑制，有力的保证了探测光谱的谱线纯度。；多层膜的膜系层数少于30层，选用的材料为常用的材料，且层数少，易于制备。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供了一种双波段冷镜的制作方法及装置，所述方法克服了远紫外波段材料色散现象严重和材料吸收不可忽略等设计难点，采用的非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法有创新性，在计算机光学薄膜软件优化过程中，用高斯型曲线来表示121.6nm反射带的目标曲线，有助于具有带宽4nm的反射带的获得，该方法简单，容易操作，能够得到较好的设计结果。

附图说明

图1a为本发明的双波段冷镜的制作方法的流程图；

图1b为本发明的双波段冷镜的制作方法的初始膜系(hl)^11h的理论反射率曲线入射角45°的示意图；

图2为本发明的双波段冷镜的制作方法的在初始膜系上加镀宽带减反射膜2hl后，多层膜的理论反射率曲线,入射角45°的示意图；

图3为本发明的双波段冷镜的制作方法的在0、6、9层左侧高斯函数包络裁剪膜厚调制的多层膜理论反射率曲线,入射角45°的示意图；

图4为本发明的双波段冷镜的制作方法的经光学薄膜软件optilayer的constrainedoptimization功能模块优化后的多层膜反射率曲线，入射角45°的示意图；

图5为本发明的双波段冷镜的制作方法的在光学薄膜软件优化过程中使用的目标光谱曲线的示意图；

图6为本发明的双波段冷镜的制作装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供的一种双波段冷镜的制作方法，所述方法包括：

s101、选取高阶121.6nm多层膜作为基础膜系；

可选地，所述选取高阶121.6nm多层膜作为基础膜系，包括：

确定初始膜系为(hl)^11h，将所述121.6nm多层膜配置为具有基本的目标光谱特性且在在121.6nm处的反射带带宽是6nm已完成基础膜系的制备，其中、h和l分别是高、低折射率材料的光学厚度。

s102、使用宽波段减反射膜对所述121.6nm多层膜的反射带旁带振荡进行抑制得到第一过程冷镜；

可选地，所述使用宽波段减反射膜对所述121.6nm多层膜的反射带旁带振荡进行抑制得到第一过程冷镜，包括：

在所述121.6nm多层膜上加镀一个宽带减反射膜2hl得到第一过程冷镜，其中、h和l分别是高、低折射率材料的光学厚度。

s103、使用非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法对所述第一过程冷镜进行280nm反射带旁带波纹的抑制得到第二过程冷镜；

可选地，使用非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法对所述第一过程冷镜进行280nm反射带旁带波纹的抑制得到第二过程冷镜，包括：

利用预设第三关系对第一过程冷镜进行裁剪厚度调制多层膜每一层薄膜，所述第三关系为：

t(l)＝tavg[1+ka(l)cos(2πfml)]；

其中，h和l分别是高、低折射率材料的光学厚度，t(l)是第l层膜的光学厚度，tavg是四分之一波长膜厚，fm是调制频率，这里取fm＝0.5，k是调制振幅，a(l)是裁剪振幅函数。

当所述裁剪振幅函数为高斯函数时，所述高斯函数为：

a(l)＝exp(-(l-ltotal)²/(2c²))；

其中，c为常数，

s104、对所述第二过程冷镜的121.6nm反射带利用高斯型目标曲线进行处理得到双波段冷镜。

可选地，所述对所述第二过程冷镜的121.6nm反射带利用高斯型目标曲线进行处理得到双波段冷镜，包括：

利用高斯型目标曲线对所述第二过程冷镜的121.6nm反射带进行处理得到在121.6nm的反射率是37.4％，带宽4nm，在280nm的反射率是81.4％的双波段冷镜。

可选地，所述选取高阶121.6nm多层膜作为基础膜系之前，还包括：

获取所述121.6nm多层膜对应的中心波长。

可选地，所述获取所述121.6nm多层膜对应的中心波长，包括：

使用一阶exp指数衰减法拟合光学常数，根据预设第一关系确定中心波长为279nm，所述第一关系为：

其中，σm,n是高阶截止带(波数，nm^-1)，σ0是一阶反射带，m和n是整数，δnl是低折射率材料折射率变化，δnh是高折射率材料折射率变化，nl0是参考波长处低折射率材料折射率，nh0是参考波长处高折射率材料折射率，fm是调制频率。

可选地，所述121.6nm多层膜采用的镀膜材料是氟化镧和氟化镁，基底是熔石英，氟化镧和氟化镁交替叠加在所述基底上，靠近所述基底侧膜层为氟化镁，最外层为氟化镧。

可选地，所述裁剪振幅函数包括正旋函数、线性函数、五次函数或高斯函数中至少一种。

本发明提供了一种双波段冷镜的制作方法，所述方法克服了远紫外波段材料色散现象严重和材料吸收不可忽略等设计难点，采用的非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法有创新性，在计算机光学薄膜软件优化过程中，用高斯型曲线来表示121.6nm反射带的目标曲线，有助于具有带宽4nm的反射带的获得，该方法简单，容易操作，能够得到较好的设计结果。

