付秀華，張?zhí)煜?，熊仕富，林兆文，王?/p>

（1 長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

（2 長春理工大學中山研究院，廣東 中山 528436）

（3 天津理工大學 功能晶體研究院，天津 300384）

0 引言

隨著紅外探測技術的飛速發(fā)展，紅外探測器在航空航天、氣象遙感和紅外制導等領域都有著極其重要的作用［1-3］。其主要由光學掃描系統(tǒng)、紅外接收光學系統(tǒng)、紅外探測器組件、信息處理器、顯示裝置構成［4］。其中紅外濾光片作為一種新型的無源光學元件是紅外探測器組件的關鍵組成部分。超高速飛行器在氣動加熱效應的影響下，會在工作窗口前端形成激波［5］，致使紅外探測器的光學窗口溫度大幅度升高，在傳輸過程中產(chǎn)生的紅外輻射直接被光學元件匯聚到探測器上，導致在紅外圖像上形成很強的亮背景，信噪比大幅降低，嚴重影響對目標的識別精度，所以選擇合適的工作波段、降低其影響尤為重要［6-7］。CO2氣體輻射能量主要集中在4.15～4.4 μm 波段［8］，在中紅外探測器傳輸圖像過程中影響較為強烈，針對這一輻射能量，研制出能夠抗CO2氣體輻射的紅外負濾光片至關重要。

在中紅外3.7～4.8 μm 波段，2015 年，王航等進行了基于長短波通膜系結構，研究了3.7～4.2 μm 波段透射率為80%的單通道寬帶濾光片［9］。2019 年，程海娟等基于增透膜系，研究了其波段平均透射率為98.8%，以LaF3、Ge 和ZnS 為鍍膜材料的中紅外增透膜［10］。2019 年，岳威等基于帶通濾光膜系，研究了透射率平均值大于92%，截止波段透射率平均值小于1%的寬帶通濾光膜［11］。據(jù)所查資料顯示，針對阻斷3.7～4.8 μm波段內(nèi)CO2氣體輻射濾光片的研究鮮有報道，本文對此進行了研究，以促進中紅外探測技術的發(fā)展。

1 材料選擇

1.1 技術參數(shù)

綜合考慮中紅外探測器使用要求及制備工藝，所選基板為非球面透鏡可實現(xiàn)多角度入射，設計的負濾光片截止帶寬為0.25～0.3 μm，在3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 處實現(xiàn)高透射，在4.15～4.4 μm 和5.15～5.5 μm 處實現(xiàn)高截止。

1.2 基底與膜料性能研究

中紅外波段常用的基底材料有Ge 材料和Si材料，其基板光譜曲線如圖1 所示，Si 基板折射率 約為3.4（λ=4 μm），Ge 基板折射率約為4.2（λ=4 μm），兩種基板材料均屬高折射率材料，在制備透鏡過程中可以合理控制面型，得到小矢高的透鏡，降低透鏡加工的難度。但Ge 材料折射率隨溫度變化的系數(shù)相對Si 材料偏大，增加了光學設計的難度，所以選用Si 材料作為基底材料更為適合。

表1 薄膜材料的基本參數(shù)Table1 Basic parameters of thin film materials

紅外膜層較厚，選用折射率差值較大的鍍膜材料組合，更有利于膜系的優(yōu)化及減少整體膜層厚度，有效提高實際制備可行性。其中Ge 折射率最高，在3.65～4.85 μm 波段處擁有良好的透明特性，且蒸發(fā)特性穩(wěn)定，因此選擇Ge 為高折射率材料。同時薄膜材料之間應力失配，會引發(fā)膜層裂膜、起皮等問題。根據(jù)查閱文獻及以往鍍膜工藝的總結，Ge 與YbF3之間的組合情況并不理想，出現(xiàn)脫膜、裂膜的風險很大［12］。SiO 材料性能不穩(wěn)定，在空氣中產(chǎn)生鈍化反應氧化形成SiO2。ZnS 作為常用的紅外材料，聚集密度高，膜層致密性強，且Ge 在電子束蒸發(fā)后呈現(xiàn)張應力，ZnS 在電阻加熱蒸發(fā)后呈現(xiàn)壓應力，張應力與壓應力的交替可以減小膜層總應力，從而使總體膜系更加牢固，相對于其他鍍膜材料來說，Ge 和ZnS 作為高低折射率材料所產(chǎn)生的吸收較小，可獲取更高通帶透射率。

確定負濾光膜截止帶寬度2Δg為［13］

式中，ω為峰值半寬度，Tmin為最小透射率。兩種材料折射率比值為

式中，nH為高折射率材料，nL為低折射率材料，經(jīng)計算后，Ge 和ZnS 的折射率比值匹配。

故負濾光膜材料選擇為Ge 和ZnS，兩種材料經(jīng)過沉積單層膜實驗后借助OptiLayer 軟件擬合后得到材料折射率如圖2 所示。

2 膜系設計

負濾光片是指在特定光譜中阻止某波段光譜透射的濾光片。目前主要的方法有折射率漸變法、非均勻膜法、高低折射率膜堆法。折射率漸變法是通過在鍍膜過程中工藝參數(shù)不斷變化，得到折射率規(guī)律變化的薄膜，以此來消除截止帶兩側透射帶的波紋，但由于折射率變化有限，透射帶仍有波紋的存在。非均勻膜法是通過兩種或多種材料共蒸發(fā)，得到新的材料，此辦法對每種材料的蒸發(fā)均需精準控制，制備難度高；而高低折射率膜堆法是負濾光片主要的設計辦法，針對本文的指標要求，主要應用高低折射率比例膜系結構設計法。

