留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备

李子杨 刘华松 孙鹏 杨霄 白金林 徐颖 杨仕琪 季一勤 苏建忠

李子杨, 刘华松, 孙鹏, 杨霄, 白金林, 徐颖, 杨仕琪, 季一勤, 苏建忠. 激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210944. doi: 10.3788/IRLA20210944
引用本文: 李子杨, 刘华松, 孙鹏, 杨霄, 白金林, 徐颖, 杨仕琪, 季一勤, 苏建忠. 激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210944. doi: 10.3788/IRLA20210944
Li Ziyang, Liu Huasong, Sun Peng, Yang Xiao, Bai Jinlin, Xu Ying, Yang Shiqi, Ji Yiqin, Su Jianzhong. Design and preparation of laser/long-wave infrared dual-band antireflection thin-film[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(3): 20210944. doi: 10.3788/IRLA20210944
Citation: Li Ziyang, Liu Huasong, Sun Peng, Yang Xiao, Bai Jinlin, Xu Ying, Yang Shiqi, Ji Yiqin, Su Jianzhong. Design and preparation of laser/long-wave infrared dual-band antireflection thin-film[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(3): 20210944. doi: 10.3788/IRLA20210944

激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备

doi: 10.3788/IRLA20210944
基金项目: 国家自然科学基金(61775167,61975150);天津市自然科学基金(19 JCZDJC38400);国家拔尖青年人才支持计划;天津市人才发展专项支持计划高层次创新团队
详细信息
    作者简介:

    李子杨,男,硕士生,主要从事光学薄膜、红外光学窗口的设计与表征技术方面的研究

  • 中图分类号: O484

Design and preparation of laser/long-wave infrared dual-band antireflection thin-film

Funds: National Natural Science Foundation of China (61775167,61975150);Natural Science Foundation of Tianjin(19 JCZDJC38400);The National Youth Talent Support Program;Special Support Plan for Talent Development in Tianjin
  • 摘要: 在氟化钡光学元件上设计并制备多谱段减反射薄膜是提升光电系统探测性能的关键。在氟化钡基底上设计并制备了1064 nm激光/长波红外双谱段减反射薄膜。基于周期对称结构膜系导纳计算方法,以及拟合膜层周期数与参考波长的优化算法,开展了复合谱段减反射薄膜初始膜系的设计方法研究。使用热蒸发离子束辅助沉积方法制备了多层减反射薄膜。测试结果表明,该薄膜在1064 nm处透射率为94.0%,在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%。该激光/长波红外双谱段减反射薄膜具有良好的光学性能,可以应用于多模复合精确探测光电装备之中,对于提升探测系统的工作性能具有重大意义。
  • 图  1  BaF2基底在1064 nm测试光谱(a)反射率曲线及(b)透射率曲线;BaF2基底在8~12 μm测试光谱(c)反射率曲线及(d)透射率曲线

    Figure  1.  Spectrum of BaF2 substrate at 1064 nm: (a) Reflectance test curve and (b) transmittance test curve; Spectrum of BaF2 substrate at 8-12 μm: (c) Reflectance test curve and (d) transmittance test curve

    图  2  λ0=2 000 nm, N=8时(a) 膜系导纳随波长变化曲线及(b) 膜系反射率随波长变化曲线

    Figure  2.  (a) Curve of admittance of thin-film system with wavelength and (b) curve of reflectance of thin-film system with wavelength when λ0=2 000 nm and N=8

    图  3  λ0=1259 nm, N=8时(a) 膜系导纳随波长变化曲线及 (b) 膜系反射率随波长变化曲线

    Figure  3.  (a) Curve of admittance of thin-film system with wavelength and (b) Curve of reflectance of thin-film system with wavelength when λ0=1259 nm and N=8

    图  4  薄膜在1064 nm理论设计光谱(a)反射率曲线及(b)透射率曲线;薄膜在8~12 μm理论设计光谱(c)反射率曲线及(d)透射率曲线

    Figure  4.  Spectrum at 1064 nm: (a) Reflectance theoretical curve and (b) transmittance theoretical curve; Spectrum at 8-12 μm: (c) Reflectance theoretical curve and (d) transmittance theoretical curve

