CN106291793A - 一种短波红外窄带滤光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短波红外窄带滤光片，其特征在于，包括：基板和形成在基板两侧表面上的正面膜系和反面膜系，正面膜系为：A/(HL)4L(HL)8L(HL)8L(HL)41.64H0.64L/S，反面膜系为：A/(0.5HL0.5H)11α(0.5HL0.5H)12β(0.5LH0.5L)7γ(0.5LH0.5L)10ω(0.5LH0.5L)10/S；膜系中的符号含义：A为空气，S为H‑K9L玻璃基底，H为高折射率材料五氧化二钛，L为低折射率材料二氧化硅，α、β、γ和ω分别表示各膜系中心波长与中心波长的倍数。本发明滤光片具有中心波长为1240nm的红外窄带滤光片透过光谱，透射带的上升和下降沿陡度小于0.5％，通带平均透过率达80％，截止带平均透过率小于0.5％，可起到限制光谱范围，抑制背景干扰，提高目标分辨率。
Description
技术领域
本发明属于光学元件设计技术领域，涉及一种可满足80K低温环境使用的1240nm短波红外窄带滤光片及其制备方法。
背景技术
短波红外窄带滤光片在光学分析仪器、光学探测器方面都有广阔的应用前景，主要用于对地成像观测和光谱分析监测，我国高分辨率对地观测***重大专项，也对短波窄带滤光片提出了研发需求。
大视场红外多光谱扫描仪用短波红外窄带滤光片，要求通带平均透过率高、抑制带截止深度深、通带波纹系数小、截止范围宽，可适用于80K低温和地面环境条件，具有高可靠性和高稳定性。
由于短波红外窄带滤光片是封装在探测器前使用，工作环境特殊，其需满足从低温极限值80K到高温极限值80℃的瞬间温度冲击，采用常规方法制备滤光片，会出现低温下滤光片中心波长漂移和膜层脱落的现象，低温短波红外窄带滤光片一直是光学薄膜研究的重点。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种短波红外窄带滤光片及其制备方法，以提高光谱扫描仪分辨率和成像质量。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种短波红外窄带滤光片，其包括：基板2和形成在基板2两侧表面上的正面膜系和反面膜系，正面膜系为：A/(HL)4L(HL)8L(HL)8L(HL)41.64H0.64L/S，反面膜系为：A/(0.5HL0.5H)11α(0.5HL0.5H)12β(0.5LH0.5L)7γ(0.5LH0.5L)10ω(0.5LH0.5L)10/S；膜系中的符号含义：A为空气，S为H-K9L玻璃基底，H为高折射率材料五氧化二钛，L为低折射率材料二氧化硅，α、β、γ和ω分别表示各膜系中心波长与中心波长的倍数。
其中，所述基板2选用直径为20mm、厚度为0.5mm的K9玻璃，其表面光圈N≤3，局部光圈ΔN≤0.5，不平行度＜30″，表面光洁度B＝Ⅴ。
其中，所述反面膜系中，α＝0.845，β＝1.55，γ＝2.2，ω＝2.7。
本发明还提供了一种短波红外窄带滤光片的制备方法，其包括以下步骤：
S1：真空室清洁；
S2：镀膜前基片清洗；
S3：真空室准备
在真空室电子枪坩埚内预置镀膜材料；
S4：膜层镀制
打开离子源，用离子束清洗基板，离子源采用氩气作为工作气体，利用离子束辅助的电子束蒸镀方法进行膜层沉积。
其中，所述步骤S4中，膜层镀制中，二氧化钛膜沉积时，离子源氩气气体流量18±2sccm，氧气气体流量25±3sccm，离子源束压180V～250V，离子源束流80V～120V，控制沉积速率0.2-0.5nm/s；二氧化硅膜沉积时，离子源氩气气体流量18±2sccm，氧气气体流量12±2sccm，离子源束压180V～220V，离子源束流80V～110V，沉积速率0.5-1nm/s。
其中，所述步骤S4中，所述离子源的工作气体氩气纯度不小于99.995％，气体流量18sccm-22sccm。
其中，所述步骤S4中，膜层镀制前，将基片加热到200±10℃，并保持1h。
其中，所述步骤S1中，用喷砂机清洗镀膜机真空室防护屏、电极、挡板和工装，然后用脱脂纱布蘸无水乙醇擦净真空室；所述步骤S2中，依次用脱脂纱布和脱脂棉布蘸体积比1：1的乙醇、***混合溶液擦净基片表面。
其中，所述步骤S3中，所述电子枪坩埚内预置镀膜材料纯度不小于99.99％，预置镀膜材料的量满足：1000mm镀膜机，二氧化钛、二氧化硅分别为100g、150g。
