一种近红外波段带通滤光片及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种带通滤光片及其制备方法，尤其涉及一种近红外波段带通 滤光片及其制备方法。


背景技术：

2.先进光学系统中，常常需要在光学元器件表面镀制各种功能的薄膜，用来 改善未镀膜光学元件光能损失大、工作波段透射率低等问题，以提高光学系统 的成像质量、提升光学元件的探测精度。带通滤光膜可被用来获取所需波段光 能量，同时抑制其余波段光透射，是光学成像系统、光电探测系统的重要组成 部分。由于带通滤光膜独特的光学特性，使其在自然灾害、资源普查、遥感系 统、红外相机、多光谱成像仪器、光谱分析和航天器件以及多种军工产品中有 着广泛应用。与此同时，随着激光技术朝着大功率、高能量方向的发展，带通 滤光薄膜不仅要满足在工作波段内的较高透射率，还要满足高抗激光损伤阈值 这一关键条件。为达到特定波长范围内的滤波要求，设计并制备出性能优越、 符合要求的带通滤光膜对红外光学系统或高功率激光系统的重要性均已凸显。
3.以红外光学系统为例，可以进行夜视、导航、探测等各种应用。如被动式 红外热成像仪就是利用目标和背景自身发射的红外辐射而实施对目标和场景的 热分布成像，是夜间视觉不可或缺的一双“眼睛”。它不依赖于外来光源照 射，具有隐蔽性好，不易被电磁干扰等特点，因而被广泛应用于车载、温度探 测和空间遥感。
4.多数整机系统由光学镜头和探测器组成，为使探测器能够通过光学镜头实 现对辐射源的探测,光学镜头必须通过防护性物方窗口、透镜、反射镜、光 阑、滤光片、扫描系统等完成光学信号的时间和空间滤波，从而以给定比例和 质量实现物方空间目标和背景的分离。为保证目标最大辐射通量传送到探测 器,必须保证通过光学镜头的辐射能量损失达到最小。
5.为在特定波段实现以上目标,光学镜头中各种折射和反射元件需保证对工 作波段的辐射能量具有尽可能低的吸收率、散射率,同时具有尽可能高的透过 率和反射率,并且根据需要应能够实现一定的选择光谱能力和角度不敏感性。 在光学设计过程中材料选择和元件光学参数设计合理的同时,光学薄膜的各种 性能是关键参数之一。另一方面，系统中的成像清晰度是最重要的技术指标， 为了提高系统信噪比，减少光学表面散射光对信号的干扰，同时增强透射热辐 射能量，也需要在光学系统应用红外光学薄膜技术。
6.为了提高工作谱段探测的信噪比，常常使用各种带通滤光膜，以提高探测 器件识别目标的能力。在一些特殊的探测器设计中，为了简化整机光学系统结 构、减轻整机载荷，需要用到一种特殊的滤光片，镀制光学薄膜涂层的带通滤 光片就是其中一种。
7.值得注意的是，常规最多使用的带通滤光膜针对3.7-4.8μm的中红外波 段，是衰减最小的大气窗口，但是随着新型红外热像仪和近红外激光器的迅速 发展，不仅需要提高中波红外光电探测器的信噪比，而且对近红外1.3-2.7μm 波段附近的能量响应也提出了滤波的要求。相对于中波3.7-4.8μm的带通滤光 膜，近红外1.3-2.7μm的滤光膜不仅通带波段
更宽，而且存在着设计、双波段 薄膜材料选择、定位控制、均匀性、抑制半波凹陷干扰和透过率提升以及制备 工艺方面的多个技术难点，尤其通带透过率难以提升已经制约了光学系统性能 的有效提升。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种近红外波段带通 滤光片及其制备方法。
9.为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种近红外波段带通 滤光片，包括基底和形成在基底两侧表面上的短波通滤光膜、长波通滤光膜， 短波通滤光膜的膜系结构为sub/(0.5l h 0.5l)^m/air，m为周期数，长波通滤 光膜的膜系结构为sub/(0.5h l 0.5h)^n/air，n为周期数；
10.其中，sub为基底，l为ybf3膜层，h为zns膜层。
11.硫化锌的透射波长范围为0.38-14微米，在红外区有良好的透明性，而且 制备方法成熟，具有高均匀性、高致密性和高纯度等优点，并且与多种氟化物 低折射率材料有良好的应力匹配，镀制成膜有良好的机械性能和稳定性，因此 可以选做高折射率材料。
12.氟化镱的透射波长范围为0.25-14微米，具有良好的机械性能，且其与硫 化锌具有良好的应力匹配，成膜后不易脱落稳定性好，可选为低折射率材料。
13.优选的，滤光片基底为氧化铝。
