CN109143440A - 3.50～3.90μm中波红外微型滤光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于表面技术领域，具体涉及一种3.50～3.90μm中波红外微型滤光片及其制备方法。该滤光片包括硅基底和长、短波通膜系；长波通膜系结构为(0.35H0.7L0.35H)^9(0.5HL0.5H)^13，中心波长为2800nm；短波通膜系结构为(0.5LH0.5L)^13，中心波长为4650nm；H和L分别为锗膜层和硫化锌膜层；通过真空中加热硅基底，采用离子束辅助的电子枪蒸发法在基底两侧沉积长、短波通膜系，冷却后制得。所述滤光片在3.50～3.90μm谱段具有高透过率，在0.80～3.30μm和4.10～5.50μm谱段宽截止，并且可以再低温(80K)下使用，并满足在空间微型组合滤光片中的拼接要求。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种3.50～3.90μm中波红外微型滤光片及其制备方法。
背景技术
目前遥感探测***的空间微型组合滤光片中，亟需一种满足以下要求的关键滤光片：(1)在3.50～3.90μm谱段具有高透过率；(2)0.80～3.30μm和4.10～5.50μm谱段具有抑制光信号的作用，因此在0.80～3.30μm和4.10～5.50μm谱段宽截止，以减少信号噪声的影响；(3)可在低温(80K)下使用；(4)基底尺寸小，基底所有面之间的夹角为直角，不存在倒角，膜层在拼接时不产生起膜或掉膜等膜层质量问题，以满足在所述空间微型组合滤光片中的拼接要求。
检索到较接近的对比文件(CN103245994B)公开了一种8～8.4μm透过的长波红外滤光片及制备方法，该滤光片包括锗基底、基底一侧长波通膜系和另一侧短波通膜系；长波通膜系结构为：(0.5LH0.5L)^10(0.57L1.14H0.57L)^6，中心波长为5680nm，短波通膜系结构为：(LH)^10，中心波长为10900nm，L和H分别依次为硫化锌和碲化铅膜层；通过在真空中加热基底，在离子源通氩气下用电阻蒸发分别在基底两侧沉积长、短波通膜系，冷却后制得。然而，上述公开的中波红外滤光片截止宽度相对较窄，无法满足在3.50～3.90μm谱段具有高透过率，在0.80～3.30μm和4.10～5.50μm谱段宽截止的中波红外滤光片；同时，现有的中波红外滤光片主要由高低折射率相差较少的两种氧化物形成，存在膜层数较多以及膜层应力大等特点，因此在微型基底上镀制将出现膜层断裂以及起膜等问题，不能满足在遥感探测***的空间微型组合滤光片中拼接及低温使用要求。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题，本发明提供一种在3.50～3.90μm谱段具有高透过率，在0.80～3.30μm和4.10～5.50μm谱段宽截止，并且可以再低温(80K)下使用的3.50～3.90μm中波红外微型滤光片及其制备方法。
具体技术方案如下：
一种3.50～3.90μm短波红外滤光片，由硅基底、所述硅基底的一侧的长波通膜系，所述硅基底的另一侧的短波通膜系组成；
所述长波通膜系由锗(Ge)膜层和硫化锌(ZnS)膜层交替叠加组成，所述长波通膜系的结构为：(0.35H0.7L0.35H)^9(0.5HL0.5H)^13，中心波长为2800nm；H为锗膜层，0.5为锗膜层厚度对应基本厚度的系数，0.5H表示硫化锌膜层厚度为0.5个基本厚度，L为硫化锌膜层，1为硫化锌膜层厚度对应基本厚度的系数，L表示硫化锌膜层厚度为1个基本厚度，9为基本膜堆(0.35H0.7L0.35H)的周期数，13为基本膜堆(0.5HL0.5H)的周期数；
所述短波通膜系由锗和硫化锌膜层交替叠加组成，所述短波通膜系的结构为：(0.5LH0.5L)^13，中心波长为4650nm；其中，H为锗膜层，1为锗膜层厚度对应基本厚度的系数，H表示锗膜层厚度为1个基本厚度，H表示锗膜层厚度为1个基本厚度，L为硫化锌膜层，0.5为硫化锌膜层厚度对应基本厚度的系数，0.5L表示硫化锌膜层厚度为0.5个基本厚度，13为基本膜堆(0.5LH0.5L)的周期数；