其中，还包括步骤S5：基板降温，在真空不低于2×10-3Pa，降温到80±8℃，关闭抽真空***，真空室降到室温后取出沉积镜片。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的短波红外窄带滤光片及其制备方法，滤光片达到优良的技术指标，无需使用颜色玻璃，背景深度高，具有中心波长为1240nm的红外窄带滤光片透过光谱，透射带的上升和下降沿陡度小于0.5％，通带平均透过率达80％，截止带平均透过率小于0.5％，可起到限制光谱范围，抑制背景干扰，提高目标分辨率；滤光片性能稳定，波长漂移量为0.0036nm/℃，即从80℃到80K波长向短波漂移约1nm，能耐80K到80℃的瞬间温度冲击，已实现工程化应用。
附图说明
图1为1240nm窄带滤光片正面与反面膜层排列示意图，其中1面为正面膜系，2为基板，3面为反面膜系。
图2为本实施例滤光片在低温(80K)下1240nm窄带滤光片光谱透过率与波长的实例曲线。
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。
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明通过设计、试验，研制出一种中心波长为1240nm的短波红外窄带滤光片，它以K9玻璃为基底，五氧化二钛和二氧化硅为膜层材料，采用真空薄膜沉积方法制备，制备滤光片带宽20nm，透过率80％，在全波段光谱范围内，除主峰通带外，全截止，产品光学性能、膜层的物理强度和环境适应性满足实际使用要求。
具体地，参照图1所示，本实施例短波红外窄带滤光片包括基板2和形成在基板2两侧表面上的正面膜系和反面膜系，正面膜系为：A/(HL)4L(HL)8L(HL)8L(HL)41.64H 0.64L/S，反面膜系为：A/(0.5HL0.5H)11α(0.5HL0.5H)12β(0.5LH0.5L)7γ(0.5LH0.5L)10ω(0.5LH0.5L)10/S；膜系中的符号含义：A为空气，S为H-K9L玻璃基底，H为高折射率材料五氧化二钛，L为低折射率材料二氧化硅，α、β、γ和ω分别表示各膜系中心波长与中心波长的倍数。
其中，基板2选用直径为20mm、厚度为0.5mm的K9玻璃，其表面光圈N≤3，局部光圈ΔN≤0.5，不平行度＜30″，表面光洁度B＝Ⅴ；
反面膜系中，α＝0.845，β＝1.55，γ＝2.2，ω＝2.7。
本实施例膜系的优点是能够避免单面膜层厚度增加对镀膜后滤光片所产生的膜层应力、面型等问题，可望使累积应力趋向于零，同时为避免薄膜应力对基片面型的影响，在膜系设计和薄膜制备过程中使两面沉积膜层应力抵消，以实现滤光片总体应力趋于零。
基于上述结构的短波红外窄带滤光片，其制备方法包括以下步骤：
第一步，真空室清洁
用喷砂机清洗镀膜机真空室防护屏、电极、挡板和工装，清洗后，被清洗件表面不得有膜层附着，然后用脱脂纱布蘸无水乙醇擦净真空室。
第二步，镀膜前清洗
依次用脱脂纱布和脱脂棉布蘸湿乙醇、***混合溶液(体积比1：1)擦净表面，并用“哈气法”检验膜层表面，直至无油污、尘粒、擦痕为止。
第三步，真空室准备
将适量的镀膜材料二氧化钛、二氧化硅放入电子枪坩埚内(对于1000mm镀膜机，二氧化钛、二氧化硅分别为100g、150g)，镀膜材料纯度不小于99.99％，用洗耳球吹基片表面，然后立即关闭真空室门。
第四步，膜层镀制
真空度不低于2×10-3Pa，打开旋转架开关，旋转工件架，打开烘烤，设定烘烤温度。再依次打开电子枪偏转电源、灯丝电源及枪高压。
打开离子源，用离子束清洗基板5min，离子源采用氩气作为工作气体，工作气体纯度不小于99.995％，气体流量18sccm-22sccm(最佳值20sccm)，利用离子束辅助的电子束蒸镀方法进行膜层沉积。
将基片加热到200±10℃，并保持1h。
按设计膜系，将二氧化钛和二氧化硅交替蒸镀到基板的二个面上。镀膜材料沉积参数如下：
(1)二氧化钛膜沉积
离子源氩气气体流量18±2sccm，氧气气体流量25±3sccm，离子源束压180V～250V，离子源束流80V～120V，调节电子枪电流，充分均匀预熔膜料，打开挡板，控制沉积速率0.2-0.5nm/s；
采用此工艺参数进行二氧化钛膜沉积，可提高膜层的聚集密度，控制薄膜张应力和压应力的转变，避免二氧化钛的折射率温度系数和热膨胀系数低温漂移。
(2)二氧化硅膜沉积