14.优选的，短波通滤光膜的膜系结构为sub/(0.5l h 0.5l)^21/air，其参考 波长为λ1，λ1为3200nm。如图1所示，为优化计算后的短波通透过率曲线。
15.优选的，长波通滤光膜的膜系结构为sub/(0.5h l 0.5h)^35/air，其参考 波长为λ2，λ2为525nm。如图2所示，为优化计算后的长波通透过率曲线。
16.优选的，短波通滤光膜中，与基底相邻的膜层为第1层，最外层为第42 层，其膜系结构为：
17.sub/1.103h 1.070l 1.055h 1.013l 0.990h 0.989l 1.008h 0.990l0.978h 0.996l 0.998h 0.986l 0.989h 1.011l 0.999h 1.001l 1.031h1.093l 1.237h 0.132l 1.306h 1.117l 1.137h 1.123l 1.162h 1.116l1.161h 1.114l 1.092h 1.091l 1.079h 1.080l 1.091h 1.103l 1.111h1.137l 1.091h 1.125l 1.112h 1.106l 1.100h 0.551l/air。
18.优选的，长波通滤光膜中，与基底相邻的膜层为第1层，最外层为第70 层，其膜系结构为：
19.sub/0.771h 1.464l 1.598h 1.175l 0.976h 0.772l 1.260h 0.913l1.009h 1.001l 1.134h 0.910l 0.911h 1.087l 0.917h 0.982l 0.370h0.641h 1.188l 1.155h 1.233l 1.364h 1.217l 1.319h 1.231l 1.397h1.281l 1.221h 1.321l 1.352h 1.379l 1.176h 1.163l 0.597h 0.839h1.489l 1.746h 1.544l 1.632h 1.650l 1.538h 1.805l 1.544h 1.765l1.696h 1.642l 1.852h 1.529l 1.675h 1.573l 1.593h 1.998l 0.700h1.038h 2.194l 2.058h 2.009l 2.310h 2.048l 2.112h 2.370l 1.940h2.229l 2.381h 1.657l 2.687h 1.845l 1.500h 5.186l 0.005h/air。
20.图3是1.3-2.7微米带通滤光膜的设计透过率曲线图。如图3所示，在工作 波段
1.3-2.7微米内的透过率大于95％，反射区的透过率很低，平均透过率低于 1％。由于膜层数目较多，透过区内曲线波纹存在微小的起伏。曲线过渡带的斜 率满足设计要求。
21.一种近红外波段带通滤光片的制备方法，包括以下步骤：
22.(1)在基底上单面镀制短波通滤光膜
23.a.清洁基底，将基底放入真空室内，抽真空至9
×
10-3
pa～3
×
10-4
pa；
24.b.用离子源轰击基底2min～6min，加热基底至120℃～170℃，保温 30min～40min；
25.c.镀制第1层膜层，对zns膜料进行预熔，用预熔后的zns膜料对基底进行 离子轰击，真空度为9
×
10-3
pa～5
×
10-4
pa，离子轰击电压90v-130v负高压，离 击时间为8min-13min；
26.用zns膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为9
×
10-3
pa～2
×
10-4
pa，蒸发速 率为1.5nm/s-2nm/s，使zns膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法 确定第1层膜层的厚度；
27.d.镀制第2层膜层，对ybf3膜料进行预熔，用预熔后的ybf3膜料对基底进行 离子轰击，真空度为9
×
10-3
pa～2
×
10-4
pa，离子轰击电压95v-115v负高压，离 击时间为5min-8min；
28.用ybf3膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为9
×
10-3
pa～2
×
10-4
pa，蒸发速 率为0.7nm/s-1.3nm/s，使ybf3膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方 法确定第2层膜层的厚度；
