具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口的制作方法

本专利涉及远红外波段光学薄膜技术，具体指一种具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口，通过在CVD金刚石上镀制多层膜，实现对远红外波段5-50微米透射和中波红外5微米前波段的截止。

技术背景

红外光学薄膜滤光片作为红外遥感技术的基础关键元器件之一，对红外遥感的性能有着直接的影响。红外光学薄膜滤光片的发展，直接影响着红外技术在军事和民用领域应用的发展。现在主流的红外光学薄膜滤光片主要集中在25微米之前的波段进行研究；对于25微米之后的红外波段，由于光学薄膜材料的限制，相关光学薄膜方向的研究甚少。随着红外光学的发展，在地球辐射收支等应用领域对波长至远红外50微米的探测提出了新的要求。

地球辐射收支是指地球大气系统从太阳接收紫外、可见和近红外电磁辐射和地球大气系统向外层空间放射红外辐射的辐射交换过程，地球辐射收支(ERB)的探测是空间遥感探测的有机组成部分，作为全球气候观测系统中一个重要的气候变量，地球辐射收支测量可以用于验证气候模式输出，确定数值预报模式中的云参数化方案，以及分析痕量气体、气溶胶和云对于气候变化的影响。

地球辐射收支光谱范围从0.2微米至100微米以上。主要分为0.2-5微米的短波通道和5-50微米的长波通道。针对短波通道的光学薄膜研究已经很普及。而对于长波通道，目前主要集中在8-12微米的研究。而25-50微米波段区间的探测，并无专门研究，只在全波段探测中涉及。这对于长波通道的研究和分析都带来极大的困难。

在远红外窗口方向的研究方向，国内有的采用聚乙烯、塑料等有机物作为15-50μm波段的红外探测器的窗口材料，这些材料具有耐机械冲击能力，但是在15μm之前不能对光谱进行响应，并且塑料高分子成分在航天上的应用也有其欠缺性。

对长波红外光学薄膜窗口进行研究，通过宽光谱的红外高精度观测，去除5微米之前的太阳辐射的影响，可提高长波通道的探测精度。该研究对于地球辐射探测、深空探测等远红外探测具有重要意义。

技术实现要素：

本专利提出设计了一种具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口，该光学薄膜窗口元件实现对中波波长5μm波段前的截止，5-50μm波段增透。本专利具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口性能稳定，适合于地球辐射探测的长波窗口、深空探测等领域的应用。

本专利的技术方案是：在CVD金刚石基底两面分别沉积正面截止膜系和背面截止膜系。

本专利的滤光片由正面截止膜系1、基片2和背面截止膜系3组成，在基底的一面沉积正面截止膜系1，在基底的另一面沉积背面截止膜系3。

正面截止膜系1的膜系结构为：

基底/0.22H 0.78L 0.43H 0.99L 0.47H 1.10L 0.47H 1.20L 0.45H 1.25L 0.35H 1.57L 0.15H 5.13L/空气

其中，H表示一个λ₀/4光学厚度的PbTe膜层，L表示一个λ₀/4光学厚度的CsI膜层，λ₀为中心波长，为4微米，H、L前的数字为λ₀/4光学厚度比例系数乘数；

背面截止膜系3的膜系结构为：

基底/0.20H 0.72L 0.40H 0.91L 0.43H 1.01L 0.43H 1.10L 0.41H 1.14L 0.32H 1.44L 0.14H 4.70L/空气

其中，H表示一个λ₀/4光学厚度的PbTe膜层，L表示一个λ₀/4光学厚度的CsI膜层，λ₀为中心波长，为3微米，H与L前的数字为膜层的厚度比例系数。

本专利优点在于：提出了一种具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口，该光学薄膜窗口元件可以实现对波长小于5μm波段的截止，平均透过率低于0.5％；在5-50μm波段增透。本专利远红外波段光学薄膜滤光片性能稳定，可应用于地球辐射探测、远红外目标识别和深空探测等领域。

附图说明

图1为一种具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口正面截止膜系及背面截止膜系排列的剖面结构示意图。图中(1)为正面截止膜系，(2)为金刚石基片，(3)为背面截止膜系。

图2为一种具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口的光谱透过率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本专利的具体实施方式进一步详细说明。

本专利一种具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口，增透光谱区间为5-50μm，截止光谱区间为0～5μm，选用PbTe和CsI为高低折射率薄膜材料。

本专利一种具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口的正面截止膜系和背面截止膜系均采用为多层非规整膜系结构。膜系沉积采用石英晶体监控和光学直接监控互补的监控方式，控制膜层厚度沉积误差，得到接近设计的结果。

正面截止膜系1选取中心波长λ₀为4μm，通过膜系设计软件优化，膜系结构为：

基底/0.22H 0.78L 0.43H 0.99L 0.47H 1.10L 0.47H 1.20L 0.45H 1.25L 0.35H 1.57L 0.15H 5.13L/空气

其中，H表示一个λ₀/4光学厚度的PbTe膜层，L表示一个λ₀/4光学厚度的CsI膜层，H、L前的数字为λ₀/4光学厚度比例系数乘数。

背面截止膜系3选取中心波长λ₀为3μm，通过膜系设计软件优化，膜系结构为：

基底/0.20H 0.72L 0.40H 0.91L 0.43H 1.01L 0.43H 1.10L 0.41H 1.14L 0.32H 1.44L 0.14H 4.70L/空气

其中，H表示一个λ₀/4光学厚度的PbTe膜层，L表示一个λ₀/4光学厚度的CsI膜层，H、L前的数字为λ₀/4光学厚度比例系数乘数。

为增强薄膜可靠性，薄膜沉积前采用离子源辅助轰击清洗基片，选择阳极电压为180伏特，阴极电流为5安培，轰击10分钟。薄膜沉积真空为1-2×10^-3Pa，基片沉积温度控制在180±2℃。PbTe薄膜沉积速率为1.2nm/s，CsI薄膜沉积速率为2.0nm/s。

本专利实施案例得到的一种具有中波红外截止功能的远红外光学薄膜窗口在0-5微米波段范围内，平均透过率小于0.5％，在5-50微米范围内，平均透过率大于76.8％，透过率最高值为90.3％。