2.1 負濾光膜系設計

為符合設計需求，選用初始膜系結構Sub | 0.5L H（LαH）^S0.5L | Air，根據(jù)對稱膜系等效層理論可以得到截止帶半寬度Δg為［13］

式中，nH和nL分別表示高低折射率材料。取nH=4.1，nL=2.4，則Δg約為160 nm，通過改變α值可以改變截止帶的寬度，改變周期數(shù)S值可以改變截止帶深度。使用OptiLayer 軟件將目標值代入并進行全局優(yōu)化，最后根據(jù)光譜需求設定S值為13，α值為4，中心波長λ0為3.5 μm，則初始膜系結構為Sub | 0.5L H（L 4H）^13 L |Air。

總之，雖然情感態(tài)度與價值觀目標在目前教學中確實還存在著很大問題，但我相信隨著時代的發(fā)展和教師教學研究的深入，這一目標的實現(xiàn)會越來越好。

優(yōu)化后得到前表面膜系為Sub | 1.992H 2.049L 2.031H 1.909L 1.807H 0.319L 2.220H 2.022L 2.208H 1.205L 1.616H 0.168L 2.687H 0.657L 2.553H 2.151L 1.116H 1.120L 2.243H 1.082L 2.803H 1.021L 1.062H 2.476L 0.706H 1.180L 2.633H 1.732L 4.307H 0.988L 2.535H 2.055L 2.403H 1.377L | Air，經(jīng)過優(yōu)化后的負濾光膜層總厚度為16.718 μm。圖3 為單面和雙面鍍膜理論光譜曲線，即出射介質(zhì)分別為Si 和空氣，負濾光膜在4.15～4.4 μm、5.15～5.5 μm 波段截止，在3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 波段高透射。

因負濾光膜系為非規(guī)整膜系，在沉積過程中易出現(xiàn)薄膜材料比例失配情況，造成通帶光譜出現(xiàn)次峰、漂移問題，使用OptiLayer 軟件引入比例失配后對光譜進行分析，圖4（a）為1.01H∶0.99L與0.99H∶1.01L 比例失配光譜，圖4（b）為1.02H∶0.98L 與0.98H∶1.02L 比例失配光譜。

在沉積過程中因基板與石英晶振片位置不同，沉積厚度存在差異，為精準控制膜厚，分別沉積單層Ge膜與單層ZnS 膜實驗計算沉積材料的Tooling 值，計算后得到Ge 膜層Tooling 值為134%，ZnS 膜層Tooling值為186%。

2.2 紅外增透膜設計

根據(jù)使用要求需在3.65～4.85 μm 波段處實現(xiàn)高透射，YbF3通常用做紅外增透膜的最外層，進而提高寬波段的透射率并降低膜層總厚度。YbF3折射率如圖5 所示。中心波長λ0選擇4.2 μm，使用OptiLayer 軟件進行全局優(yōu)化，考慮到膜層的機械強度，在膜系最外層鍍制ZnS 保護膜［14］。優(yōu)化后得到的膜系結構為Sub |0.323H 0.480L 0.237H 0.247L 0.816M 0.086L | Air，經(jīng)過優(yōu)化后的紅外增透膜光譜曲線如圖6 所示，在3.65～4.85 μm 波段平均透射率為99.96%。

將負濾光膜和紅外增透膜組合后得到完整負濾光膜系，在3.65～4.85 μm 波段光譜曲線如圖7 所示。

3 薄膜制備

實驗使用的設備為JASOC-1350 型箱式真空鍍膜機，配有Telemark-TT-10 型電子槍、霍爾離子源、XTC/3 晶體膜厚控制儀及六點旋轉式探頭晶控系統(tǒng)，工件盤為二級行星盤。在實驗開始前，首先對非球面單晶硅基板進行擦拭，由于非球面基板無法使用紅外傅里葉光譜儀直接測試，因此放入具有相同折射率與消光系數(shù)的平面Si 基板作為陪鍍片進行光譜測試，Ge 薄膜采用電子束蒸發(fā)，ZnS、YbF3薄膜采用電阻蒸發(fā)。沉積工藝參數(shù)見表2。

表2 Ge、ZnS、YbF3沉積工藝參數(shù)Table 2 Deposition parameters of Ge、ZnS、YbF3

恒溫時間達到120 min 后開始沉積，沉積開始前使用霍爾離子源對Si 基板進行10 min 離子束轟擊，為提高基底和膜層的結合力，在前兩層添加離子束輔助沉積，沉積結束后，采用相同的工藝制備紅外增透膜。離子源參數(shù)如表3 所示。