    图  5  薄膜在1064 nm (a)反射率曲线及(b)透射率曲线对比;薄膜在8~12 μm (c)反射率曲线及(d)透射率曲线对比

    Figure  5.  Compared spectrum at 1064 nm: (a) Reflectance test curve and (b) transmittance test curve; Compared spectrum at 8-12 μm: (c) Reflectance test curve and (d) transmittance test curve

    表  1  激光/长波红外双谱段减反射薄膜技术要求

    Table  1.   Technical requirements of the laser/long-wave infrared dual-band antireflection thin-film

    ParameterTechnical requirements
    Substrate material BaF2
    Incident angle/(°) 0
    Working band/μm 1.064 8-12
    Transmittance ≥93% ≥95%
    下载: 导出CSV

    表  2  薄膜沉积工艺参数

    Table  2.   Film deposition process parameters

    MaterialSubstrate temperature/℃Deposition rate/Å·s−1
    (1 Å=10−10 m)
    Ion beam voltage/V
    YbF31505140
    ZnS1508120
    下载: 导出CSV
  • [1] Zhao Jianchuan, Wang Dinan, Chen Changqing, et al. Infrared laser active imaging and recognition [J]. Chinese Optics, 2013, 6(5): 795-802. (in Chinese)
    [2] 周国清, 谭逸之, 周祥, 等. 波长1064 nm和532 nm脉冲激光大动态范围能量的测试方法及实验[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(S2): 139-146.

    Zhou Guoqing, Tan Yizhi, Zhou Xiang, et al. Measurement method and experiment of large dynamic range energy of pulsed laser with wavelength of 1064 nm and 532 nm[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(S2): 20200417. (in Chinese)
    [3] Yuan Shengfu, Luo Wei, Zhong Wei, et al. Performance optimization of mid and far infrared dual-band lasers [J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2013, 32(5): 404-407. (in Chinese) doi:  10.3724/SP.J.1010.2013.00404
    [4] Chen Huimin, Liu Weibo, Gu Jian, et al. Design of FMCW laser fuze detecting system [J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(12): 1206004. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA201746.1206004
    [5] Song Chuang, Jiang Peng, Duan Lei, et al. Application research of new photoelectric detection technology on precision guided weapons (Invited) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20201015. (in Chinese)
    [6] Yang Yi. Design and implementation of signal processor for FMCW millimeter radar fuze [J]. Application of Integrated Circuits, 2010, 36(10): 53-56. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.0258-7998.2010.10.020
    [7] Wang Huihui, Fu Xuebin, Zhang Ke. Digital signal processing of millimeter wave fuze [J]. Journal of Detection & Control, 2014, 36(5): 34-37, 42. (in Chinese)
    [8] 贺其恭, 贾晓东. 激光/毫米波双模融合近炸探测目标检测技术[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(07): 179-187.

    He Qigong, Jia XIaodong, Target detection technology of laser/millimeter wave dual-mode fusion proximity detection [J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(7): 20200361. (in Chinese)
    [9] Chen Xianzhi, Luo Zhenbao, Yang Xu, et al. Design of information processing system for photoelectric seeker [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(9): 20200312. (in Chinese)
    [10] 左卫, 周波华, 李文柱. 多模及复合精确制导技术的研究进展与发展分析[J]. 空天防御, 2019, 2(03): 44-52.

