宽角度宽波段增透膜及相应的红外气体传感器光源的制作方法

本实用新型涉及薄膜光学领域，尤其涉及一种气体传感器光源的增透膜，具体涉及一种宽角度宽波段增透膜及相应的红外气体传感器光源。

背景技术：

红外宽波段光源是红外气体传感器内部结构的一个重要组成部分。为了避免发光材料受到外界环境的影响，通常需要用高透光率的镜片将其封装，起到防护作用。ZnSe是一种在2μm至14μm波段范围内的透明材料，经常被用作红外宽波段光源的透射窗口。但是由于其具有较高的折射率，其透射率通常在70％左右。为了提高红外宽波段光源的出光率，需要在镜片上镀制增透膜。

增透膜通常是两种材料交替沉积在衬底上的多层膜结构，现有的增透膜在设计时较多考虑的是对正入射光实现增透，斜入射光的透射率较少作为光学性能指标加以考量。但是在红外气体传感器中，光源和探测光敏元被集成在一块印刷电路板(PCB)上。光源发出的光通过金属盖帽的内测顶部反射后进入热释电传感器，被光敏元感知后，转换成电信号，如图1所示。因此，垂直射出发光面的光是无法进入光敏元的。能够被光敏元探测到的光，是光源在某一个角度范围内射出的光。以一些产品为例，这个角度范围大约在20°到50°。在斜入射情况下，光的透射率会随着角度的增加而下降。因此，在设计用于红外气体传感器光源的增透膜时，应考虑提升该应用于红外气体传感器光源的增透膜的斜入射透过率，使其处于一个较高的水平(比如：90％以上)，以使光源射出的光能够更多地被光敏元探测到，从而提升产品的响应率。

在增透膜的设计中，光学膜系设计软件经常被使用，如徐晓峰、杜西亮、邢怀中、范滨和张凤山发表的论文，《宽角度入射400-700nm波段减反射薄膜的研究》([J].光电子·激光，2007，18(7)，886-888)。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种可为斜入射的较宽波段的光束提供较高的透射率的宽角度宽波段增透膜及相应的红外气体传感器光源。

为了实现上述目的，本实用新型的宽角度宽波段增透膜及相应的红外气体传感器光源具体如下：

该宽角度宽波段增透膜，其主要特点是，所述的宽角度宽波段增透膜基于ZnSe衬底，在所述的ZnSe衬底的上下底面均镀有相同膜系，该膜系包括四层氧化锌层和四层冰晶石层，其中氧化锌层和冰晶石层交替设置，且以氧化锌层为镀于ZnSe衬底底面的第一层，各膜层的厚度满足于使所述的宽角度宽波段增透膜对预设角度范围内、预设透光波长范围内的入射光束达到预设透射率。

较佳地，所述的预设入射角范围为20°到50°，预设透光波长为2μm至14μm，预设透射率为90％。

更佳地，第一氧化锌层到第四氧化锌层的厚度分别对应为490nm、230nm、140nm和55nm，第一冰晶石层到第四冰晶石层厚度分别对应为120nm、240nm、400nm和930nm。

具备上述的宽角度宽波段增透膜的红外气体传感器光源，其主要特点是，所述的红外气体传感器光源的出光口镀有该宽角度宽波段增透膜，用以对该红外气体传感器光源的以斜出射角度出射的光束进行增透，使镀有该宽角度宽波段增透膜的该红外气体传感器光源的出光窗口的透射率满足预设透射率。

较佳地，所述的斜出射角度的范围为20°到50°，所述的红外气体传感器光源的波长满足2μm至14μm，具备上述的宽角度宽波段增透膜的红外气体传感器光源的预设透射率为90％。

更佳地，第一氧化锌层到第四氧化锌层的厚度分别对应为490nm、230nm、140nm和55nm，第一冰晶石层到第四冰晶石层厚度分别对应为120nm、240nm、400nm和930nm。

