一种红外宽谱段截止窄带激光分光元件的制作方法

本发明属于光学薄膜技术领域，特别是有关多谱段红外的分光技术，涉及一种红外3-5μm波长范围和长波红外8-12μm波长范围的反射、10.6μm波长的透射宽截止窄带滤光片。

背景技术：

在目前大量的军用激光装备中，大多数采用nd:yag激光器作为激光光源。由于nd:yag激光器的输出激光波长为1.06μm，一方面，在复杂的战场环境下，如气雾、阴雨及战场烟尘等，环境对激光的损耗较大，严重的情况下导致激光系统失去功能；另一方面，在战场或训练场上该波长的激光对人眼损伤较大。co2激光器具有很多优越的性能，诸如在不良气候条件下大气传输性能好、激光输出波长探测器成熟、易于实现高灵敏度外差探测和三维成像、以及信息处理技术等均比较成熟，能够满足未来战场上对军用激光系统的需求。目前，基于co2激光相干成像雷达在靶场测量、空间飞行器对接、地形跟随与障碍物回避、敌我坦克识别以及精确制导等领域获得了初步应用。

co2激光的波长为10.6μm，与8-12μm波段的热成像系统具有很好的兼容性，两者共用光学扫描系统、接收系统、探测系统和信息处理系统等。在精确制导技术领域内，使用主动co2激光和被动红外可以构成双模成像制导体制，具有较高的分辨力、探测能力和抗干扰能力、以及适合于全天候作战。从目前最新的研究动态看，基于co2激光的主动探测与其它制导体制相结合，已成为制导体制发展的主要模式之一。

将红外(3.5μm-4.7μm)和(8μm-12μm)作为双模制导的主要波段，再加上co2激光的主动探测装置，构成了新型的三模复合制导体制。在此复合体制下的光电设备中，如何将三个波段分离是光学系统中的关键技术。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种红外宽谱段截止窄带激光分光元件，在中波红外3-5μm波长范围和长波红外8-12μm波长范围的实现高反射率，在10.6μm波长实现窄带(带宽≤0.3μm)高透射率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种红外宽谱段截止窄带激光分光元件，其包括：基底，基底的第一表面a上镀长波通截止滤光薄膜，基底的第二表面b上镀窄带通滤光薄膜。

其中，所述基底为锗或硒化锌。

其中，所述长波通截止滤光薄膜的初始膜系结构为：

sub|1lαa(1h1l)^maαb(1h1l)^ma1a1l|air

其中，h、a和l分别代表高折射率、中折射率材料和甚低折射率材料，αa和αb分别代表每层膜的光学厚度系数，ma为基本周期1h1l的周期数，单位光学厚度为λ0/4，λ0为参考波长。

其中，所述参考波长为λ0＝3.9μm，选择高折射率材料为锗、低折射率材料为硫化锌，甚低折射率材料为氟化钇。

其中，设定波长范围为8μm-12μm和该波段的透过率为最大值，对第一表面a的膜系结构进行优化，选择靠近基底表面五层和空间空气的五层，膜系结构优化后为：

sub|x1lx2hx3lx4hx5lαa(1h1l)^(ma-2)αb(1h1l)^(ma-2)αbhx6lx7hx8lx9ax10l|air

x1-x10为薄膜的光学厚度系数。

其中，所述窄带通滤光薄膜的膜系结构为：

sub|1l1h1.4l1h2l0.9h1l0.9h0.9l0.9h0.9l0.9h1.3l2h1l1h|air

其中，h和l分别代表高折射率和低折射率材料，单位光学厚度为λ1/4，λ1为参考波长。

其中，所述参考波长为λ1＝10.6μm，选择高折射率材料为锗、低折射率材料为硫化锌。

其中，设定波长范围λ1±0.1μm的透过率为最大值，8μm-(λ1-0.1μm)和(λ1+0.1μm)-13μm波长范围内的反射率为最大值，设计容差均为0.005，对第二表面b的膜系结构进行优化，膜系结构优化后为：

sub|y1ly2hy3ly4hy5ly6hy7ly8hy9ly10hy11ly12hy13ly14hy15ly16h|air

y1-y16为薄膜的光学厚度系数。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的红外宽谱段截止窄带激光分光元件，分别将长波通和窄带通滤光片设计在元件的两个表面，通过调整两个膜系结构的厚度，能够有效控制表面的面形变化，可实现的技术指标如下为：3μm-5μm波长范围内的反射率达到99.99％以上，8μm-10.5μm波长范围内的平均反射率达到96％以上，10.7μm-12μm波长范围内的平均反射率达到93％以上；10.6μm波长的带宽为0.3μm，透过率达到94％以上。

