中红外带通滤光片的设计与制备

中红外带通滤光片的设计与制备
陈朝平;师建涛;郭芮;白波;杨崇民;郭鸿香
【摘要】The mid-infrared bandpass filter is widely used as an observation channel in applications such as flight, meteorology and remote sensing. The peak transmission ancj full width at half maximum (FWHM) are key specifications of the bandpass filter, which depend on the film structure and its design. The mid-infrared bandpass filter was successfully prepared using a new method with Ge and ZnS materials on Ge substrate. The selection of materials and the design principles of this method were introduced in detail, the film structure is also given. By using ZZSX-1100 device, this kind of filter was deposited with ion beam assisted process.
The measurement results show that its peak transmission is more than 87% and the FWHM is 70 nm. The filter has good optical spectrum stability and adherence. The film structure is simple and easy to implement.%中红外带通滤光片在航天、气象、遥感等领域有着重要的应用,峰值透过率和通带半宽度是带
通滤光片的重要指标,主要取决于光学薄膜的膜系结构和具体设计.论述了一种在锗
基底上采用锗和硫化锌两种材料设计并成功制备出中红外带通滤光片的方法.详细
介绍了镀膜材料的选择以及这种方法的设计理论,给出了膜系结构,运用离子辅助沉
积工艺在ZZSX-1100镀膜机上制备出了这种滤光片,测试结果表明:所制备的滤光
片峰值透过率达到87％以上,通带半宽度为70 nm,光谱性能稳定,膜层致密,附着力好,膜系结构简单,易于实现.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2012(033)003
【总页数】4页(P595-598)
【关键词】中红外带通滤光片;薄膜;离子辅助沉积;通带半宽度;峰值透过率
【作者】陈朝平;师建涛;郭芮;白波;杨崇民;郭鸿香
【作者单位】西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;驻西安北方光电集团军事代表室,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065
【正文语种】中文
【中图分类】TN205;O484.4
引言
带通滤光片的主要作用是对光进行光谱选择，使需要的光通过，不需要的波长的光截止。

它作为滤光和选择谱线的器件，有着广泛的应用。

3μm～5μm中红外波段是重要的大气窗口之一，工作在这一波段的中红外带通滤光片在自然灾害、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很多军工产品中更是有着重要的作用［1］。

然而由于中红外滤光片膜系结构和镀制工艺比较复杂，一直是红外光学薄膜研究的重点之一。

中红外带通滤光片可以粗略分为宽带滤光片和窄带滤光片。

宽带滤光片的设计可以采用长波通滤光膜和短波通滤光膜组合结构，窄带滤光片的设计一般采用F－P结构或多半波结构［2］。

本文提出一种新的基于F－P结构的中红外带通滤光片的设计方法，采用适当的工艺制备出性
能优良的带通滤光片。

1 膜料选择
合理选择镀膜材料、优化膜系结构是制备性能优良滤光片的前提保证。

镀膜材料的选取原则是：1）透射波段内吸收小；2）机械性能优良，化学性能稳定；3）薄膜与基底、薄膜与薄膜之间要有良好的附着性；4）薄膜的应力应尽可能小，而且对多层膜，高低折射率材料的应力性质最好相反，以降低多层膜的积累应力；5）膜料之间的相容性好；6）工艺上易实现。

对于中红外滤光片，基底和镀膜材料选择都很有限，低折射率材料一般选择ZnS
和ZnSe，高折射率材料一般选择 Ge，PbTe等［3］。

相对而言，ZnS的镀制工
艺成熟，机械性能好，符合上述几条原则。

PbTe折射率高（n＝5.5），有利于膜层的减少，且易于蒸镀，但在小于3.4μm波段具有较大吸收，这限制了它在该波
段的应用。

Ge具有化学性能稳定、机械强度高的优点，折射率也比较高（n＝4）。

在详细分析、对比该波段镀膜材料的物理、化学、光学以及机械性能的基础上，高折射率材料选用Ge，低折射率材料选用ZnS。

这两种材料折射率比值较大，在
3μm～5μm范围内的吸收系数小，材料的透射率高，可以有效地减少镀膜层数，有利于滤光片的制备。

2 膜系设计
利用光学厚度为1／4波长的两种材料（高折射率材料H和低折射率材料L），按中心对称交替叠成介质膜系，这种中心对称的λ／4堆，在中心波长及其附近的等效折射率具有实数值，因而构成通带；在偏离中心波长两侧的波段上，等效折射率为虚数，故出现截止带。

利用这一原理得到带通特性，构成带通滤光片。

通带半宽度是带通滤光片的重要指标之一，为了获得较窄的通带半宽度，膜系采用F－P结构，nH表示Ge的折射率，nL表示ZnS的折射率，ng表示基底折射率，L表示低折射率材料ZnS，H表示高折射率材料Ge，采用高折射率层作为间隔层，
主膜系结构为HLHL2HLHLH。