采用本实用新型中的宽角度宽波段增透膜及相应的红外气体传感器光源，由于其在所述的ZnSe衬底的上下底面均镀有特殊设计的相同膜系，针对不同的入射光角度要求，可利用光学膜系设计软件获取不同需求下各膜层的厚度，适用于各种需求，具有广泛的应用前景，简单方便，在红外气体传感器光源上使用该增透膜时，可获取较好的增透效果。

附图说明

图1为红外气体传感器光源的内部结构示意图。

图2为本实用新型中的宽角度宽波段增透膜的膜层设置图。

图3为本实用新型中的具备上述的宽角度宽波段增透膜的红外气体传感器光源在多个角度下的窗口透过率。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

请参阅图2，该宽角度宽波段增透膜基于ZnSe衬底，在所述的ZnSe衬底的上下底面均镀有相同膜系，该膜系包括四层氧化锌层和四层冰晶石层，其中氧化锌层和冰晶石层交替设置，且以氧化锌层为镀于ZnSe衬底底面的第一层，各膜层的厚度满足于使所述的宽角度宽波段增透膜对预设角度范围内、预设透光波长范围内的入射光束达到预设透射率。

在所述的预设入射角范围为20°到50°，预设透光波长为2μm至14μm，预设透射率为90％时，第一氧化锌层到第四氧化锌层的厚度分别对应为490nm、230nm、140nm和55nm，第一冰晶石层到第四冰晶石层厚度分别对应为120nm、240nm、400nm和930nm。

上述宽角度宽波段增透膜的制备方法包括以下步骤：

(1)获取所述的ZnSe衬底的折射率，并获取所述的氧化锌层的沉积速率和折射率，以及冰晶石层的沉积速率和折射率；

(2)在光学膜系设计软件中输入步骤(1)中获取的ZnSe衬底、冰晶石层和氧化锌层的折射率，创建材料，并在其中输入预设角度范围、预设透光波长范围和预设透射率，通过所述的光学设计软件获取膜系中各个膜层的厚度；

(3)根据步骤(2)中所得各个膜层的厚度、以及步骤(1)中获取的氧化锌层的沉积速率和冰晶石层的沉积速率，逐层在所述的ZnSe衬底上沉积各个膜层。

所述的步骤(1)包括以下步骤：

(1.1)通过红外光谱仪测出ZnSe衬底的透射谱和反射谱，获取该ZnSe衬底的透反率；

(1.2)根据透反率和折射率的对应关系获取预设透光波长范围内的ZnSe衬底的折射率；

(1.3)通过磁控溅射在所述的ZnSe衬底上生长单层的氧化锌层或冰晶石层，记录溅射时的工艺参数，并通过台阶仪获取所述的氧化锌层或冰晶石层的厚度，计算该氧化锌层或冰晶石层的沉积速率；

(1.4)获取镀有该氧化锌层或冰晶石层的ZnSe衬底的透射谱；

(1.5)根据步骤(1.4)中获取的镀有该氧化锌层或冰晶石层的ZnSe衬底的透射谱，并根据步骤(1.3)中获取的所述的氧化锌层的厚度或冰晶石层的厚度获取所述的氧化锌层的折射率或冰晶石层的折射率；

(1.5)根据ZnSe衬底的折射率，以及步骤(1.4)中获取的氧化锌层的折射率和冰晶石层的折射率，以及所述的预设角度范围、预设透光波长和预设透射率获取交替设置的四层氧化锌层和四层冰晶石层的厚度。

所述的步骤(3)包括：

根据所述的冰晶石层的折射率和沉积速率，氧化锌层的折射率和沉积速率，以及步骤(1)中的获取的沉积单层膜层时的工艺参数，通过磁控溅射镀膜机逐层沉积各膜层。

由于红外气体传感器光源具有较为特殊的出射角度，出射的光具有特殊的波长，因此要满足该红外气体传感器的透射率需求，可在该红外气体传感器光源的出光口镀上该宽角度宽波段增透膜，用以对该红外气体传感器光源的以斜出射角度出射的光束进行增透，使镀有该宽角度宽波段增透膜的该红外气体传感器光源的出光窗口的透射率满足预设透射率。