所述基本厚度为所述长波通膜系或所述短波通膜系的光学厚度中心波长的四分之一。
在某些实施方式中，所述硅基底的规格为29.5mm*1.6mm*1.2mm，平行度小于30″。
在某些实施方式中，所述长波通膜系如表1所示，层数为1的膜层为最外层，层数为45的膜层沉积在所述硅基底上，为最内层。
表1长波通膜系
在某些实施方式中，短波通膜系如表2所示，层数为1的膜层为最外层，层数为27的膜层沉积在硅基底上，为最内层。
表2短波通膜系
| 层数 | 膜层材料 | 膜层厚度/nm |
| 1 | 硫化锌 | 659.9517 |
| 2 | 锗 | 303.1252 |
| 3 | 硫化锌 | 527.663 |
| 4 | 锗 | 303.4779 |
| 5 | 硫化锌 | 506.0659 |
| 6 | 锗 | 286.562 |
| 7 | 硫化锌 | 512.5365 |
| 8 | 锗 | 287.3251 |
| 9 | 硫化锌 | 508.7516 |
| 10 | 锗 | 281.9393 |
| 11 | 硫化锌 | 517.6755 |
| 12 | 锗 | 279.3932 |
| 13 | 硫化锌 | 503.467 |
| 14 | 锗 | 290.1305 |
| 15 | 硫化锌 | 512.0884 |
| 16 | 锗 | 273.1541 |
| 17 | 硫化锌 | 515.9556 |
| 18 | 锗 | 286.7169 |
| 19 | 硫化锌 | 513.9143 |
| 20 | 锗 | 282.5536 |
| 21 | 硫化锌 | 504.1142 |
| 22 | 锗 | 288.6436 |
| 23 | 硫化锌 | 530.8378 |
| 24 | 锗 | 291.8134 |
| 25 | 硫化锌 | 511.3925 |
| 26 | 锗 | 275.2112 |
| 27 | 硫化锌 | 285.4052 |
一种上述的3.50～3.90μm透过长波红外滤光片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将干净的所述硅基底装入清洁的真空室中，抽真空至≤3×10-5Torr；
(2)将所述硅基底加热到200℃，并保持30min；
(3)打开霍尔源型的离子源，用离子束轰击清洗所述硅基底10min，所述离子源工作气体为氩气，气体流量为17sccm；
(4)打开霍尔源型的离子源，采用离子束辅助的电子枪蒸发法，分别在所述硅基底的一侧逐层交替沉积所述长波通膜系中的所述锗膜层和所述硫化锌膜层，在所述硅基底的另一侧逐层交替沉积所述短波通膜系中的所述锗膜层和所述硫化锌膜层，直至完成所述膜系的沉积；锗膜层的沉积速率为1.0nm/s，硫化锌膜层的沉积速率为0.8nm/s，离子源工作气体为氩气，气体流量为17sccm，膜层厚度采用石英晶体膜厚控制仪监控；
(5)所述硅基底自然冷却至室温，得到一种3.50～3.90μm短波红外滤光片。
本发明具有以下有益效果：相比于现有技术、1.本发明提供了一种3.50～3.90μm中波红外微型滤光片的制备方法，所述方法采用高折射率的锗膜层和低折射率的硫化锌交替叠加组成，适当的制备条件制得到的滤光片技术指标优良：在3.50～3.90μm谱段具有≥90％的高透过率，同时在0.8～3.3μm和4.10～5.50μm谱段宽截止，截止区域内平均透过率＜1％，可大大改进该谱段滤光片的通带以及截止带的特性，满足遥感探测***的使用要求；2.本发明提供了一种3.50～3.90μm中波红外微型滤光片的制备方法，所述方法采用锗和硫化锌为膜层材料，制得的滤光片膜层数较少，膜层厚度能够满足在微型基底(长29.5mm*宽1.6mm*厚1.2mm)两个表面上的镀制要求，满足空间微型组合滤光片拼接、低温(80K)下工作等使用要求；3.本发明提供了一种3.50～3.90μm中波红外微型滤光片特别适用于空间遥感***中全光谱相机等的微型组合滤光片。
附图说明
图1为本发明实施例中3.50～3.90μm中波红外微型滤光片的长波通膜系的理论透射光谱图；