离子源氩气气体流量18±2sccm，氧气气体流量12±2sccm，离子源束压180V～220V，离子源束流80V～110V，调节电子枪电流，充分均匀预熔膜料，打开挡板，沉积速率0.5-1nm/s；
采用此工艺参数进行二氧化硅膜沉积，可提高膜层的聚集密度，提高氧化硅膜高低温环境适应性。
第五步，基板降温。
在真空不低于2×10-3Pa，降温到80±8℃，关闭抽真空***，真空室降到室温后取出沉积镜片。
参照图2所示，本实施例滤光片性能稳定，波长漂移量为0.0036nm/℃，即从80℃到80K波长向短波漂移约1nm，能耐80K到80℃的瞬间温度冲击，已实现工程化应用。
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。
Claims (10)
1.一种短波红外窄带滤光片，其特征在于，包括：基板(2)和形成在基板(2)两侧表面上的正面膜系和反面膜系，正面膜系为：A/(HL)4L(HL)8L(HL)8L(HL)41.64H0.64L/S，反面膜系为：A/(0.5HL0.5H)11α(0.5HL0.5H)12β(0.5LH0.5L)7γ(0.5LH0.5L)10ω(0.5LH0.5L)10/S；膜系中的符号含义：A为空气，S为H-K9L玻璃基底，H为高折射率材料五氧化二钛，L为低折射率材料二氧化硅，α、β、γ和ω分别表示各膜系中心波长与中心波长的倍数。
2.如权利要求1所述的短波红外窄带滤光片，其特征在于，所述基板(2)选用直径为20mm、厚度为0.5mm的K9玻璃，其表面光圈N≤3，局部光圈ΔN≤0.5，不平行度＜30″，表面光洁度B＝Ⅴ。
3.如权利要求1所述的短波红外窄带滤光片，其特征在于，所述反面膜系中，α＝0.845，β＝1.55，γ＝2.2，ω＝2.7。
4.基于权利要求1-3中任一项所述短波红外窄带滤光片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：真空室清洁；
S2：镀膜前基片清洗；
S3：真空室准备
在真空室电子枪坩埚内预置镀膜材料；
S4：膜层镀制
打开离子源，用离子束清洗基板，离子源采用氩气作为工作气体，利用离子束辅助的电子束蒸镀方法进行膜层沉积。
5.如权利要求4所述的短波红外窄带滤光片的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，膜层镀制中，二氧化钛膜沉积时，离子源氩气气体流量18±2sccm，氧气气体流量25±3sccm，离子源束压180V～250V，离子源束流80V～120V，控制沉积速率0.2-0.5nm/s；二氧化硅膜沉积时，离子源氩气气体流量18±2sccm，氧气气体流量12±2sccm，离子源束压180V～220V，离子源束流80V～110V，沉积速率0.5-1nm/s。
6.如权利要求5所述的短波红外窄带滤光片的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述离子源的工作气体氩气纯度不小于99.995％，气体流量18sccm-22sccm。
7.如权利要求5所述的短波红外窄带滤光片的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，膜层镀制前，将基片加热到200±10℃，并保持1h。
8.如权利要求4所述的短波红外窄带滤光片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，用喷砂机清洗镀膜机真空室防护屏、电极、挡板和工装，然后用脱脂纱布蘸无水乙醇擦净真空室；所述步骤S2中，依次用脱脂纱布和脱脂棉布蘸体积比1：1的乙醇、***混合溶液擦净基片表面。
9.如权利要求4所述的短波红外窄带滤光片的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述电子枪坩埚内预置镀膜材料纯度不小于99.99％，预置镀膜材料的量满足：1000mm镀膜机，二氧化钛、二氧化硅分别为100g、150g。
10.如权利要求4所述的短波红外窄带滤光片的制备方法，其特征在于，还包括步骤S5：基板降温，在真空不低于2×10-3Pa，降温到80±8℃，关闭抽真空***，真空室降到室温后取出沉积镜片。
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