29.e.依次重复步骤c和步骤d，镀制第3～42层膜层；
30.f.将镀制完成42层膜层的滤光片放置在180℃的真空室内保温2小时，然 后冷却至室温后取出单面镀制好短波通滤光膜的光学零件；
31.(2)在基底另一面镀制长波通滤光膜
32.首先重复上述步骤a-d，然后依次重复上述步骤c和步骤d，镀制第3-70层 膜层，最后重复步骤f，得到双面均镀制好的光学零件。
33.优选的，还包括将镀制完成的光学零件进行初步检验：用显微镜观察样品 薄膜表面，查看有没有起皮，薄膜是否完整是否出现破裂情况表面是否致密。
34.优选的，使用晶控方法监控薄膜沉积速率，调节功率使硫化锌和氟化镱膜 料的沉积速率分别为和
35.本发明形成的薄膜产品针对1.3-2.7μm工作波长，具备可变角入射(0
°‑ꢀ8°
)、膜层均匀性好(制备基片直径φ30mm，波长公差
±
0.07μm)、波段高 峰值透过率(1.3-2.7μm平均大于92％)、高带外抑制比(0.38μm-1.1μm&3-4 μm小于1％)、中心波长稳定性好(无漂移)、膜层损耗及应力小、牢固度高、 环境适应性强等优点。
36.本发明主要针对1.3-2.7μm近红外波段提供一种带通滤波同时抑制0.38μ m-1.1μm&3-4μm长短波干扰能量的介质薄膜涂层，其本身具有高透射率、带 通滤波、可靠性好、环境适应性强的特性，可以在热像仪、分析仪器及各类先 进的光学系统中得到广泛应用，可用于1.3-2.7μm近红外波段工作波长各类激 光器、热像仪、探测系统、感温仪、车辅装置、生化分析、光谱测量、安防检 查以及其它光学系统。
附图说明
37.图1为本发明优化计算后的短波通透过率曲线图。
38.图2为本发明优化计算后的长波通透过率曲线图。
39.图3为本发明带通滤光片的设计透过率曲线图。
40.图4为本发明带通滤光片的实际测试光谱曲线图。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
42.实施例1
43.如图1-3所示的一种近红外波段带通滤光片，包括基底和形成在基底两侧 表面上的短波通滤光膜、长波通滤光膜，该滤光片的膜系结构为：
44.21^(0.5l h 0.5l)|al2o3|(0.5h l 0.5h)^35
45.其中，21^(0.5l h 0.5l)为正面的短波通滤光膜，其参考波长为λ1，λ 1
为3200nm；
46.(0.5h l 0.5h)^35为反面的长波通滤光膜，其参考波长为λ2，λ2为 525nm；l为ybf3膜层，h为zns膜层。
47.短波通滤光膜中，与基底相邻的膜层为第1层，最外层为第42层，其膜系 结构为：
48.sub/1.103h 1.070l 1.055h 1.013l 0.990h 0.989l 1.008h 0.990l0.978h 0.996l 0.998h 0.986l 0.989h 1.011l 0.999h 1.001l 1.031h1.093l 1.237h 0.132l 1.306h 1.117l 1.137h 1.123l 1.162h 1.116l1.161h 1.114l 1.092h 1.091l 1.079h 1.080l 1.091h 1.103l 1.111h1.137l 1.091h 1.125l 1.112h 1.106l 1.100h 0.551l/air。
49.[0050][0051]
长波通滤光膜中，与基底相邻的膜层为第1层，最外层为第70层，其膜系 结构为：
[0052]
sub/0.771h 1.464l 1.598h 1.175l 0.976h 0.772l 1.260h 0.913l1.009h 1.001l 1.134h 0.910l 0.911h 1.087l 0.917h 0.982l 0.370h0.641h 1.188l 1.155h 1.233l 1.364h 1.217l 1.319h 1.231l 1.397h1.281l 1.221h 1.321l 1.352h 1.379l 1.176h 1.163l 0.597h 0.839h1.489l 1.746h 1.544l 1.632h 1.650l 1.538h 1.805l 1.544h 1.765l1.696h 1.642l 1.852h 1.529l 1.675h 1.573l 1.593h 1.998l 0.700h1.038h 2.194l 2.058h 2.009l 2.310h 2.048l 2.112h 2.370l 1.940h2.229l 2.381h 1.657l 2.687h 1.845l 1.500h 5.186l 0.005h/air。