图2为本发明实施例中3.50～3.90μm中波红外微型滤光片的短波通膜系的理论透射光谱图；
图3为本发明实施例中3.50～3.90μm中波红外微型滤光片的理论透射光谱图；
图4为本发明实施例中制备方法制备的3.50～3.90μm中波红外微型滤光片的透射光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
具体的技术方案如下：
一种3.50～3.90μm短波红外滤光片，由硅基底、硅基底一侧的长波通膜系和硅基底另一侧的短波通膜系组成；
本实施例中基底长29.5mm，宽1.6mm，厚1.2mm，优选基底的平行度<30″；长波通膜系由锗(Ge)膜层和硫化锌(ZnS)膜层交替叠加组成；长波通膜系的结构为：(0.35H0.7L0.35H)^9(0.5HL0.5H)^13，中心波长为2800nm；其中，H为锗膜层，0.5为锗膜层厚度对应基本厚度的系数，0.5H表示硫化锌膜层厚度为0.5个基本厚度，L为硫化锌膜层，1为硫化锌膜层厚度对应基本厚度的系数，L表示硫化锌膜层厚度为1个基本厚度，所述基本厚度为长波通膜系的光学厚度中心波长的四分之一，9为基本膜堆(0.35H0.7L0.35H)的周期数，13为基本膜堆(0.5HL0.5H)的周期数。
采用Macleod软件对长波通膜系的结构进行优化，得到优选的长波通膜系，如表1所示，其中，层数为1的膜层为长波通膜系的最外层，层数为45的膜层沉积在硅基底上，为长波通膜系的最内层。
表1长波通膜系
采用Macleod软件对表1中数据分析可得长波通膜系的理论透射光谱图，如图1所示，显示长波通膜系在0.80～3.30μm谱段宽截止，在4.10～5.50μm谱段具有高透过率。
短波通膜系由锗和硫化锌膜层交替叠加组成，短波通膜系的结构为：(0.5LH0.5L)^13，中心波长为4650nm；其中，H为锗膜层，1为锗膜层厚度对应基本厚度的系数，H表示锗膜层厚度为1个基本厚度，L为硫化锌膜层，0.5为硫化锌膜层厚度对应基本厚度的系数，0.5L表示硫化锌膜层厚度为0.5个基本厚度；所述基本厚度为短波通膜系的光学厚度中心波长的四分之一，13为基本膜堆(0.5LH0.5L)的周期数。
采用Macleod软件对所述短波通膜系的结构进行优化，得到优选的短波通膜系，如表2所示，其中，层数为1的膜层为短波通膜系的最外层，层数为27的膜层沉积在硅基底上，为短波通膜系的最内层。
表2短波通膜系
采用Macleod软件对表2中数据分析可得短波通膜系的理论透射光谱图，如图2所示，显示短波通膜系在4.10～5.5μm谱段宽截止，在3.50～3.90μm谱段具有高透过率。
采用美国DENTON公司的Intergrity-39全自动光学镀膜机***制备本实施例中3.50～3.90μm中波红外滤光片，具体步骤如下：
(1)用吸尘器清除真空室内的杂质，然后用脱脂纱布蘸无水乙醇擦拭干净真空室内壁；用无水丙酮对基底进行微波超声15min，再用无水乙醇对基底进行微波超声15min，然后用脱脂棉将基底擦拭干净，将干净的基底安装到夹具上并快速装入干净的真空室，抽真空至3×10-5Torr；
(2)将基底加热到200℃，并保持30min；
(3)用离子束轰击清洗基底10min，离子源工作气体为氩气，气体流量为17sccm，离子源型号为霍尔源型的CC-105；
(4)用离子束辅助的电子枪蒸发法，按照表1中的数据在基底的一侧逐层交替沉积长波通膜系中的硫化锌膜层和氟化钇膜层；按照表2中的数据在基底的另一侧逐层交替沉积短波通膜系中的硫化锌膜层和氟化钇膜层，完成所述膜系的沉积；
其中，硫化锌膜层的沉积速率为2.0nm/s，氟化钇膜层的沉积速率为0.8nm/s，离子源工作气体为氩气，气体流量17sccm，离子源型号为霍尔源型的CC-105，膜层厚度采用Inficon IC/5石英晶体膜厚控制仪监控；
(5)基底自然冷却至室温，得到本实施例所述的一种3.50～3.90μm短波红外滤光片。
对所述滤光片进行如下性能测试：
