一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口的制作方法

本發明涉及遠紅外波段光學薄膜技術，具體指一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口，通過在cvd金剛石上鍍制多層膜，實現對遠紅外波段5-50微米透射和中波紅外5微米前波段的截止。

技術背景

紅外光學薄膜濾光片作為紅外遙感技術的基礎關鍵元器件之一，對紅外遙感的性能有著直接的影響。紅外光學薄膜濾光片的發展，直接影響著紅外技術在軍事和民用領域應用的發展。現在主流的紅外光學薄膜濾光片主要集中在25微米之前的波段進行研究；對于25微米之后的紅外波段，由于光學薄膜材料的限制，相關光學薄膜方向的研究甚少。隨著紅外光學的發展，在地球輻射收支等應用領域對波長至遠紅外50微米的探測提出了新的要求。

地球輻射收支是指地球大氣系統從太陽接收紫外、可見和近紅外電磁輻射和地球大氣系統向外層空間放射紅外輻射的輻射交換過程，地球輻射收支(erb)的探測是空間遙感探測的有機組成部分，作為全球氣候觀測系統中一個重要的氣候變量，地球輻射收支測量可以用于驗證氣候模式輸出，確定數值預報模式中的云參數化方案，以及分析痕量氣體、氣溶膠和云對于氣候變化的影響。

地球輻射收支光譜范圍從0.2微米至100微米以上。主要分為0.2-5微米的短波通道和5-50微米的長波通道。針對短波通道的光學薄膜研究已經很普及。而對于長波通道，目前主要集中在8-12微米的研究。而25-50微米波段區間的探測，并無專門研究，只在全波段探測中涉及。這對于長波通道的研究和分析都帶來極大的困難。

在遠紅外窗口方向的研究方向，國內有的采用聚乙烯、塑料等有機物作為15-50μm波段的紅外探測器的窗口材料，這些材料具有耐機械沖擊能力，但是在15μm之前不能對光譜進行響應，并且塑料高分子成分在航天上的應用也有其欠缺性。

對長波紅外光學薄膜窗口進行研究，通過寬光譜的紅外高精度觀測，去除5微米之前的太陽輻射的影響，可提高長波通道的探測精度。該研究對于地球輻射探測、深空探測等遠紅外探測具有重要意義。

技術實現要素：

本發明提出設計了一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口，該光學薄膜窗口元件實現對中波波長5μm波段前的截止，5-50μm波段增透。本發明具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口性能穩定，適合于地球輻射探測的長波窗口、深空探測等領域的應用。

本發明的技術方案是：在cvd金剛石基底兩面分別沉積正面截止膜系和背面截止膜系。

本發明的濾光片由正面截止膜系1、基片2和背面截止膜系3組成，在基底的一面沉積正面截止膜系1，在基底的另一面沉積背面截止膜系3。

正面截止膜系1的膜系結構為：

基底/0.22h0.78l0.43h0.99l0.47h1.10l0.47h1.20l0.45h1.25l0.35h1.57l0.15h5.13l/空氣

其中，h表示一個λ0/4光學厚度的pbte膜層，l表示一個λ0/4光學厚度的csi膜層，λ0為中心波長，為4微米，h、l前的數字為λ0/4光學厚度比例系數乘數；

背面截止膜系3的膜系結構為：

基底/0.20h0.72l0.40h0.91l0.43h1.01l0.43h1.10l0.41h1.14l0.32h1.44l0.14h4.70l/空氣

其中，h表示一個λ0/4光學厚度的pbte膜層，l表示一個λ0/4光學厚度的csi膜層，λ0為中心波長，為3微米，h與l前的數字為膜層的厚度比例系數。

本發明優點在于：提出了一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口，該光學薄膜窗口元件可以實現對波長小于5μm波段的截止，平均透過率低于0.5％；在5-50μm波段增透。本發明遠紅外波段光學薄膜濾光片性能穩定，可應用于地球輻射探測、遠紅外目標識別和深空探測等領域。

附圖說明

圖1為一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口正面截止膜系及背面截止膜系排列的剖面結構示意圖。圖中(1)為正面截止膜系，(2)為金剛石基片，(3)為背面截止膜系。

圖2為一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口的光譜透過率曲線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進一步詳細說明。

本發明一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口，增透光譜區間為5-50μm，截止光譜區間為0～5μm，選用pbte和csi為高低折射率薄膜材料。

本發明一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口的正面截止膜系和背面截止膜系均采用為多層非規整膜系結構。膜系沉積采用石英晶體監控和光學直接監控互補的監控方式，控制膜層厚度沉積誤差，得到接近設計的結果。

正面截止膜系1選取中心波長λ0為4μm，通過膜系設計軟件優化，膜系結構為：

基底/0.22h0.78l0.43h0.99l0.47h1.10l0.47h1.20l0.45h1.25l0.35h1.57l0.15h5.13l/空氣

其中，h表示一個λ0/4光學厚度的pbte膜層，l表示一個λ0/4光學厚度的csi膜層，h、l前的數字為λ0/4光學厚度比例系數乘數。

背面截止膜系3選取中心波長λ0為3μm，通過膜系設計軟件優化，膜系結構為：

基底/0.20h0.72l0.40h0.91l0.43h1.01l0.43h1.10l0.41h1.14l0.32h1.44l0.14h4.70l/空氣

其中，h表示一個λ0/4光學厚度的pbte膜層，l表示一個λ0/4光學厚度的csi膜層，h、l前的數字為λ0/4光學厚度比例系數乘數。

為增強薄膜可靠性，薄膜沉積前采用離子源輔助轟擊清洗基片，選擇陽極電壓為180伏特，陰極電流為5安培，轟擊10分鐘。薄膜沉積真空為1-2×10^-3pa，基片沉積溫度控制在180±2℃。pbte薄膜沉積速率為1.2nm/s，csi薄膜沉積速率為2.0nm/s。

本發明實施案例得到的一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口在0-5微米波段范圍內，平均透過率小于0.5％，在5-50微米范圍內，平均透過率大于76.8％，透過率最高值為90.3％。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種具有中波紅外截止功能的遠紅外光學薄膜窗口，該光學薄膜窗口以碲化鉛(PbTe)和碘化銫(CsI)為高低折射率薄膜材料，在1?2×10?3Pa真空環境、180±2℃沉積溫度下，采用阻蒸熱蒸發沉積方法在CVD金剛石基底兩側分別沉積多層膜而成；該遠紅外光學薄膜窗口能夠實現對中波紅外5微米前的光波截止，截止后其平均透過率低于0.5％，對5?50微米波段的光增透，平均透過率大于76.8％。本發明的遠紅外波段光學薄膜窗口可應用于深空探測、遠紅外目標識別和地球輻射探測等領域。

技術研發人員：羅海瀚;劉定權;高艷卿;蔡清元;孔園園
受保護的技術使用者：中國科學院上海技術物理研究所
技術研發日：2017.07.12
技術公布日：2017.09.12