结合图1b至图5所示，下面提供一种具体的实现方式对本发明的技术方案进行介绍：

1.选取高阶121.6nm周期多层膜作为基础膜系

在远紫外波段，薄膜材料具有较大的色散，中心波长会有较大的偏离。使用公式1来确定中心波长：

其中，σm,n是高阶截止带(波数，nm^-1)，σ0是一阶反射带，m和n是整数，δni是由于材料具有色散导致的折射率变化，ni0是基准截止带处薄膜材料的折射率，fm是调制频率，α是入射角。这里，fm＝0.5，σm,n＝1/121.6nm^-1，fm取值0.5是因为只有在这种情况下，一阶和二阶反射带之间的反射带最少。我们需要计算m和n来确定反射带阶数。难点是计算δni/ni0。薄膜材料的折射率用公式2来拟合，它是一阶exp指数衰减函数。通过试错法，我们得出m＝2,n＝0,入射角45°。相应计算出的中心波长为279nm，即121.6nm反射带是280nm反射带的三阶反射带，这符合设计要求。确定初始膜系为(hl)^11h。

图1b给出了初始膜系的理论反射率曲线，该膜系具有基本的目标光谱特性，在121.6nm处的反射带带宽是6nm，两个反射带的旁带波纹都需要作进一步的抑制。

y＝a1exp(-x/t)+y0(2)

2.使用宽波段减反射膜对121.6nm反射带旁带振荡做抑制

针对121.6nm反射带，我们在多层膜上加镀一个宽带减反射膜2hl，这里的薄膜光学厚度是相对于121.6nm这个波长来表征的。图2给出了在初始膜系上加镀宽带减反射膜2hl后，多层膜的理论反射率曲线。从图2可以看出，121.6nm处的反射率有所下降，旁带波纹得到了较好的抑制，对280nm反射带几乎没有影响。

3.使用非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法对280nm反射带旁带波纹做抑制

公式3是裁剪厚度调制多层膜每一层薄膜的计算公式：

t(l)＝tavg[1+ka(l)cos(2πfml)](3)

其中t(l)是第l层膜的光学厚度，tavg是四分之一波长膜厚，k是调制振幅，a(l)是裁剪振幅函数，它可以是振幅函数(正旋函数、线性函数、五次函数)或者高斯函数。这里我们选用高斯函数，其他三种函数具有和高斯函数类似的调制效果。高斯函数用公式4表示，常数c用公式5计算。

a(l)＝exp(-(l-ltotal)²/(2c²))(4)

如果采用对称的高斯函数包络裁剪膜厚调制，将在一阶和三阶反射带之间产生二阶反射带。所以，这里我们采用了非对称(单边)的高斯函数包络裁剪，实验表明左侧(靠近基底侧)的高斯函数包络裁剪膜厚调制方法对280nm反射带旁带波纹的抑制效果最好。图3给出了0、6、9层左侧高斯函数包络裁剪膜厚调制的多层膜理论反射率曲线。从3可以看出，280nm反射带旁带的一级峰得到了有效的抑制，对121.6nm反射带几乎没有影响。但总体效果还是不理想，需要用光学薄膜软件做一步优化。

4.用计算机光学薄膜软件做进一步的优化

用计算机光学薄膜软件optilayer的constrainedoptimization功能模块对步骤3的多层膜做进一步的优化。图4给出了优化后的多层膜理论反射率曲线。为了比较，图4也给出了步骤1和步骤2多层膜经光学薄膜软件优化的结果。在优化过程中，121.6nm反射带使用了高斯型目标曲线，如图5所示。高斯型目标曲线有助于具有4nm窄带反射带(121.6nm)的获得。从图4可以看出，只有经过完整设计步骤的多层膜优化效果最好，在121.6nm的反射率是37.4％，带宽4nm，在280nm的反射率是81.4％，反射带旁带波纹振荡小，可见光波段反射率小。

本发明提供了一种双波段冷镜的制作方法，所述方法克服了远紫外波段材料色散现象严重和材料吸收不可忽略等设计难点，采用的非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法有创新性，在计算机光学薄膜软件优化过程中，用高斯型曲线来表示121.6nm反射带的目标曲线，有助于具有带宽4nm的反射带的获得。该方法简单，容易操作，能够得到较好的设计结果。

结合图6所示，本发明还提供一种双波段冷镜的制作装置，所述装置包括：

选取单元601，用于选取高阶121.6nm多层膜作为基础膜系；

第一抑制单元602，用于使用宽波段减反射膜对所述121.6nm多层膜的反射带旁带振荡进行抑制得到第一过程冷镜；

第二抑制单元603，用于使用非对称高斯包络剪裁膜厚调制方法对所述第一过程冷镜进行280nm反射带旁带波纹的抑制得到第二过程冷镜；

处理单元604，用于对所述第二过程冷镜的121.6nm反射带利用高斯型目标曲线进行处理得到双波段冷镜。

本发明还提供了一种双波段冷镜，应用上述方法制得，该双波段冷镜只由一种多层膜组成，laf3/mgf2，基底是熔石英，laf3和mgf2交替叠加在基底上，靠近基底侧膜层为laf3，最外层是mgf2。入射角45°。该冷镜有两个反射带，分别位于121.6nm和280nm处，121.6nm处的反射带带宽4nm，两个反射带的旁带振荡较低，而且在可见光波段，反射率较低，两个反射带旁带波纹得到了有效的抑制，有力的保证了探测光谱的谱线纯度。；多层膜的膜系层数少于30层，选用的材料为常用的材料，且层数少，易于制备。

本发明提供了一种设计的双波段冷镜。该冷镜只由一种多层膜组成，制备工艺简单，容易控制；121.6nm处反射带带宽较窄，仅4nm，两个反射带旁带波纹得到了有效的抑制，有力的保证了探测光谱的谱线纯度。膜系层数少于30层，选用的材料为常用的材料，且层数少，易于制备。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种双波段冷镜的制作方法及装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。