陳鳳金，馬勝昔，蘇現(xiàn)軍，2，經(jīng) 凌

前言

帶通濾光片是指在一定的波段內(nèi)，只有中間一小段是高透射率的通帶，而在通帶的兩側(cè)是高反射率的截止帶。帶通濾光片作為常用的光學(xué)元件，已經(jīng)在光學(xué)、光譜學(xué)、激光、天文物理學(xué)等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。中波紅外帶通濾光片在航天、氣象、遙感等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用［2］。用于紅外制導(dǎo)探測器的濾光片常選擇某個波段高透射率的帶通濾光片，很多紅外探測器需要在液氮溫度下（77K）使用。隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，除濾光片本身光學(xué)性能的要求越來越高之外，也有越來越多的探測器應(yīng)用于特殊的相對惡劣的環(huán)境當(dāng)中，惡劣環(huán)境中的使用也給探測器的可靠性提出了新的要求。文獻［3］針對濕熱環(huán)境對減反射膜可靠性影響進行了研究，指出Ge基中波減反射膜在濕熱環(huán)境中持續(xù)時間越長，其透過率逐漸降低的現(xiàn)象。濾光片等光學(xué)元件和光學(xué)薄膜在使用過程中，能否經(jīng)受低溫對它的影響，直接決定了器件或光學(xué)系統(tǒng)能否滿足使用要求，低溫對濾光片光譜特性的影響，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效。所以，研究低溫對中波紅外帶通濾光片光譜特性的影響具有十分重要的意義。某些濾光片在低溫條件下不同程度地出現(xiàn)中心波長漂移、透過率降低、膜層附著度差等現(xiàn)象［4］；對于濾光片的低溫特性，國內(nèi)外已有相應(yīng)的研究，張麟［4－5］等人采用 Pb－GeTe材料作為膜系中心間隔層，鍍制出的10.8μm長波紅外低溫濾光片，使其在低溫下具有更好的光學(xué)性能及更強膜層附著力；李斌［6］等人研究了利用材料的異常性質(zhì)改善紅外光學(xué)薄膜器件在深低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性；蔡淵［7］等人分別采用Ge和SiO作為高低折射率膜層材料，研制了3.5μm～4.0μm低溫光譜帶通濾光片，并測試得到92K的光譜曲線相對室溫要向短波方向移動約45nm；FengWeiting［8］等人研究了多層濾光膜在低溫條件下的光學(xué)特性，指出在低溫條件下隨著溫度的降低，透過率曲線截止區(qū)有向長波方向漂移的趨勢；許榮國［9］等人提出了一種測量變溫條件下光學(xué)材料透過率溫度特性的方法，可用于測量光學(xué)材料從常溫到700℃高溫條件下變化的透過率溫度特性，但該方法能否用于測量低溫條件下其透過率溫度特性未作闡述。

本文分別以寶石片和單晶Ge為基底，用Ge和SiO作為高低折射率膜層材料，用美國Danden公司的APS 1104型鍍膜機蒸鍍膜層，制備了帶通濾光片，研究了2種基底的帶通濾光片在低溫77 K條件下持續(xù)不同時間后的光譜特性。

1 實驗部分

1.1 中波帶通濾光片的鍍制

采用macload膜系設(shè)計軟件設(shè)計中波帶通濾光膜膜系，分別以規(guī)格為φ4mm×0.3mm的寶石片和鍺片為基底（基底雙面拋光）用美國Danden公司的APS 1104型鍍膜機鍍制中波帶通濾光片。

1.2 中波帶通濾光片的低溫及光譜特性測試實驗

用專用容器盛取液氮，分別將鍍制好的中波帶通濾光片放入氟塑料制作的小提籃內(nèi)，把小提籃放入準(zhǔn)備好的液氮內(nèi)，在液氮內(nèi)充分冷卻，持續(xù)時間分別為 5min、15min、25min、35min。用Perkin Elmer公司的spectrum GX型分光光度計分別測試中波帶通濾光片在液氮中持續(xù)不同時間后的光學(xué)特性，得到透過率曲線。

1.3 中波帶通濾光片的粘接試驗。

按GJB2485－95《光學(xué)膜層通用規(guī)范》中的粘接試驗方法實施粘接試驗，用2cm寬剝離強度不低于2.74N／cm的透明膠帶紙一端牢牢地粘在膜層表面，濾光片固定，另一端長度超出濾光片表面3 cm～5cm便于手持，以垂直于膜層表面方向迅速拉起膠帶紙，觀察濾光片的膜層是否被膠帶紙粘上而脫離基底，以驗證中波帶通濾光片在液氮中持續(xù)不同時間后膜層是否脫落。