[0053]
[0054][0055]
该近红外波段带通滤光片的制备方法，包括以下步骤：
[0056]
(1)在al2o3基底上单面镀制短波通滤光膜
[0057]
a.清洁al2o3基底，清洁方法可采用超声波清洗或酒精擦拭。超声波清洗多 用于形状规则，表面耐超声强度的情况；擦拭方式多用于单面有薄膜或表面易 损伤的情况，工具可采用脱脂白布、无水乙醇和滴瓶。
[0058]
b.镀前用离子源轰击基底2min，烘烤基底，将清洗好的基底放入准备好的 夹具中，然后再将夹具放入高真空镀膜设备中，抽真空至9
×
10-3
pa，加热基底 至120℃，保温30min；
[0059]
c.镀制第1层膜层，对zns膜料进行预熔，用预熔后的zns膜料对基底进行 离子轰击，真空度为9
×
10-3
pa，离子轰击电压90v负高压，离击时间为8min；
[0060]
用zns膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为9
×
10-3
pa，蒸发速率为 1.5nm/s，使zns膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法确定第1层 膜层的厚度；
[0061]
d.镀制第2层膜层，对ybf3膜料进行预熔，用预熔后的ybf3膜料对基底进行 离子轰
击，真空度为9
×
10-3
pa，离子轰击电压95v负高压，离击时间为5min；
[0062]
用ybf3膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为9
×
10-3
pa，蒸发速率为 0.7nm/s，使ybf3膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法确定第2层 膜层的厚度；
[0063]
e.依次重复步骤c和步骤d，镀制第3～42层膜层；
[0064]
f.将镀制完成42层膜层的滤光片放置在180℃的真空室内保温2小时，然 后冷却至室温后取出单面镀制好短波通滤光膜的光学零件；
[0065]
(2)在基底另一面镀制长波通滤光膜
[0066]
首先重复上述步骤a-d，然后依次重复上述步骤c和步骤d，镀制第3-70层 膜层，最后重复步骤f，得到双面均镀制好的光学零件。
[0067]
还包括将镀制完成的光学零件进行初步检验：用显微镜观察样品薄膜表 面，查看有没有起皮，薄膜是否完整是否出现破裂情况表面是否致密。
[0068]
使用晶控方法监控薄膜沉积速率，调节功率使硫化锌和氟化镱膜料的沉积 速率分别为和
[0069]
实施例2
[0070]
本实施例与实施例1相比，存在着以下不同：
[0071]
b.镀前用离子源轰击基底6min，烘烤基底：抽真空至3
×
10-4
pa，加热基底 至170℃，保温40min；
[0072]
c.镀制第1层膜层，对zns膜料进行预熔，用预熔后的zns膜料对基底进行 离子轰击，真空度为5
×
10-4
pa，离子轰击电压130v负高压，离击时间为 13min；
[0073]
用zns膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为2
×
10-4
pa，蒸发速率为2nm/s， 使zns膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法确定第1层膜层的厚 度；
[0074]
d.镀制第2层膜层，对ybf3膜料进行预熔，用预熔后的ybf3膜料对基底进 行离子轰击，真空度为2
×
10-4
pa，离子轰击电压115v负高压，离击时间为 8min；
[0075]
用ybf3膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为2
×
10-4
pa，蒸发速率为 1.3nm/s，使ybf3膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法确定第2层 膜层的厚度。
[0076]
实施例3
[0077]
本实施例与实施例1相比，存在着以下不同：
[0078]
b.镀前用离子源轰击基底4min，烘烤基底：抽真空至1
×
10-4
pa；加热基底 至136℃，保温33min；
[0079]