表3 離子源工藝參數(shù)Table 3 Technological parameters of ion source

4 測試結果及分析

使用Perkin-Elmer 公司生產(chǎn)的Spectrum Two 型傅里葉紅外光譜儀進行測試，單面負濾光膜光譜曲線如圖8 所示，紅外增透膜光譜曲線如圖9 所示。

根據(jù)圖8 可知，通帶內(nèi)有較多的次峰，且通帶透射率低于設計透射率。分析實驗結果及制備過程可知，造成此差異的原因可能是在沉積過程中出現(xiàn)了膜厚監(jiān)控誤差，因此使用OptiLayer 軟件對負濾光膜系中各層進行敏感度分析，結果如圖10 所示。

可以看出在整個膜系中第13、15、17 和21 層敏感度較高，對膜系影響較大，進一步反演分析后發(fā)現(xiàn)，實測光譜曲線透射率下降主要由第17 和21 層厚度監(jiān)控誤差過大導致。對負濾光膜系中最敏感的第17 和21層引入1%～3%的隨機誤差，觀察誤差對其光譜曲線影響，引入誤差后光譜曲線如圖11 所示。在引入誤差后對4.15～4.4 μm、5.15～5.5 μm 截止區(qū)域幾乎無影響，但對其通帶的透射率影響較為強烈。故對其晶振切換策略展開研究。

在薄膜沉積過程中，監(jiān)控方式主要是通過監(jiān)測石英振動頻率變化測量膜層厚度［15］，膜層厚度與石英晶振頻率為線性關系，薄膜在沉積過程中隨著薄膜厚度的增加，石英振動頻率會隨之下降，探測的準確性也會隨之發(fā)生變化，經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)，這些變化在低敏感層并不會導致光譜明顯變化，在高敏感層中，微小的厚度誤差也會嚴重影響到光譜特性。根據(jù)設計膜系發(fā)現(xiàn)敏感層主要為Ge 膜層，通過多次試驗分析后發(fā)現(xiàn)將晶振切換設定在Ge 膜層時，可減少敏感層厚度誤差對光譜曲線影響。晶振切換參數(shù)見表4。

表4 晶振切換參數(shù)Table 4 Crystal switching parameters

修改晶振參數(shù)后再次沉積負濾光膜實驗，測試光譜曲線如圖12 所示，通帶內(nèi)次峰明顯減少，陪鍍片在3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 波段處平均透射率分別為65.05%和64.66%，在4.15～4.4 μm 和5.15～5.5 μm波段處最大透射率分別為2.09%和0.23%。

在設計優(yōu)化前表面和后表面實驗的基礎上，進行完整的負濾光片沉積實驗，陪鍍片光譜測試曲線如圖13 所示，樣片如圖14 所示。在高透射區(qū)域3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 的平均透射率分別為87.04%和89.79%，最小透射率為83.44%和87.03%，截止區(qū)域4.15～4.4 μm、5.15～5.5 μm 平均透射率分別為0.87%和0.23%，最大透射率分別為2.42%和0.64%。

為保證薄膜的環(huán)境適應性，根據(jù)國軍標GJB2485A-1995 要求進行對負濾光片進行測試。

1）附著力試驗

使用3M 膠帶粘貼在負濾光膜表面，快速垂直將3M 膠帶撕下后，使用LED 聚光燈對膜層表面進行檢查，若無脫膜情況發(fā)生，則對其進行濕熱試驗。對經(jīng)過濕熱試驗后的薄膜表面自然晾干后再次進行附著力試驗，無脫膜現(xiàn)象產(chǎn)生，判定其膜層通過附著力測試。

2）濕熱試驗

在濕度為95%～100%，溫度為（60±5）℃的恒溫恒濕箱中保持24 h 后取出觀察實驗片膜層表面有無龜裂、脫膜、起皮和起泡等現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)負濾光片無上述現(xiàn)象發(fā)生，判定通過濕熱試驗。

經(jīng)過上述測試后，重新測試其光譜曲線，發(fā)現(xiàn)光譜曲線無明顯變化，所制備的負濾光片滿足使用要求，且有很好的環(huán)境適應性。

5 結論

本文針對紅外探測器濾光片的使用需求，依據(jù)光學薄膜基本理論，設計并優(yōu)化了抗CO2氣體輻射負濾光片。對負濾光膜層敏感度逆向反演分析，優(yōu)化了膜厚監(jiān)控方法，通過對膜層前兩層增加離子束輔助沉積技術，提高了膜層牢固度，通過了附著力實驗、濕熱實驗等環(huán)境測試。制備的負濾光片在3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 波段平均透射率分別為87.04% 和89.79%，最小透射率為83.44% 和87.03%，截止區(qū)域4.15～4.4 μm、5.15～5.5 μm 波段平均透射率分別為0.87%和0.23%，最大透射率分別為2.42%和0.64%，提高了探測目標精度。如何進一步提高通帶的透射率與截止帶的反射率，仍然是日后需要探究的方向。