2 實驗結(jié)果與分析

用Perkin Elmer公司spectrum GX型分光光度計分別測試以寶石和Ge為基底的中波帶通濾光片在液氮中持續(xù)時間為5min、15min、25min、35min后的光學(xué)特性，圖1為以寶石為基底的中波帶通濾光片在常溫及液氮環(huán)境下持續(xù)不同時間后的透過率曲線。圖中，曲線由上到下分別為曲線A、B、C、D、E，其中曲線A為以寶石為基底的中波紅外帶通濾光片在低溫試驗前（常溫環(huán)境下）的透過率曲線，曲線B、C、D、E分別為該帶通濾光片在液氮的低溫環(huán)境中持續(xù)5min、15min、25min、35min后的透過率曲線。

圖1 寶石基中波帶通濾光片透過率曲線Fig.1 Transmittance of sapphire－substrate MWIR bandpass filter at cryogenic temperature

圖2 為以Ge為基底的中波帶通濾光片在常溫及液氮環(huán)境下持續(xù)不同時間后的透過率曲線。

圖2 Ge基中波帶通濾光片透過率曲線Fig.2 Transmittance of Ge－substrate MWIR bandpass filter at cryogenic temperature

圖2 中，曲線由上到下分別為曲線1、2、3、4、5，其中，曲線1為Ge基中波紅外帶通濾光片在低溫試驗前（常溫環(huán)境下）的透過率曲線，曲線2、3、4、5分別為該帶通濾光片在低溫（液氮）環(huán)境中持續(xù)5min、15min、25min、35min 后 的 透 過 率曲線。

由圖1和圖2可以看出，中波帶通濾光片在液氮溫度下持續(xù)的時間越長，其透過率越低，透過區(qū)域也越窄。在不考慮測試誤差的情況下，由圖1可知，以寶石為基底的中波帶通濾光片透過率曲線的中心波長在波數(shù)為2 400cm－1位置，該中波帶通濾光片在經(jīng)不同時間的低溫試驗后其最大偏移量僅為7nm；圖2中，Ge基中波紅外帶通濾光片透過率曲線的中心波長在波數(shù)為2 500cm－1位置，最大偏移量僅為5nm。

2種中波紅外帶通濾光片在低溫環(huán)境下，其通帶寬度變窄（前后截止帶的位置有向中心波長偏移）的傾向，前截止帶的最大偏移量為12nm，后截止帶的最大偏移量為7nm。由此認為，在不考慮測試誤差的情況下，在持續(xù)35min以內(nèi)，液氮環(huán)境對2種中波帶通濾光片透過率中心波長的影響很小，偏移量為5mm～7nm。當(dāng)液氮環(huán)境持續(xù)到300min時，中心波長的偏移量為13nm。在低溫條件下，中波紅外帶通濾光片中心波長的偏移，是由膜層材料折射率溫度特性和受冷收縮的特性［9］所致，膜層材料高、低折射率相對變化使中心波長和截止波長的比值發(fā)生變化［10］，進而使中心波長位置發(fā)生微量偏移。

相比于低溫環(huán)境對透過率曲線的中心波長和截止點的影響，低溫環(huán)境對通帶透過率的影響更為顯著。以寶石為基底的中波紅外帶通濾光片經(jīng)持續(xù)不同時間的液氮環(huán)境后，其通帶區(qū)透過率逐漸降低，透過率由最初常溫下的90%降低到液氮溫度持續(xù)35min后的75%，當(dāng)液氮溫度持續(xù)時間達120min時其平均透過率降至65%，透過率的降幅與低溫環(huán)境的持續(xù)時間呈線性關(guān)系，而當(dāng)液氮環(huán)境持續(xù)時間達300min后，平均透過率僅為40%。Ge基中波紅外帶通濾光片在相同的實驗條件下，透過率由常溫環(huán)境下的70%降低到液氮環(huán)境35min后的57%，而當(dāng)液氮環(huán)境持續(xù)時間達300min后，平均透過率僅為32%。相比較而言，Ge基中波紅外帶通濾光片從常溫環(huán)境到液氮環(huán)境5min之后，通帶區(qū)透過率變化較為顯著，變化量約為8%，相對于寶石材料而言，Ge材料對溫度較敏感。但充分冷卻之后，透過率的降幅與低溫環(huán)境的持續(xù)時間也呈線性關(guān)系，鍺材料的這一特性也常用于低溫溫度計［11］。

按光學(xué)元件可靠性試驗中的粘接試驗要求對2種帶通濾光片實施粘接試驗，試驗結(jié)果表明，經(jīng)持續(xù)時間為300min以內(nèi)的低溫試驗后，Ge基中波帶通濾光片和寶石基底的中波帶通濾光片未出現(xiàn)脫膜現(xiàn)象。

