本發(fā)明屬于光學(xué)元件設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可滿足80K低溫環(huán)境使用的1240nm短波紅外窄帶濾光片及其制備方法。

背景技術(shù)：

短波紅外窄帶濾光片在光學(xué)分析儀器、光學(xué)探測器方面都有廣闊的應(yīng)用前景，主要用于對地成像觀測和光譜分析監(jiān)測，我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項，也對短波窄帶濾光片提出了研發(fā)需求。

大視場紅外多光譜掃描儀用短波紅外窄帶濾光片，要求通帶平均透過率高、抑制帶截止深度深、通帶波紋系數(shù)小、截止范圍寬，可適用于80K低溫和地面環(huán)境條件，具有高可靠性和高穩(wěn)定性。

由于短波紅外窄帶濾光片是封裝在探測器前使用，工作環(huán)境特殊，其需滿足從低溫極限值80K到高溫極限值80℃的瞬間溫度沖擊，采用常規(guī)方法制備濾光片，會出現(xiàn)低溫下濾光片中心波長漂移和膜層脫落的現(xiàn)象，低溫短波紅外窄帶濾光片一直是光學(xué)薄膜研究的重點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是：提供一種短波紅外窄帶濾光片及其制備方法，以提高光譜掃描儀分辨率和成像質(zhì)量。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種短波紅外窄帶濾光片，其包括：基板2和形成在基板2兩側(cè)表面上的正面膜系和反面膜系，正面膜系為：A/(HL)⁴L(HL)⁸L(HL)⁸L(HL)⁴1.64H0.64L/S，反面膜系為：A/(0.5HL0.5H)¹¹α(0.5HL0.5H)¹²β(0.5LH0.5L)⁷γ(0.5LH0.5L)¹⁰ω(0.5LH0.5L)¹⁰/S；膜系中的符號含義：A為空氣，S為H-K9L玻璃基底，H為高折射率材料五氧化二鈦，L為低折射率材料二氧化硅，α、β、γ和ω分別表示各膜系中心波長與中心波長的倍數(shù)。

其中，所述基板2選用直徑為20mm、厚度為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″，表面光潔度B＝Ⅴ。

其中，所述反面膜系中，α＝0.845，β＝1.55，γ＝2.2，ω＝2.7。

本發(fā)明還提供了一種短波紅外窄帶濾光片的制備方法，其包括以下步驟：

S1：真空室清潔；

S2：鍍膜前基片清洗；

S3：真空室準(zhǔn)備

在真空室電子槍坩堝內(nèi)預(yù)置鍍膜材料；

S4：膜層鍍制

打開離子源，用離子束清洗基板，離子源采用氬氣作為工作氣體，利用離子束輔助的電子束蒸鍍方法進(jìn)行膜層沉積。

其中，所述步驟S4中，膜層鍍制中，二氧化鈦膜沉積時，離子源氬氣氣體流量18±2sccm，氧氣氣體流量25±3sccm，離子源束壓180V～250V，離子源束流80V～120V，控制沉積速率0.2-0.5nm/s；二氧化硅膜沉積時，離子源氬氣氣體流量18±2sccm，氧氣氣體流量12±2sccm，離子源束壓180V～220V，離子源束流80V～110V，沉積速率0.5-1nm/s。

其中，所述步驟S4中，所述離子源的工作氣體氬氣純度不小于99.995％，氣體流量18sccm-22sccm。

其中，所述步驟S4中，膜層鍍制前，將基片加熱到200±10℃，并保持1h。

其中，所述步驟S1中，用噴砂機(jī)清洗鍍膜機(jī)真空室防護(hù)屏、電極、擋板和工裝，然后用脫脂紗布蘸無水乙醇擦凈真空室；所述步驟S2中，依次用脫脂紗布和脫脂棉布蘸體積比1：1的乙醇、乙醚混合溶液擦凈基片表面。

其中，所述步驟S3中，所述電子槍坩堝內(nèi)預(yù)置鍍膜材料純度不小于99.99％，預(yù)置鍍膜材料的量滿足：1000mm鍍膜機(jī)，二氧化鈦、二氧化硅分別為100g、150g。

其中，還包括步驟S5：基板降溫，在真空不低于2×10^-3Pa，降溫到80±8℃，關(guān)閉抽真空系統(tǒng)，真空室降到室溫后取出沉積鏡片。

(三)有益效果

上述技術(shù)方案所提供的短波紅外窄帶濾光片及其制備方法，濾光片達(dá)到優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)，無需使用顏色玻璃，背景深度高，具有中心波長為1240nm的紅外窄帶濾光片透過光譜，透射帶的上升和下降沿陡度小于0.5％，通帶平均透過率達(dá)80％，截止帶平均透過率小于0.5％，可起到限制光譜范圍，抑制背景干擾，提高目標(biāo)分辨率；濾光片性能穩(wěn)定，波長漂移量為0.0036nm/℃，即從80℃到80K波長向短波漂移約1nm，能耐80K到80℃的瞬間溫度沖擊，已實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