    Zuo Wei, Zhou Bohua, Li Wenzhu. Research progress and development analysis of multi-mode and composite precision guidance technology [J]. Air & Space Defense, 2019, 2(3): 44-52. (in Chinese)
    [11] Palumbo N F. Guest editor's introduction: Homing missile guidance and control [J]. Johns Hopkins Apl Technical Digest, 2010, 29(1): 2-8.
    [12] Palumbo N F, Blauwkamp R A, Lloyd J M. Basic principles of homing guidance [J]. Johns Hopkins Apl Technical Digest, 2010, 29(1): 25-41.
    [13] Mi Gaoyuan, Zhang Jianfu, Han Jun, et al. Research on multi-band antireflection films for TV, laser and medium wave infrared [J]. Laser & Infrared, 2016, 46(5): 593-596. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1001-5078.2016.05.016
    [14] Fu Xiuhua, Sun Bing, Zhang Jing, et al. Development of wavelength separation film for 1064 nm laser and far infrared common window imaging system [J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(12): 1231001. (in Chinese)
    [15] Yenisoy A, Yesilyaprak C, Ruzgar K, et al. Ultra-broad band antireflection coating at mid wave infrared for high efficient germanium optics [J]. Optical Materials Express, 2019, 9(7): 3123. doi:  10.1364/OME.9.003123
    [16] Cohen D, Stolov Y, Azran A, et al. Dual- and triple-band AR coatings for IR systems [C]//Proceedings of SPIE, 2013, 8704: 22.
    [17] Zhang Yinhua, Huang Wei, Zhang Yundong, et al. Optical properties of several infrared thin-film materials [J]. Optical Instruments, 2006, 28(4): 104-108. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1005-5630.2006.04.021
    [18] Tang Jinfa, Gu Peifu, Liu Xu, et al. Modern Optical Thin Film Technology[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2006. (in Chinese)
  • [1] 王云哲, 张鲁薇, 邵俊峰, 曲卫东, 康华超, 张引.  脉冲激光对石英基底Ta2O5/SiO2滤光膜的损伤效应研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220482-1-20220482-9. doi: 10.3788/IRLA20220482
    [2] 王润福, 王多书, 范栋, 李晨, 王济洲, 董茂进.  短中波红外长线阵拼接集成滤光片技术研究 . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20210463-1-20210463-8. doi: 10.3788/IRLA20210463
    [3] 周晟, 刘定权, 王凯旋, 李耀鹏, 胡金超, 王曙光, 朱浩翔.  中短波红外双带通低温滤光片的设计与制备 . 红外与激光工程, 2022, 51(9): 20210964-1-20210964-9. doi: 10.3788/IRLA20210964
    [4] 潘永刚, 张四宝, 刘政, 刘文成, 李绵, 张春娟, 罗长新.  偏振和位相调控分光膜的设计与制备 . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20210512-1-20210512-7. doi: 10.3788/IRLA20210512
    [5] 杨伟荣, 潘永强, 郑志奇.  光学表面粒子污染物散射的单层薄膜调控特性 . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210234-1-20210234-7. doi: 10.3788/IRLA20210234
    [6] 武锦辉, 凌秀兰, 刘吉, 陈鑫.  缺陷诱导光学薄膜光场增强损伤分析 . 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20210357-1-20210357-6. doi: 10.3788/IRLA20210357
    [7] 付秀华, 张功, 张静, 刘冬梅, 杨伟声, 木锐.  短中波红外探测系统宽波段高透过率薄膜 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1017001-1017001(6). doi: 10.3788/IRLA201948.1017001
    [8] 尚鹏, 熊津平, 季一勤, 刘华松, 刘丹丹, 庄克文, 刘旭, 沈伟东.  多金属层诱导透射紫外“日盲”探测成像滤光片设计与低温制备研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 920002-0920002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0920002
    [9] 周成虎, 张秋慧, 黄明明, 黄全振.  杂质微粒对薄膜的损伤效应 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 721004-0721004(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0721004
    [10] 潘永强, 陈佳.  光学薄膜减散射特性研究 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 118007-0118007(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0118007
    [11] 艾万君, 熊胜明.  离子束辅助沉积大口径光学薄膜 . 红外与激光工程, 2015, 44(S1): 183-188.
    [12] 鲍刚华, 程鑫彬, 焦宏飞, 刘华松, 王占山.  HfO2薄膜折射率非均质性生长特性研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2761-2766.
    [13] 王济洲, 李宏, 熊玉卿, 董茂进, 张玲, 李晨.  一种具有抗静电反红外诱导滤光片的设计与制备 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 3005-3009.
    [14] 李凯朋, 王多书, 李晨, 王济州, 董茂进, 张玲.  光学薄膜参数测量方法研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 1048-1052.
    [15] 左杨平, 卢文壮, 张圣斌, 余亚平, 冯森, 左敦稳.  面向激光防护应用的金刚石/V2O5 膜系设计与制备 . 红外与激光工程, 2015, 44(8): 2491-2495.
    [16] 刘华松, 傅翾, 季一勤, 张锋, 陈德应, 姜玉刚, 刘丹丹, 王利栓, 冷健, 庄克文.  离子束溅射制备氧化物薄膜沉积速率调整方法 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2192-2197.
    [17] 代福, 熊胜明.  高重复频率DPL 激光对光学薄膜元件损伤实验研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2074-2080.
    [18] 付秀华, 杨永亮, 刘国军, 李琳, 潘永刚, Ewan Waddell.  大面积头罩上类金刚石薄膜均匀性研究 . 红外与激光工程, 2013, 42(1): 181-184.
    [19] 郝宏刚, 周翱, 饶敏, 阮巍.  采用光热失调技术的光学薄膜吸收均匀性测量系统 . 红外与激光工程, 2013, 42(10): 2842-2845.
    [20] 孙岩, 付秀华, 石澎, 姚林.  红外探测器滤光膜的研究与制备 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 129-132.
  • 加载中
图(5) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  342
  • HTML全文浏览量:  100
  • PDF下载量:  43
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-09
  • 修回日期:  2021-12-27
  • 刊出日期:  2022-04-07

