一种宽带大角度减反射红外光学多层膜的制作方法

本发明属于光学薄膜技术领域，特别涉及一种宽带大角度减反射红外光学多层膜。

背景技术：

基于目标红外的探测和成像技术是现代光学技术重要的分支之一。在大气中红外线的传输受到水、二氧化碳和臭氧吸收的影响，仅有3-5μm和8-12μm两个波段具有较高的红外透过率，这两个波段被称为“大气红外窗口”。作为光学成像与探测系统的窗口材料，首先具备大气红外窗口波段的透明特性，其次要耐受砂粒、雨水、热冲击及海水盐雾侵蚀等特性。目前已经使用的中波红外光学窗口材料有蓝宝石、硅、锗、尖晶石和氟化镁等。无论使用任何材料，均需要对窗口进行减反射处理，而对于硅和锗窗口则需要保护处理。

在低速飞行的中波光学窗口材料选型中，硅和锗作为窗口材料仍是主要选择之一。对于大角度入射成像的硅和锗窗口，在大角度入射的情况下(0°-75°)，由于光学材料的偏振效应而导致透过率降低，宽带、宽角度减反射增透保护薄膜是窗口应用的关键技术。目前已经报道了大量的正入射减反射薄膜设计与制备方法，而对于上述的宽带减反射薄膜的报道则不多。

多层宽带减反射薄膜的设计方法主要可分为三类：规整设计、非规整设计和非均匀膜设计。1)规整设计主要通过固定膜层的厚度计算出满足减反射匹配的膜层折射率，根据折射率选择薄膜材料，自然界不存在的折射率材料再次采用对称膜对设计替换。这种方法无法同时满足带宽与超低剩余反射率的需求。2)非规整设计则采用多层膜进行优化设计，基于数值优化方法根据剩余反射率的目标优化多层膜的物理厚度，此方法一般用于宽带减反射薄膜的设计；3)非均匀膜的设计则是采用折射率连续变化的方法，实现从基底折射率到空气折射率的过渡，但是这种方法对制备技术具有较高要求，目前仍不成熟。

技术实现要素：

本发明提供了一种宽带宽角度增透保护膜的结构，用于解决上述现有技术的问题。

本发明一种宽带大角度减反射红外光学多层膜的结构，其中，包括：基底以及四层膜结构，四层膜结构包括：第四层用于硬质保护膜用在红外波段，起到保护窗口的功能，第三层为低折射率材料，第二层为高折射率材料，第一层为中间折射率材料；多层反射膜的膜系结构为：sub/x1mx2hx3lx4a/air；其中，基底sub为硅或者锗，h代表高折射率材料，m代表一种中折射率材料，a代表另一种中折射率材料，l代表低折射率材料，x1代表m材料的膜对应的光学厚度系数，x2代表h材料的膜对应的光学厚度系数，x3代表l材料的膜对应的光学厚度系数，x4代表a材料的膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4。

根据本发明的宽带大角度减反射红外光学多层膜的结构的一实施例，其中，所述高折射率材料为锗，中折射率材料m为硫化锌，中折射率材料a为类金刚石薄膜，低折射率材料为氧化铝。

根据本发明的宽带大角度减反射红外光学多层膜的结构的一实施例，其中，当基底材料为硅时，设定λ0＝4μm，则x1＝0.3697±0.0265，x2＝0.2660±0.0071，x3＝1.1114±0.0547，x4＝0.0663±0.0274，总的光学厚度为1.8133，物理厚度为928.24nm。

根据本发明的宽带大角度减反射红外光学多层膜的结构的一实施例，其中，当基底材料为锗时，设定λ0＝4μm，则x1＝0.3162±0.0265，x2＝0.3419±0.0071，x3＝1.1044±0.0547，x4＝0.0618±0.0274，总的光学厚度为1.8243，物理厚度为915.82nm。

根据本发明的宽带大角度减反射红外光学多层膜的结构的一实施例，其中，基底材料为锗时，四层的膜系结构为：sub/0.3162m0.3419h1.1044l0.0618a/air；m为硫化锌，h为锗，l为氧化铝，a为类金刚石。

根据本发明的宽带大角度减反射红外光学多层膜的结构的一实施例，其中，基底的材料为硅，膜系结构：sub/0.3697m0.2660h1.1113l0.0663/air；m为硫化锌，h为锗，l为氧化铝，a为类金刚石。

