一種可見光、激光與中紅外波段全介質薄膜分色元件及設計方法與流程

本發明屬于光學薄膜技術領域，特別是對三個波段的分光技術，具體涉及一種可見光波段(0.6～0.9μm)和激光波段(1.06μm)反射、中紅外波段(3.0～5.0μm)透射的全介質薄膜分色元件及設計方法。

背景技術：

現代光電跟蹤瞄準吊艙具有捕獲、跟蹤、瞄準一體化的功能，是現代空軍的關鍵大型光電設備之一，一般采取紅外成像、電視跟蹤及激光測距/指示等方法，是空中作戰飛機的重要系統組成部分。集紅外成像、電視跟蹤及激光測距功能于一體的光學吊艙，其光學系統基本采用共口徑合光和分光系統。目前，國外先進吊艙均采用可見光、激光和紅外等“三光”共用前端光學系統的方案，然后分別對每個光路進行信息處理。因此，對上述三個波段的分光元件是光電吊艙光學系統中的核心元件之一。

自20世紀70年代以來，美國等發達國家開展重視機載光電瞄準系統的研究，典型的“三光”系統的工作波段基本上是可見光波段0.6～0.9μm、激光波長1.06μm(或1.57μm)和中紅外波段3.0～5.0μm。因此需要對三個波段進行分光是光電吊艙光學系統的關鍵技術。目前，國內外對可見光與紅外分光的方法主要是采用金屬誘導透射的方法來實現，使用介質～金屬～介質的多層膜進行優化設計，實現可見光波段透射和紅外波段反射。基于介質～金屬～介質膜系結構的分色濾光片，膜層結構簡單易于制備，但是極薄的金屬層對光譜性較為敏感，在實際制備條件下，需要解決銀膜光學常數的測定、膜系優化設計和工藝一體化問題是分光膜成功的關鍵。但是，由于金屬誘導透射的帶寬有限，因此透射帶無法覆蓋較寬的波段。

除了上述典型的分光膜，采用全介質薄膜也是另一種方案。2009年，美國rugatetechnologies公司的thomasrahmolow等人設計并制備了用于多波段反射紅外熱像儀的濾光片，其中涉及超寬波段分色濾光片的設計和制備，使用了兩種薄膜材料進行設計。2010年，浙江大學章岳光等人在硒化鋅基底上設計了反射可見光和1540nm激光，透射長波紅外的分色片。以硒化鋅為基板，采用ge、znse和ybf3作為薄膜材料進行了優化設計，采用電子束蒸發技術制備了分色膜，其反射率和透過率都達到了93％以上。ronalda等人研制了可見光反射長波紅外透射的元件，使用zns、thf4和mgf2薄膜材料進行多層膜設計和制備，實現了0.6～0.9μm波段范圍的反射率達到80％以上，8～12μm波段范圍的透過率達到90％。綜上所述，分光薄膜的重點是在保證分光特性的基礎上，力爭減小薄膜的總厚度和降低薄膜的制備難度，同時降低應力帶來的面形變化。

基于上述的研究基礎，本發明提出了可見光波段、激光波段和中紅外波段的一種分色元件及設計方法，分光方式與傳統的介質～金屬～介質分光膜不同，避免了極薄金屬薄膜制備工藝差等問題，并且膜層厚度適于制備。分色元件可實現可見光和激光反射率達到98.5％以上，中波紅外的透過率達到97％以上。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明提出一種可見光、激光與中紅外波段全介質薄膜分色元件及設計方法，以解決如何在可見光、激光和中紅外共光路傳輸的情況下，將可見光波段(0.6～0.9μm)、激光波段(1.06μm)與中紅外波段(3.0～5.0μm)分光，并且盡可能提高每個譜段的分光效率。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提出一種可見光、激光與中紅外波段全介質薄膜分色元件的設計方法，該設計方法包括如下步驟：

分色元件包括相互平行的第一表面和第二表面；第一表面具有可見光和激光波長反射、中紅外波長透射的光學多層膜，第二表面具有中紅外波長透射的減反射薄膜；

選定參考波長λ0為0.9μm，單位光學厚度為λ0/4；選擇基底sub材料為si；選擇第一表面的高折射率材料h為si，低折射率材料l為sio2；選擇第二表面的高折射率材料h’為ge，低折射率材料l’為yf3，中折射率材料m為zns；