激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备

doi: 10.3788/IRLA20210944
    作者简介:

    李子杨,男,硕士生,主要从事光学薄膜、红外光学窗口的设计与表征技术方面的研究

基金项目:  国家自然科学基金(61775167,61975150);天津市自然科学基金(19 JCZDJC38400);国家拔尖青年人才支持计划;天津市人才发展专项支持计划高层次创新团队
  • 中图分类号: O484

摘要: 在氟化钡光学元件上设计并制备多谱段减反射薄膜是提升光电系统探测性能的关键。在氟化钡基底上设计并制备了1064 nm激光/长波红外双谱段减反射薄膜。基于周期对称结构膜系导纳计算方法,以及拟合膜层周期数与参考波长的优化算法,开展了复合谱段减反射薄膜初始膜系的设计方法研究。使用热蒸发离子束辅助沉积方法制备了多层减反射薄膜。测试结果表明,该薄膜在1064 nm处透射率为94.0%,在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%。该激光/长波红外双谱段减反射薄膜具有良好的光学性能,可以应用于多模复合精确探测光电装备之中,对于提升探测系统的工作性能具有重大意义。

English Abstract

    • 随着光电探测技术的快速发展,人们对光电成像系统实施目标探测与识别的要求越来越高。1064 nm激光谱段具有良好的云雾穿透能力,具有成像分辨率高、抗干扰能力强、图像质量稳定等优势,常用于夜间暗弱目标、距离目标以及运动目标的探测、成像与识别[1-2]。8~12 μm长波红外谱段是最常用的大气窗口之一,具有探测灵敏度高、可昼夜全天时工作的优势,常用于光电探测扫描成像系统[3]。通常情况下,单一谱段的探测成像获取信息的能力有限,不能充分反映目标各个维度的特征[4-8]。为了更加充分地提取目标特征信息,充分发挥不同探测谱段、不同探测机理的优势,同时满足未来光电探测系统集成化、智能化的发展趋势,多模复合光电探测系统是当前技术发展的热点[9-12]

      复合谱段减反射薄膜是多模复合光电探测系统中的重要组成部分。近年来,国内外研究人员对复合谱段减反射薄膜的设计与制备工作开展了一系列研究。米高园[13]等人在多光谱硒化锌基底上开展了电视/激光/中波红外三谱段减反射薄膜的制备研究,样品在500~800 nm平均透射率大于97%,1064 nm激光透射率大于98%,3.7~4.8 μm平均透射率大于96.5%。付秀华[14]等人在硅基底上研制出用于短/中波红外探测系统的宽波段高透过率薄膜,样品在1.5~5 μm波段内透射率大于96.5%。Yenisoy. A[15]等人在锗基底上开展了中波红外超宽带减反射薄膜的制备,在3.4~4.8 μm范围内的平均反射率为0.256%,在3.55 μm处的反射率仅为0.005%。D. Cohen[16]等人在硫化锌与硒化锌基底上设计并制备了激光/中波红外/长波红外三谱段减反射薄膜,其设计重点在于增强1064 nm激光谱段与8~12 μm长波红外谱段的透射率,测试结果表明样品在1064 nm透射率为98.0%,在3.4~5 μm平均透射率为96.0%,在8~12 μm平均透射率为92.7%。分析国内外研究成果可知,目前研究人员对激光/长波红外复合谱段减反射薄膜的研究较少,同时对复合谱段减反射薄膜尚未有明确的设计方法。