c.镀制第1层膜层，对zns膜料进行预熔，用预熔后的zns膜料对基底进行 离子轰击，真空度为1
×
10-4
pa，离子轰击电压102v负高压，离击时间为 10min；
[0080]
用zns膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为1
×
10-4
pa，蒸发速率为 1.7nm/s，使zns膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法确定第1层 膜层的厚度；
[0081]
d.镀制第2层膜层，对ybf3膜料进行预熔，用预熔后的ybf3膜料对基底进行 离子轰击，真空度为1
×
10-4
pa，离子轰击电压102v负高压，离击时间为6min；
[0082]
用ybf3膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为1
×
10-4
pa，蒸发速率为 0.9nm/s，使ybf3膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法确定第2层 膜层的厚度。
[0083]
实施例4
[0084]
本实施例与实施例1相比，存在着以下不同：
[0085]
b.镀前用离子源轰击基底5min，烘烤基底：抽真空至2
×
10-4
pa；加热基底 至152℃，保温36min；
[0086]
c.镀制第1层膜层，对zns膜料进行预熔，用预熔后的zns膜料对基底进行 离子轰击，真空度为3
×
10-4
pa，离子轰击电压116v负高压，离击时间为 12min；
[0087]
用zns膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为1
×
10-4
pa，蒸发速率为 1.8nm/s，使zns膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法确定第1层 膜层的厚度；
[0088]
d.镀制第2层膜层，对ybf3膜料进行预熔，用预熔后的ybf3膜料对基底进行 离子轰击，真空度为1
×
10-4
pa，离子轰击电压108v负高压，离击时间为7min；
[0089]
用ybf3膜料进行蒸镀，蒸镀时真空室压强为1
×
10-4
pa，蒸发速率为 1.1nm/s，使ybf3膜料离子沉积在基底上，采用石英晶体监控的方法确定第2层 膜层的厚度。
[0090]
对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制得的四种近红外波段带通滤光 片进行光谱特性测试。
[0091]
薄膜样片光谱特性通过安捷伦3100傅立叶红外光谱仪(测试波长范围 1.44um至24um，特征分辨率0.01um)和carry5000分光光度计(可测量的光谱 范围为175-3300nm，光谱分辨率小于0.2nm)分别进行光谱特性测试。氧化铝 基片光学面型，局部光圈和表面粗糙度为n＝0.5,rms＝0.4nm。透射带1.3-2.7 μm的工作波段内平均透过率约为95％，波段高峰值透过率1.3-2.7μm平均大于 92％，反射区平均透过率仅为1％。光谱透射曲线过渡带陡度满足要求，符合带 通滤光膜设计要求。氧化铝基片光学面型，局部光圈和表面粗糙度为 n＝1,δn＝0.5。
[0092]
实测光谱曲线如图4所示，本发明形成的薄膜产品，主要技术指标达到 1.3-2.7μm的工作波段范围，满足可变角入射角(0
°‑8°
)，截止波段为 0.38μm-1.1μm&3-4μm，透射波段平均透射率大于等于92％，截止深度小于等 于2％，通带宽度为1.4
±
0.2μm的设计要求。
[0093]
光谱测试后将薄膜试样放入高低温试验箱内，由室温降到－45℃
±
2℃， 温度的变化速率不大于2℃/min，保持4小时，取出样品，放置到室温，然后放 入湿热箱内，温度60
±
2℃，然后湿度到95％～98％，保持12小时，取出试验 样品，用脱脂布蘸无水乙醇，将膜层表面擦拭干净后在显微镜下观察，膜面无 明显瑕疵、斑点以及脱落现象，采用剥离法对薄膜力学特性进行检测，同样通 过了可靠性验证。
[0094]
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本 技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或 替换，也均属于本发明的保护范围。