將第一表面的初始膜系結構設計為如下結構：

sub|0.6(0.5h1l0.5h)^40.8(0.5h1l0.5h)^4(0.5h1l0.5h)^4|air

設定第一表面的初始膜系結構在波長范圍λ0±0.3μm波段的反射率為最大值，3.0～5.0μm波段的透過率為最大值；對第一表面的初始膜系結構進行優化，膜系結構優化后為如下結構：

sub|x1hx2lx3hx4l……x23hx24lx25h|air

其中，x1～x25分別為每層薄膜的光學厚度系數，其中0<xi<6；

將第二表面的初始膜系結構設計為如下結構：

sub|8.0h’0.3l’2.2h’1.8l’1.6m|air

設定第二表面的初始膜系結構在波長范圍3.0～5.0μm波段的透過率為最大值，對第二表面的初始膜系結構進行優化，膜系結構優化后為如下結構：

sub|y1h’y2l’y3h’y4l’y5m|air

其中，y1～y5為每層薄膜的光學厚度系數，其中0<yi<8；

分色元件的最終結構為：

air|x25hx24lx23h……x4lx3hx2lx1h|sub|y1h’y2l’y3h’y4l’y5m|air

分色元件的工作角度為45°。

進一步地，第一表面的初始膜系結構優化后為如下結構：

sub|2.0658h0.1335l4.9438h0.2804l1.9670h0.4191l1.7501h0.6748l1.4928h1.4128l1.4595h0.5955l1.1344h1.1176l1.3968h0.5952l1.0274h0.5330l0.9159h0.9536l0.5335h1.4038l0.1548h1.4737l0.3959h|air。

進一步地，第二表面的初始膜系結構優化后為如下結構：

sub|7.7189h’0.2885l’2.2440h’1.7503l’1.6387m|air。

此外，本發明還提出一種采用上述設計方法得到的可見光、激光與中紅外波段全介質薄膜分色元件。

(三)有益效果

本發明提出的可見光、激光與中紅外波段全介質薄膜分色元件及設計方法，按照可見光與激光反射、紅外透射的方法進行分光，與傳統的介質-金屬-介質膜系結構不同，在硅材料基底上采用全介質薄膜材料設計，可見光波段(0.6～0.9μm)與激光(1.06μm)的平均分光效率達到98％以上，中紅外波段(3.0～5.0μm)的平均分光效率達到97％以上。

附圖說明

圖1為本發明實施例分色元件結構示意圖；

圖2為本發明實施例si基底的光學常數；

圖3為本發明實施例si薄膜的光學常數；

圖4為本發明實施例sio2薄膜的光學常數；

圖5為本發明實施例第一表面的光譜反射率率曲線；

圖6為本發明實施例ge薄膜的光學常數；

圖7為本發明實施例zns薄膜的光學常數；

圖8為本發明實施例yf3薄膜的光學常數；

圖9為本發明實施例第二表面的光譜透過率曲線；

圖10為本發明實施例分色元件的可見光波段分光效率曲線；

圖11為本發明實施例分色元件的中紅外波段分光效率曲線。

具體實施方式

為使本發明的目的、內容和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。

本實施例提出一種可見光、激光與中紅外波段全介質薄膜分色元件及設計方法。該設計方法包括如下步驟：

(1)分色元件包括相互平行的第一表面a和第二表面b，結構如圖1所示。第一表面a具有可見光和激光波長反射、中紅外波長透射的光學多層膜，第二表面b具有中紅外波長透射的減反射薄膜。

(2)選定參考波長λ0為0.9μm，單位光學厚度為λ0/4；選擇基底sub材料為si，其光學常數如圖2所示；選擇第一表面a的高折射率材料h為si，其光學常數如圖3所示；低折射率材料l為sio2，其光學常數如圖4所示。

(3)將第一表面a的初始膜系結構設計為如下結構：

sub|0.6(0.5h1l0.5h)^40.8(0.5h1l0.5h)^4(0.5h1l0.5h)^4|air

(4)設定第一表面a的初始膜系結構在波長范圍0.6～1.1μm波段的反射率為最大值，3.0～5.0μm波段的透過率為最大值；對第一表面a的初始膜系結構進行優化，膜系結構優化后為如下結構：

sub|2.0658h0.1335l4.9438h0.2804l1.9670h0.4191l1.7501h0.6748l1.4928h1.4128l1.4595h0.5955l1.1344h1.1176l1.3968h0.5952l1.0274h0.5330l0.9159h0.9536l0.5335h1.4038l0.1548h1.4737l0.3959h|air。

第一表面a的薄膜物理厚度為2.64μm，其表面光譜反射率如圖5所示。

(5)選擇第二表面b的高折射率材料h’為ge，其光學常數如圖6所示；低折射率材料l’為yf3，其光學常數如圖7所示；中折射率材料m為zns，其光學常數如圖8所示。

(6)將第二表面b的初始膜系結構設計為如下結構：

sub|8.0h’0.3l’2.2h’1.8l’1.6m|air

(7)設定第二表面b的初始膜系結構在波長范圍3.0～5.0μm波段的透過率為最大值，對第二表面b的初始膜系結構進行優化，膜系結構優化后為如下結構：

sub|7.7189h’0.2885l’2.2440h’1.7503l’1.6387m|air。

第二表面b的薄膜物理厚度為0.978μm，其表面光譜透過率如圖9所示。

(8)分色元件的工作角度為45°。該分色元件對于可見光波段(0.6～0.9μm)和激光波段(1.06μm)以反射方式分離，分光效率如圖10所示，平均分光效率為98％以上；對于中紅外波段(3.0-5.0μm)以透射方式分離，分光效率如圖11所示，平均分光效率為96％以上。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。