      为了合理结合1064 nm激光高分辨率和与8~12 μm长波红外高探测灵敏度的优势,文中在BaF2基底上开展了激光/长波红外双谱段减反射薄膜的膜系设计及制备技术研究。提出了一种基于周期对称结构的初始膜系设计方法,可以显著提高后续膜系优化效率。随后开展了双谱段减反射薄膜的制备工作。研究成果可以满足多模复合光电探测系统的实际应用需求,对提升探测性能具有重要意义。

    • BaF2具有良好的光学特性,可从可见光到长波红外实现宽谱段光学减反射作用。厚度为0.5 mm的BaF2基底透射率和反射率光谱测试结果如图1所示。

      图  1  BaF2基底在1064 nm测试光谱(a)反射率曲线及(b)透射率曲线;BaF2基底在8~12 μm测试光谱(c)反射率曲线及(d)透射率曲线

      Figure 1.  Spectrum of BaF2 substrate at 1064 nm: (a) Reflectance test curve and (b) transmittance test curve; Spectrum of BaF2 substrate at 8-12 μm: (c) Reflectance test curve and (d) transmittance test curve

      分析基底的测试结果可知,BaF2在1064 nm具有93%的透射率,在8~12 μm具有平均92%的透射率。BaF2在10 μm之后的透射率下降,这是因为波长接近BaF2的长波截止限而引起的吸收增大现象。根据红外探测器工作谱段的要求,需要在BaF2基片上沉积1064 nm激光与8~12 μm长波红外双谱段减反射薄膜。具体技术要求如表1所示。

      表 1  激光/长波红外双谱段减反射薄膜技术要求

      Table 1.  Technical requirements of the laser/long-wave infrared dual-band antireflection thin-film

      ParameterTechnical requirements
      Substrate material BaF2
      Incident angle/(°) 0
      Working band/μm 1.064 8-12
      Transmittance ≥93% ≥95%

      在红外光学薄膜材料中,ZnS与YbF3具有同时满足1064 nm激光与8~12 μm长波红外谱段的光学透明性能,同时二者机械强度较高,在红外区域的吸收也相对较低[17]。因此,根据BaF2材料折射率的匹配性及材料透明区范围,选择ZnS作为高折射率材料,YbF3为低折射率材料。

      采用Sub | (0.5 H L 0.5 H )N | Air结构作为初始膜系,参考波长为λ0。其中,H代表高折射率材料ZnS在参考波长处的1/4光学厚度,L代表低折射率材料YbF3在参考波长处的1/4光学厚度。上述膜系结构由N个对称周期组成,每个周期的特征矩阵M可以表示为[18]

      $$ \begin{split} {\boldsymbol{M}} =& \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \dfrac{{{\delta _H}}}{2}}&{\dfrac{i}{{{n_H}}}\sin \dfrac{{{\delta _H}}}{2}} \\ {i{n_H}\sin \dfrac{{{\delta _H}}}{2}}&{\cos \dfrac{{{\delta _H}}}{2}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos {\delta _L}\mathop {}\limits_{}^{} }&{\dfrac{i}{{{n_L}}}\sin {\delta _L}} \\ {i{n_L}\sin {\delta _L}\mathop {}\limits_{}^{} }&{\cos {\delta _L}} \end{array}} \right] \\&\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \dfrac{{{\delta _H}}}{2}}&{\dfrac{i}{{{n_H}}}\sin \dfrac{{{\delta _H}}}{2}} \\ {i{n_H}\sin \dfrac{{{\delta _H}}}{2}}&{\cos \dfrac{{{\delta _H}}}{2}} \end{array}} \right] \end{split} $$ (1)

      式中:nHδH代表高折射率材料的折射率及位相厚度;nLδL代表低折射率材料的折射率及位相厚度。位相厚度的计算方法为:

      $$ {\delta _H} = \dfrac{{2{\text{π }}}}{\lambda }{n_H}{d_H}\cos \theta $$ (2)
      $$ \begin{split} \\ {\delta _L} = \dfrac{{2{\text{π }}}}{\lambda }{n_L}{d_L}\cos \theta \end{split}$$ (3)