本发明的宽带大角度减反射红外光学多层膜的结构，能够实现0°-75°范围下的宽带减反射功能。

附图说明

图1所示为多层膜结构示意图；

图2所示为锗基底的光学常数示意图；

图3所示为硫化锌薄膜的光学常数示意图；

图4所示为锗薄膜的光学常数示意图；

图5所示为氧化铝薄膜的光学常数示意图；

图6所示为类金刚石薄膜的光学常数示意图；

图7所示为锗基底宽带宽角度减反射保护膜剩余反射率示意图；

图8所示为硅基底的光学常数示意图；

图9所示为硅基底宽带宽角度减反射保护膜剩余反射率示意图。

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。

图1所示为本发明一种宽带大角度减反射红外光学多层膜的结构示意图，如图1所示，本发明一种宽带大角度减反射红外光学多层膜包括：包括：基底0以及四层膜结构，四层膜结构包括：第一层1、第二层2、第三层3、第四层4，第四层4用于硬质保护膜用在红外波段，可以起到保护窗口的功能，第三层3为低折射率材料，第二层为高折射率材料，第一层为中间折射率材料。

图2所示为锗基底的光学常数示意图，图3所示为硫化锌薄膜的光学常数示意图，图4所示为锗薄膜的光学常数示意图，图5所示为氧化铝薄膜的光学常数示意图，图6所示为类金刚石薄膜的光学常数示意图，图7所示为锗基底宽带宽角度减反射保护膜剩余反射率示意图，图8所示为硅基底的光学常数示意图，图9所示为硅基底宽带宽角度减反射保护膜剩余反射率示意图。

多层反射膜的膜系结构为：

sub/x1mx2hx3lx4a/air；

其中，基底sub为硅或者锗，h、m、a和l分别代表高折射率、两种中折射率和低折射率材料，x1～x4分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4。所述高折射率材料为锗，中折射率材料m为硫化锌，中折射率材料a为类金刚石薄膜，低折射率材料为氧化铝。

当基底材料为硅时，设定λ0＝4μm，则上述每层膜的光学厚度系数为：x1＝0.3697±0.0265，x2＝0.2660±0.0071，x3＝1.1114±0.0547，x4＝0.0663±0.0274，总的光学厚度仅为1.8133，物理厚度为928.24nm；

当基底材料为锗时，设定λ0＝4μm，则上述每层膜的光学厚度系数为：x1＝0.3162±0.0265，x2＝0.3419±0.0071，x3＝1.1044±0.0547，x4＝0.0618±0.0274。总的光学厚度仅为1.8243，物理厚度为915.82nm。

使用不同薄膜制备工艺时，分别对锗2、硫化锌1、类金刚石薄膜4和氧化铝3薄膜光学常数标定，以上述的光学厚度作为初始值，分别对光学厚度系数进行修正。

对于一实施例，锗基底的宽带宽角度减反射保护膜，其中

以锗材料作为基底0，选择薄膜材料主要为锗、硫化锌、类金刚石薄膜和氧化铝薄膜，设计参考波长λ0为4μm，单位光学厚度为1um。

膜系结构如附图1所示，四层的膜系结构如下：

sub/0.3162m0.3419h1.1044l0.0618a/air

锗基底的光学常数见附图2；

m、h、l和a分别为硫化锌、锗、氧化铝和类金刚石薄膜，四种材料的光学常数分别见附图3、附图4、附图5和附图6；

上述膜系结构的剩余反射率光谱见附图7，在3.5-4.7μm范围、入射角度0-75°，最小剩余反射率为0.08％，最大剩余反射率为26.06％，平均剩余反射率为3.57％；

对于另一实施例，

实例2：硅基底的宽带宽角度减反射保护膜

以硅材料作为基底，选择薄膜材料主要为锗、硫化锌、类金刚石薄膜和氧化铝薄膜，设计参考波长λ0为4μm，单位光学厚度为1um。

膜系结构如附图1所示，四层的膜系结构如下：

sub/0.3697m0.2660h1.1113l0.0663/air

硅基底的光学常数见附图8；

m、h、l和a分别为硫化锌、锗、氧化铝和类金刚石薄膜，四种材料的光学常数分别见附图3、附图4、附图5和附图6；

上述膜系结构的剩余反射率光谱见附图9，的膜系结构在3.5-4.7μm范围、入射角度0-75°，最小剩余反射率为0.31％，最大剩余反射率为24.31％，平均剩余反射率为3.86％；

本发明宽带大角度减反射红外光学多层膜，能够在锗和硅基底上实现在0°-75°范围入射范围内，3.5-4.7μm波长平均剩余反射率不超过4％。膜系具有减反射和保护功能，并且具有应力小、稳定性高的特点，在实际制备中具有较强的可实现性。

本发明所提供的中波红外光学窗口宽带\宽角度减反射增透保护膜，使用四层薄膜材料组合，即可获得3.5-4.7m范围内、入射角0-75°范围内的减反射保护膜层结构，可以实现平均剩余反射率4％以下的减反射效果，膜系具有较高的应用价值。

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。