附图说明

图1滤光元件结构示意图。

图2锗基底的光学常数。

图3锗(ge)薄膜的光学常数。

图4硫化锌(zns)薄膜的光学常数。

图5氟化钇(yf3)薄膜的光学常数。

图6长波通的光谱反射率曲线。

图7窄带通滤光多层膜反射率曲线。

图8分光元件的光谱透过率曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供一种红外波段高反射率、激光波段高透过率的宽截止分光光学薄膜元件，该分光元件包括：基底，基底的第一表面a上镀长波通截止滤光薄膜，基底的第二表面b上镀窄带通滤光薄膜。

1)a表面的薄膜结构设计：选定参考波长为λ0＝3.9μm，选择高折射率材料为锗(ge)、低折射率材料为硫化锌(zns)，甚低折射率材料为氟化钇(yf3)；

2)a表面长波通薄膜，其初始膜系结构为：

sub|1lαa(1h1l)^maαb(1h1l)^ma1a1l|air

其中，基底sub为锗或硒化锌，h、a和l分别代表高折射率、中折射率材料和甚低折射率材料，αa和αb分别代表每层膜的光学厚度系数，ma为基本周期(1h1l)的周期数，单位光学厚度为λ0/4。

3)设定波长范围为8μm-12μm和该波段的透过率为最大值，对a表面的膜系结构进行优化，选择靠近基底表面五层和空间空气的五层，膜系结构优化后为：

sub|x1lx2hx3lx4hx5lαa(1h1l)^(ma-2)αb(1h1l)^(ma-2)αbhx6lx7hx8lx9ax10l|air

x1-x10为薄膜的光学厚度系数。

4)通过不同的周期数ma调整域截止带的截止深度；

5)b表面的薄膜结构设计：选定参考波长为λ0＝10.6μm，选择高折射率材料为锗(ge)、低折射率材料为硫化锌(zns)；

6)b表面的膜系结构为：

sub|1l1h1.4l1h2l0.9h1l0.9h0.9l0.9h0.9l0.9h1.3l2h1l1h|air

其中，基底sub为锗或硒化锌，h和l分别代表高折射率和低折射率材料，单位光学厚度为λ0/4。

7)设定波长范围λ0±0.1μm的透过率为最大值，8μm-(λ0-0.1μm)和(λ0+0.1μm)-13μm波长范围内的反射率为最大值，设计容差均为0.005，对b表面的膜系结构进行优化，膜系结构优化后为：

sub|y1ly2hy3ly4hy5ly6hy7ly8hy9ly10hy11ly12hy13ly14hy15ly16h|air

y1-y16为薄膜的光学厚度系数。

8)通过调整ma实现a表面和b表面的应力匹配。

实施例

分光薄膜元件的结构示意图如图1所示；

平板元件选择锗材料，其光学常数如附图2所示；

高折射率材料选择为ge薄膜，其光学常数见附图3；低折射率材料选择为zns薄膜，其光学常数见附图4；甚低折射率材料选择为yf3薄膜，其光学常数见附图5；

设定参考波长为λ0＝3.9μm；

a表面的长波通薄膜的初始膜系结构为：

sub|1l(1h1l)^9(1.1h1.1l)^91a1l|air

其中，sub为锗材料，h、l和a分别代表ge、zns和yf3薄膜，每层膜的单位光学厚度为λ0/4，ma＝9；

设定波长范围为8μm-12μm和该波段的透过率为最大值，容差为0.005，对a表面的膜系结构进行优化，选择靠近基底表面五层和空间空气的五层，膜系结构优化后为：

sub|0.1339l2.0922h0.5564l0.4704h0.0495l(1h1l)^7(1.1h1.1l)^71.1h1.1847l0.7997h1.741098l0.6802a0.8846l|air

a表面的长波通的光谱反射率见图6；

选定参考波长为λ0＝10.6μm，选择高折射率材料为锗(ge)、低折射率材料为硫化锌(zns)；

b表面的膜系初始结构为：

sub|1l1h1.4l1h2l0.9h1l0.9h0.9l0.9h0.9l0.9h1.3l2h1l1h|air

其中，基底sub为锗材料，h和l分别代表ge薄膜和zns薄膜，单位光学厚度为λ0/4。

设定波长范围10.5μm-10.7μm的透过率为最大值，8μm-10.5μm和10.7μm-13μm波长范围内的反射率为最大值，设计容差均为0.005，对b表面的膜系结构进行优化，膜系结构优化后为：

sub|1.0422l1.1176h1.3780l1.0204h2.1232l0.8982h0.9688l0.9041h0.9453l0.8994h0.9311l0.8617h1.2932l1.9740h1.088l1.0035h|air

b表面窄带通滤光薄膜的光谱反射率见图7；

图8为总体的光谱透过率，工作角度为45°，光谱特性的效果为：3μm-5μm波长范围内的反射率达到99.99％以上，8μm-10.5μm波长范围内的平均反射率达到96％以上，10.7μm-12μm波长范围内的平均反射率达到93％以上；10.6μm波长的带宽为0.3μm，透过率达到94％以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。