      式中:dHdL分别表示高折射率膜层与低折射率膜层的物理厚度;θ为光线入射角度。在不考虑薄膜材料色散特性的条件下,对应同一参考波长、同一入射角度下的高低折射率材料位相厚度δHδL相等。令δH=δL=δ,公式(1)经过矩阵乘法运算并化简,可以求得基本周期的特征矩阵:

      $$ \begin{split} & {\boldsymbol{M}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{M_{11}}\mathop {}\limits_{}^{} }&{{M_{12}}} \\ {{M_{21}}\mathop {}\limits_{}^{} }&{{M_{22}}} \end{array}} \right] =\\ & \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{{\cos }^2}\delta - \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_H}}}{{{n_L}}} + \dfrac{{{n_L}}}{{{n_H}}}} \right){{\sin }^2}\delta }&{\dfrac{i}{{{n_H}}}\left[ {\sin \delta \cos \delta + \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_H}}}{{{n_L}}} + \dfrac{{{n_L}}}{{{n_H}}}} \right)\cos \delta \sin \delta + \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_H}}}{{{n_L}}} - \dfrac{{{n_L}}}{{{n_H}}}} \right)\sin \delta } \right]} \\ {i{n_H}\left[ {\sin \delta \cos \delta + \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_H}}}{{{n_L}}} + \dfrac{{{n_L}}}{{{n_H}}}} \right)\cos \delta \sin \delta - \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_H}}}{{{n_L}}} - \dfrac{{{n_L}}}{{{n_H}}}} \right)\sin \delta } \right]}&{{{\cos }^2}\delta - \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_H}}}{{{n_L}}} + \dfrac{{{n_L}}}{{{n_H}}}} \right){{\sin }^2}\delta } \end{array}} \right] \end{split} $$ (4)

      考虑在正入射的条件下,由于M11=M22,可以用等效单层膜的形式描述基本周期:

      $$ {\boldsymbol{M}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \Delta }&{\dfrac{i}{{H}}\sin \Delta } \\ {i{H}\sin \Delta }&{\cos \Delta } \end{array}} \right] $$ (5)

      该基本周期具有等效位相厚度Δ与等效导纳Η

      $$ \Delta = \arccos \left[ {{{\cos }^2}\delta - \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_H}}}{{{n_L}}} + \dfrac{{{n_L}}}{{{n_H}}}} \right){{\sin }^2}\delta } \right] $$ (6)
      $$ {H} = {n_H}\left[ {\dfrac{{\cos \delta {{\left( {{n_H} + {n_L}} \right)}^2} - \left( {n_H^2 - n_L^2} \right)}}{{\cos \delta {{\left( {{n_H} + {n_L}} \right)}^2} + \left( {n_H^2 - n_L^2} \right)}}} \right] $$ (7)

      对于由N个基本周期组成的整体膜系,其特征矩阵为各个基本周期特征矩阵的累乘:

      $$ \begin{split} {{\boldsymbol{M}}^N} = {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \Delta }&{\dfrac{i}{{H}}\sin \Delta } \\ {i{H}\sin \Delta }&{\cos \Delta } \end{array}} \right]^N} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos N\Delta }&{\dfrac{i}{{H}}\sin N\Delta } \\ {i{H}\sin N\Delta }&{\cos N\Delta } \end{array}} \right] \end{split} $$ (8)

      基底与薄膜组合的特征矩阵为:

      $$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} B \\ C \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos N\Delta }&{\dfrac{i}{{H}}\sin N\Delta } \\ {i{H}\sin N\Delta }&{\cos N\Delta } \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1 \\ {{n_s}} \end{array}} \right] $$ (9)

      式中:BC为光学薄膜特征运算的过程变量。膜系整体的等效导纳Y为:

      $$ Y = \dfrac{C}{B} = \dfrac{{{n_s}\cos N\Delta + i{H}\sin N\Delta }}{{\cos N\Delta + \dfrac{{i{n_s}}}{{H}}\sin N\Delta }} $$ (10)