(1)采用美国PE公司的Lambda900型号的分光光度计，在测试温度为80K低温环境下，测得所述滤光片的透射光谱如图3所示，用UVWINLAB软件对图3中的谱线进行计算可知，所述滤光片在0.80～3.30μm谱段内的平均透过率为0.09％，在4.10～5.50μm谱段内的平均透过率为0.05％，在3.50～3.90μm谱段内的平均透过率为93.50％。
(2)按照航天部标准“QJ1697-89”中关于膜层表面质量、附着力和环境性的试验要求进行试验，试验结果满足所述标准规定，说明所述滤光片满足空间微型组合滤光片关于3.50～3.90μm谱段高透过率滤光片的光谱及拼接要求。
综上所述，本发明提供的一种3.50～3.90μm中波红外滤光片及其制备方法，所得到的3.50～3.90μm中波红外滤光片可以有效满足在3.50～3.90μm谱段具有高透过率，在0.80～3.30μm和4.10～5.50μm谱段宽截止，可在低温(80K)下使用，以及在所述空间微型组合滤光片中的拼接的要求。
上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种3.50～3.90μm短波红外滤光片，其特征在于：所述滤光片由硅基底、所述硅基底的一侧的长波通膜系，所述硅基底的另一侧的短波通膜系组成；
所述长波通膜系由锗(Ge)膜层和硫化锌(ZnS)膜层交替叠加组成，所述长波通膜系的结构为：(0.35H0.7L0.35H)^9(0.5HL0.5H)^13，中心波长为2800nm；H为锗膜层，0.5为锗膜层厚度对应基本厚度的系数，0.5H表示硫化锌膜层厚度为0.5个基本厚度，L为硫化锌膜层，1为硫化锌膜层厚度对应基本厚度的系数，L表示硫化锌膜层厚度为1个基本厚度，9为基本膜堆(0.35H0.7L0.35H)的周期数，13为基本膜堆(0.5HL0.5H)的周期数；
所述短波通膜系由锗和硫化锌膜层交替叠加组成，所述短波通膜系的结构为：(0.5LH0.5L)^13，中心波长为4650nm；其中，H为锗膜层，1为锗膜层厚度对应基本厚度的系数，H表示锗膜层厚度为1个基本厚度，H表示锗膜层厚度为1个基本厚度，L为硫化锌膜层，0.5为硫化锌膜层厚度对应基本厚度的系数，0.5L表示硫化锌膜层厚度为0.5个基本厚度，13为基本膜堆(0.5LH0.5L)的周期数；
所述基本厚度为所述长波通膜系或所述短波通膜系的光学厚度中心波长的四分之一。
2.根据权利要求1所述的3.50～3.90μm短波红外滤光片，其特征在于：所述硅基底的规格为29.5mm*1.6mm*1.2mm，平行度小于30″。
3.根据权利要求1或2所述的3.50～3.90μm的短波红外滤光片，其特征在于：所述长波通膜系如表1所示，层数为1的膜层为最外层，层数为45的膜层沉积在所述硅基底上，为最内层。
表1长波通膜系
4.根据权利要求1或2所述的一种3.50～3.90μm短波红外滤光片的制备方法，其特征在于：短波通膜系如表2所示，层数为1的膜层为最外层，层数为27的膜层沉积在硅基底上，为最内层。
表2短波通膜系
5.一种如权利要求1或2所述的3.50～3.90μm透过长波红外滤光片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将干净的所述硅基底装入清洁的真空室中，抽真空至小于等于3×10-5Torr；
(2)将所述硅基底加热到200℃，并保持30min；
(3)打开霍尔源型的离子源，用离子束轰击清洗所述硅基底10min，所述离子源工作气体为氩气，气体流量为17sccm；
(4)打开霍尔源型的离子源，采用离子束辅助的电子枪蒸发法，分别在所述硅基底的一侧逐层交替沉积所述长波通膜系中的所述锗膜层和所述硫化锌膜层，在所述硅基底的另一侧逐层交替沉积所述短波通膜系中的所述锗膜层和所述硫化锌膜层，直至完成所述膜系的沉积；锗膜层的沉积速率为1.0nm/s，硫化锌膜层的沉积速率为0.8nm/s，离子源工作气体为氩气，气体流量为17sccm，膜层厚度采用石英晶体膜厚控制仪监控；
(5)所述硅基底自然冷却至室温，得到一种3.50～3.90μm短波红外滤光片。
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