附圖說明

圖1為1240nm窄帶濾光片正面與反面膜層排列示意圖，其中1面為正面膜系，2為基板，3面為反面膜系。

圖2為本實施例濾光片在低溫(80K)下1240nm窄帶濾光片光譜透過率與波長的實例曲線。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明通過設(shè)計、試驗，研制出一種中心波長為1240nm的短波紅外窄帶濾光片，它以K9玻璃為基底，五氧化二鈦和二氧化硅為膜層材料，采用真空薄膜沉積方法制備，制備濾光片帶寬20nm，透過率80％，在全波段光譜范圍內(nèi)，除主峰通帶外，全截止，產(chǎn)品光學(xué)性能、膜層的物理強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性滿足實際使用要求。

具體地，參照圖1所示，本實施例短波紅外窄帶濾光片包括基板2和形成在基板2兩側(cè)表面上的正面膜系和反面膜系，正面膜系為：A/(HL)⁴L(HL)⁸L(HL)⁸L(HL)⁴1.64H 0.64L/S，反面膜系為：A/(0.5HL0.5H)¹¹α(0.5HL0.5H)¹²β(0.5LH0.5L)⁷γ(0.5LH0.5L)¹⁰ω(0.5LH0.5L)¹⁰/S；膜系中的符號含義：A為空氣，S為H-K9L玻璃基底，H為高折射率材料五氧化二鈦，L為低折射率材料二氧化硅，α、β、γ和ω分別表示各膜系中心波長與中心波長的倍數(shù)。

其中，基板2選用直徑為20mm、厚度為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″，表面光潔度B＝Ⅴ；

反面膜系中，α＝0.845，β＝1.55，γ＝2.2，ω＝2.7。

本實施例膜系的優(yōu)點是能夠避免單面膜層厚度增加對鍍膜后濾光片所產(chǎn)生的膜層應(yīng)力、面型等問題，可望使累積應(yīng)力趨向于零，同時為避免薄膜應(yīng)力對基片面型的影響，在膜系設(shè)計和薄膜制備過程中使兩面沉積膜層應(yīng)力抵消，以實現(xiàn)濾光片總體應(yīng)力趨于零。

基于上述結(jié)構(gòu)的短波紅外窄帶濾光片，其制備方法包括以下步驟：

第一步，真空室清潔

用噴砂機(jī)清洗鍍膜機(jī)真空室防護(hù)屏、電極、擋板和工裝，清洗后，被清洗件表面不得有膜層附著，然后用脫脂紗布蘸無水乙醇擦凈真空室。

第二步，鍍膜前清洗

依次用脫脂紗布和脫脂棉布蘸濕乙醇、乙醚混合溶液(體積比1：1)擦凈表面，并用“哈氣法”檢驗?zāi)颖砻?，直至無油污、塵粒、擦痕為止。

第三步，真空室準(zhǔn)備

將適量的鍍膜材料二氧化鈦、二氧化硅放入電子槍坩堝內(nèi)(對于1000mm鍍膜機(jī)，二氧化鈦、二氧化硅分別為100g、150g)，鍍膜材料純度不小于99.99％，用洗耳球吹基片表面，然后立即關(guān)閉真空室門。

第四步，膜層鍍制

真空度不低于2×10^-3Pa，打開旋轉(zhuǎn)架開關(guān)，旋轉(zhuǎn)工件架，打開烘烤，設(shè)定烘烤溫度。再依次打開電子槍偏轉(zhuǎn)電源、燈絲電源及槍高壓。

打開離子源，用離子束清洗基板5min，離子源采用氬氣作為工作氣體，工作氣體純度不小于99.995％，氣體流量18sccm-22sccm(最佳值20sccm)，利用離子束輔助的電子束蒸鍍方法進(jìn)行膜層沉積。

將基片加熱到200±10℃，并保持1h。

按設(shè)計膜系，將二氧化鈦和二氧化硅交替蒸鍍到基板的二個面上。鍍膜材料沉積參數(shù)如下：

(1)二氧化鈦膜沉積

離子源氬氣氣體流量18±2sccm，氧氣氣體流量25±3sccm，離子源束壓180V～250V，離子源束流80V～120V，調(diào)節(jié)電子槍電流，充分均勻預(yù)熔膜料，打開擋板，控制沉積速率0.2-0.5nm/s；

采用此工藝參數(shù)進(jìn)行二氧化鈦膜沉積，可提高膜層的聚集密度，控制薄膜張應(yīng)力和壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，避免二氧化鈦的折射率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)低溫漂移。

(2)二氧化硅膜沉積

離子源氬氣氣體流量18±2sccm，氧氣氣體流量12±2sccm，離子源束壓180V～220V，離子源束流80V～110V，調(diào)節(jié)電子槍電流，充分均勻預(yù)熔膜料，打開擋板，沉積速率0.5-1nm/s；

采用此工藝參數(shù)進(jìn)行二氧化硅膜沉積，可提高膜層的聚集密度，提高氧化硅膜高低溫環(huán)境適應(yīng)性。

第五步，基板降溫。

在真空不低于2×10^-3Pa，降溫到80±8℃，關(guān)閉抽真空系統(tǒng)，真空室降到室溫后取出沉積鏡片。

參照圖2所示，本實施例濾光片性能穩(wěn)定，波長漂移量為0.0036nm/℃，即從80℃到80K波長向短波漂移約1nm，能耐80K到80℃的瞬間溫度沖擊，已實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。