      反射率R可以通过膜系整体等效导纳Y表示:

      $$ R = \left( {\dfrac{{1 - Y}}{{1 + Y}}} \right) \cdot {\left( {\dfrac{{1 - Y}}{{1 + Y}}} \right)^ * } $$ (11)

      经过上述数值运算,可以求得膜系整体等效导纳及反射率随波长的变化关系。取高折射率材料nH=2.29,低折射率材料nL=1.49,基底折射率ns=1.45,膜层周期数N=8,参考波长λ0=2000 nm。膜层的导纳Y决定了反射率的振幅,周期数N决定了反射率次峰的数量,HL两种材料的折射率差值决定了反射率次峰的振幅。膜系的导纳及反射率随波长的变化关系如图2所示。

      图  2  当λ0=2 000 nm, N=8时(a) 膜系导纳随波长变化曲线及(b) 膜系反射率随波长变化曲线

      Figure 2.  (a) Curve of admittance of thin-film system with wavelength and (b) curve of reflectance of thin-film system with wavelength when λ0=2 000 nm and N=8

      在不考虑基底与薄膜材料色散特性的前提下,对于波长大于参考波长的谱段,其导纳Y很小,因此上述膜系结构具有良好的长波宽带减反射效果。对于波长小于参考波长的谱段,其导纳Y的振动幅度加剧,因此其反射率随波长的变化幅度极为明显。然而,由于短波方向的干涉峰增多,理论上可以通过优化膜系结构的方式调整短波方向干涉峰的位置,实现窄带减反射效果。

      进一步调整Nλ0的值,确定最适合激光/长波红外双谱段减反射薄膜的初始膜系结构。接下来构建目标膜系的评价函数。定义评价函数:

      $$ {\text{MeritF}} = \sum\limits_{i = 1}^k {\dfrac{{{{\left[ {R\left( {{\lambda _i}} \right) - R\left( {{\lambda _t}} \right)} \right]}^2}}}{k}} $$ (12)

      在8~12 μm谱段之内等间隔采样k个数据点,记为λ1, λ2,···, λkλt为初始膜系在8~12 μm谱段之内的反射率极小值点,R(λ)表示膜系在波长λ处的反射率。使用MATLAB软件编写程序计算膜系的反射光谱极小值点λt的位置,并计算各个波长下的反射率R(λ1), R(λ2),···,R(λk)与R(λt),求解评价函数。评价函数的值越小,则初始膜系的反射率极小值点更接近目标谱段中心。优化过程中取k=100。为了降低制备难度,周期数不宜过多,选择N=8;为了防止膜层总厚度过厚,参考波长不宜过大,选择λ0≤1500 nm。经过拟合求解,得到参考波长λ0=1259 nm。此时膜系的导纳及反射率随波长变化曲线如图3所示,膜系在8~12 μm长波红外谱段具有良好的初始反射率。

      图  3  当λ0=1259 nm, N=8时(a) 膜系导纳随波长变化曲线及 (b) 膜系反射率随波长变化曲线

      Figure 3.  (a) Curve of admittance of thin-film system with wavelength and (b) Curve of reflectance of thin-film system with wavelength when λ0=1259 nm and N=8

      随后将薄膜材料的色散特性加入膜系设计中,使用Essential Macleod软件对初始膜系进行优化。考虑到BaF2基底与YbF3之间的结合性更好,故选择在基底上首先沉积一层很薄的YbF3层。对于1064 nm激光,考虑到沉积过程中引起工艺参数不稳定的环境因素,应在膜系设计时考虑一定的工艺容差,在1064 nm波长附近设置不少于80 nm的透射带宽。当膜层沉积厚度过厚时将导致膜层累计应力大,膜层稳定性差,引发脱膜问题;而当膜层沉积厚度过薄时,因膜层初始沉积速率不稳定,将导致膜层沉积厚度不稳定,引发光学性能下降等问题。基于上述考量,在优化过程中对膜层厚度的变化范围加以约束,设置膜层最大厚度为550 nm,最小厚度为30 nm。由于初始膜系具有良好的长波通特性,该初始膜系更容易收敛至目标结果。经优化后,膜系在1064 nm及8~12 μm的反射率及透射率设计曲线如图4所示。