3 結(jié)論

對Ge基中波帶通濾光片和寶石基底的中波帶通濾光片實施了液氮低溫試驗，研究了低溫對其光譜特性的影響，得出：隨著低溫持續(xù)時間越長，中波紅外帶通濾光片透過率曲線通帶區(qū)透過率逐漸降低，低溫持續(xù)時間達300min后，2種帶通濾光片透過率均降至其常溫狀態(tài)下透過率的50%；低溫環(huán)境后，中波帶通濾光片透過率曲線中心波長出現(xiàn)5nm～7nm的微小偏移；Ge基和寶石基底的中波帶通濾光片液氮低溫下未出現(xiàn)膜層脫落現(xiàn)象。

［1］ Tang Jinfa，Gu Peifu.Modern optical thin film technology ［M］. Hangzhou： Zhejiang University Press.2006.

唐晉發(fā)，顧培夫.現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

［2］ Chen Chaoping，Shi Jiantao，Guo Rui，et al.Design and preparation of mid－infrared bandpass filter［J］.Journal of Applied Optics，2012，33（3）：595－598.

陳朝平，師建濤，郭芮，等.中紅外帶通濾光片的設(shè)計與制備［J］.應(yīng)用光學(xué)，2012，33（3）：595－598.

［3］ Chen Fengjin，Su Xianjun，Ma Shengxi，et al.Reliability of Ge－based MW antireflective films in hygrothermal environment［J］.Journal of Applied Optics.2015，36（1）：93－97.

陳鳳金，蘇現(xiàn)軍，馬勝昔，等.濕熱環(huán)境對Ge基中波減反射膜可靠性的影響［J］.應(yīng)用光學(xué)，2015，36（1）：93－97.

［4］ Zhang Lin，Zhang Suying，The application of Pb－

GeTe in deposition of low temperature long wavelength IR filters［J］.Optical Instruments，2004，26（2）：191－193.

張麟，張素英.PbGeTe材料在長波紅外低溫濾光片鍍制中的應(yīng)用［J］.光學(xué)儀器，2004，26（2）：191－193.

［5］ Zhang Lin，Zhu Lingxin，F(xiàn)an Bin.Development of miniature LWR bandpass filter used in Low temperature［J］.Optical Instruments，1998，20（5）：33－36.

張麟，朱玲心，范濱.微型低溫遠紅外帶通濾光片研制［J］.光學(xué)儀器，1998，20（5）：33－36.

［6］ Li Bin，Zhang Suying，Xie Ping，et al.Improving low－temperature performance of infrared optical coatings utilizing the abnormal refractive index of Pb1－xGexTe［J］.Optical Instruments，2004，26（2）：168－173.

李斌，張素英，謝平，等.利用Pb1－xGexTe材料的折射率異常性質(zhì)改善紅外光學(xué)薄膜的低溫性能［J］.光學(xué)儀器，2004，26（2）：168－173.

［7］ Cai Yuan，Liu Dingquan，Luo Haihan.Design and fabrication of 3.5μm～4.0μm band－pass filter working at cryogenic temperature［J］.Chinese Journal of Lasers，2012，39（1）：0107001－1－5.

蔡淵，劉定權(quán)，羅海瀚.3.5μm～4.0μm低溫光譜帶通濾光片設(shè)計與研制［J］.中國激光，2012，39（1）：0107001－1－5.

［8］ Feng Weiting，Yan Yixun.Spectral performance of multilayer filters at cryogenic temperature［J］.SPIE，1992，1765：131－135.

［9］ Xu Rongguo，Wang Lei，Yin Wanhong，et al.Measuring method of temperature coefficient of infrared optical material transmittance［J］.Journal of Applied Optics，2013，34（6）：1000－1004.

許榮國，王雷，陰萬宏，等.紅外光學(xué)材料透過率溫度特 性 測 量 方 法 ［J］.應(yīng) 用 光 學(xué)，2013，34（6）：1000－1004.

［10］Xiong Yuqing，Li Shaomei，Luo Chongtai，et al.Study on spectral shift of PbTe／ZnS infrared multilayer filters［J］.OpticalTechnique，1999，7（4）：65－67.

熊玉卿，李少梅，羅崇泰，等.碲化鉛／硫化鋅紅外多層濾光片的光譜漂移研究［J］.光學(xué)技術(shù)，1999，7（4）：65－67.

［11］Song Weirong，Bai Hongyu，Bi Yanfang.The fit of temperature－resistance characteristic curve of Germanium thermometer in low temperature［J］.Cryogenics and Superconductivit，2001，29（4）：23－27.

宋偉榮，白紅宇，畢延芳.低溫鍺電阻溫度計溫度電阻特性曲線擬合［J］.低溫與超導(dǎo)，2001，29（4）：23－27.