所述的斜出射角度的范围为20°到50°，所述的红外气体传感器光源的波长满足2μm至14μm，具备上述的宽角度宽波段增透膜的红外气体传感器光源的预设透射率为90％。

第一氧化锌层到第四氧化锌层的厚度分别对应为490nm、230nm、140nm和55nm，第一冰晶石层到第四冰晶石层厚度分别对应为120nm、240nm、400nm和930nm。

请参阅图3，具备上述的宽角度宽波段增透膜的红外气体传感器光源具有较高的透光率，在入射该宽角度宽波段增透膜的角度为20°、30°、40°和50°的情况下，具备上述的宽角度宽波段增透膜的红外气体传感器光源的透射率可以达到90％以上，满足了设计的要求，达到了预期的增透效果。

在一种具体实施例中，整个宽角度宽波段增透膜的制备分为三个过程，分别为衬底和薄膜材料折射率的提取、软件模拟设计获取各层厚度以及多层膜的沉积，其中，衬底和薄膜材料折射率的提取具体为：

用红外光谱仪测出ZnSe衬底的透射谱和反射谱，根据透反率和折射率的关系计算出2μm至14μm波长范围内ZnSe的折射率，其中透反率和折射率的关系可以通过菲涅尔公式以及光束多次反射后的能量叠加推得。

在ZnSe衬底上，用磁控溅射的方法生长一层冰晶石层或氧化锌层，记下溅射时的工艺参数，此后在生长多层膜系中的冰晶石层或氧化锌层时应采用同样的工艺参数。用台阶仪测出冰晶石层或氧化锌层的厚度，计算出该冰晶石层或氧化锌层沉积速率。

用红外光谱仪测出镀了一层冰晶石层或氧化锌层的ZnSe衬底的透射谱，将此前已经获得的ZnSe衬底折射率和冰晶石膜厚作为已知参数，通过求解一个关于透射率和折射率之间相互关系的复杂方程可以得到冰晶石层或氧化锌层的折射率，该复杂方程可以用薄膜光学的传输矩阵法进行推导。

而软件模拟设计获取各层厚度具有如下具体过程：

将此前获得的ZnSe衬底的折射率、冰晶石的折射率和氧化锌薄膜的折射率输入专业的光学膜系设计软件，创建新材料。给出增透膜在一定波长范围(2μm至14μm)和角度范围(20°至50°)的透射率要求(大于等于90％)，选好材料后，软件将进行模拟设计，最终给出符合要求的膜系，其中每一层薄膜的厚度是进行下一步制备工作必须获得的数据。

多层膜的沉积的包括以下步骤：

根据软件设计结果中的给出的膜层厚度，结合此前获得的冰晶石层和氧化锌层的沉积速率，计算出每层膜的沉积时间。在和此前沉积单层膜时相同的工艺参数下，用磁控溅射镀膜机逐层沉积8层膜。完成后，再在ZnSe衬底的另一个底面沉积相同的8层膜，最终完成宽角度宽波段增透膜。

在一种较佳的实施例中，完成各膜层的生长后，可通过测试样品的透射谱，来验证其是否满足设计要求(某波段的光束以某种角度范围入射后是否能达到预设的透射率)。

采用本实用新型中的宽角度宽波段增透膜及相应的红外气体传感器光源，由于其在所述的ZnSe衬底的上下底面均镀有特殊设计的相同膜系，针对不同的入射光角度要求，可利用光学膜系设计软件获取不同需求下各膜层的厚度，适用于各种需求，具有广泛的应用前景，简单方便，在红外气体传感器光源上使用该增透膜时，可获取较好的增透效果。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。