      图  4  薄膜在1064 nm理论设计光谱(a)反射率曲线及(b)透射率曲线;薄膜在8~12 μm理论设计光谱(c)反射率曲线及(d)透射率曲线

      Figure 4.  Spectrum at 1064 nm: (a) Reflectance theoretical curve and (b) transmittance theoretical curve; Spectrum at 8-12 μm: (c) Reflectance theoretical curve and (d) transmittance theoretical curve

      对于复合谱段应用背景下的膜系结构,采用文中提出的设计方法所确定的初始膜系开展膜系优化,可快速收敛至目标设计要求,并且没有过厚层与超薄层的存在,降低了制备难度。若采用常规的初始膜系结构直接使用薄膜设计软件开展优化,将导致膜层层数过多、膜层厚度过厚等不良结果,势必会给薄膜制备工艺带来很大的困难;而在设计过程中若对膜层层数与膜层厚度加以限制,薄膜光学性能则难以达到技术要求。因此,文中提出的初始膜系结构对完善复合谱段膜系设计方法具有重要作用。

    • 采用热蒸发离子束辅助沉积的方法制备薄膜。首先使用乙醇和乙醚的混合液对BaF2基底进行清洗,确保样品表面无污垢、无尘埃粒、无擦痕。将BaF2基底装入真空室中,烘烤温度设定为150 ℃。到达烘烤温度后将真空室抽至1×10−3 Pa,并保温2 h。膜层开始沉积之前,使用霍尔离子源对基底进行二次清洗,可以增强基底与膜层的结合性,也可以起到去除基底表面杂质的作用。为了减小基底后表面引起的反射率损耗,在基板上下表面开展双面镀膜。薄膜沉积过程中的工艺参数如表2所示。

      表 2  薄膜沉积工艺参数

      Table 2.  Film deposition process parameters

      MaterialSubstrate temperature/℃Deposition rate/Å·s−1
      (1 Å=10−10 m)
      Ion beam voltage/V
      YbF31505140
      ZnS1508120
    • 测试实验样品在1064 nm的透射率曲线以及在8~12 μm长波红外谱段的透射率曲线,并与参考文献[16]的结果加以对比,如图5所示。

      图  5  薄膜在1064 nm (a)反射率曲线及(b)透射率曲线对比;薄膜在8~12 μm (c)反射率曲线及(d)透射率曲线对比

      Figure 5.  Compared spectrum at 1064 nm: (a) Reflectance test curve and (b) transmittance test curve; Compared spectrum at 8-12 μm: (c) Reflectance test curve and (d) transmittance test curve

      测试结果表明,文中所制备的薄膜在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%;1064 nm激光透射率为94.0%。测试结果与设计结果对比,10 μm之后的透射率下降,这是由于YbF3薄膜材料与BaF2基底材料的吸收增大导致的。在设计时已经将薄膜的剩余反射率控制得足够低,因此膜层在8~12 μm长波红外谱段的平均透射率满足红外探测的技术要求。与参考文献[16]的结果加以对比,文中制备的薄膜在8~12 μm长波红外谱段平均透射率比参考文献[16]的结果高约3.6%,而1064 nm激光透射率低3%。分析原因可知,膜层物理厚度的设计结果与经沉积得到的物理厚度实际结果有偏差,所制备的薄膜在1064 nm激光波长附近出现了透射带偏移现象,但在设计时已经考虑了制备工艺容差带来的影响,故1064 nm激光波长处仍然可以保证大于93%的高透射率,满足激光探测的技术要求。后续工作将分析厚度偏差,并优化制备工艺,提升膜系双谱段减反射性能。

    • 文中主要开展了以BaF2为基底的激光/长波红外双谱段减反射薄膜的膜系设计及制备技术研究。考虑到膜系优化过程中初始膜系对最终结果的影响,基于周期对称结构膜系导纳计算方法,提出了复合谱段减反射薄膜初始膜系设计方法。使用热蒸发离子束辅助沉积方法开展薄膜的制备。研制的激光/长波红外双谱段减反射薄膜1064 nm激光透射率为94.0%,在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%,具有良好的光学性能。

参考文献 (18)

目录

    /

    返回文章
    返回