2.1 中心波长（或峰值波长）λ0
式中：d为间隔层的物理厚度；m为干涉级次。

从公式中可以看出，当确定了滤光片间隔层光学厚度以及干涉级次后，滤光片的峰值波长也就确定了。

为了获得准确的中心波长位置，必须严格控制间隔层的光学厚度，间隔层厚度的控制误差与中心波长的误差成正比［4－5］。

2.2峰值透过率Tm
由于我们采用的基底是Ge，它的折射率比较高，因而若只采用Ge／
HLHL2HLHLH／Air结构时发现，滤光片峰值透过率不高，这主要是由于主膜系与Ge基底和周围空气不匹配造成的。

所以要在主膜系结构两边增加匹配层，Ge 基底一侧的匹配层为Ge／L，空气一侧的匹配层为LHL／Air。

Ge基底一侧的组合导纳为
靠近空气一侧的组合导纳为
由于
所以
加入匹配层后，整个膜系结构为 Ge／LHLHL2HLHLHLHL／Air。

整个膜系导纳Y为
膜系反射率R为
取nH ＝ng＝4.0，nL＝2.2，则滤光片峰值透过率Tm为
2.3 通带半宽度
不考虑匹配层时，滤光片的相对带宽为
式中：x表示反射膜系的周期数。

当加入匹配层后，匹配层对膜系通带半宽度具有一定的压缩作用，压缩后的通带半宽度大约为原来的倍，通带半宽度2Δ为70nm。

用TFC膜系设计软件对膜系进行模拟，基底一面镀滤光膜，另外一面镀单层ZnS
减反射膜，模拟曲线如图1所示，中心波长为3.8μm，峰值透过率为97%，理论通带半宽度为70nm。

图1 3μm～5μm滤光片理论透射光谱曲线Fig.1 Simulated spectrum of 3μm～5μm filter
3 膜层制备与实验结果
由于电子枪热蒸发所镀的ZnS薄膜结构松散、牢固度差，因而采用离子源辅助沉
积技术，在热蒸发的同时，用离子束辅助轰击成膜，使膜层致密、均匀，提高薄膜的稳定性［6－8］。

为了提高薄膜的附着力以及薄膜耐湿热性能，在镀制过程中，首先使用离子源对基底进行活化轰击，然后在蒸镀ZnS和Ge的过程中用离子源
进行辅助沉积以提高膜层牢固度和致密程度。

并且采取预镀中间层的措施，在基底上镀一定厚度的Ge，改变基底的粗糙度，提高膜层与基底结合的牢固程度。

在薄膜镀制过程中要控制好Ge的蒸发速率，蒸发速率过高容易在基底上形成点子，影响薄膜表面粗糙度；其次是在进行离子源轰击的时候，电压要适中，否则会造成基底损伤。

薄膜的制备是在北仪ZZSX－1100型真空镀膜机上完成的，采用电子枪加热的方
法蒸发锗和硫化锌，真空度达到2×10－3 Pa时，打开离子源对基底进行轰击
10min左右，利用离子源对基底表面进行离子清洗，有助于增加膜与基底的附着力，有助于去除基底表面的杂质［9－10］。

然后开始沉积一定厚度的Ge过渡层，再按照所设计的膜系结构进行膜层沉积，ZnS的沉积速率1nm／s左右，Ge沉积速率0.4nm／s～0.5nm／s，膜层厚度以及沉积速率由IC5膜厚仪控制。

膜层背
面镀单层硫化锌以减少光在锗面的反射。

1）薄膜光谱：薄膜实测光谱曲线如图2所示，从图中可以看出，实际制备的薄膜测试曲线中心波长3.81μm，膜层通带半宽度70nm，薄膜峰值透过率87.55%。

中心波长和通带半宽度与理论设计基本吻合，但峰值透过率低于理论设计值，这主要是以下几个原因造成的：理论设计时没有考虑基底以及膜层材料的吸收，而在实际中基底和薄膜都存在一定的吸收；薄膜镀制中采用晶控方法监控膜层厚度，每一层厚度都会产生一定的误差，当层数较多时这种误差会发生传递和累积，足以影响滤光片透过率；此外测试仪器的精度也会影响测试时显示的透过率数值。

图23μm～5μm滤光片实测透射光谱曲线Fig.2Measured spectrum of 3μm～
5μm filter
2）薄膜表面：薄膜表面致密，膜层牢固，没有出现起皮破裂。

3）附着力：采用2cm宽耐高温透明胶带，选一片样品，胶带牢牢粘在膜层表面上，垂直迅速拉起后重复5次，未见有脱膜现象。

4）稳定性：薄膜在空气中放置3个月后，经过测试，中心波长没有发生漂移，透过率也没有发生明显变化。

5）湿度实验：在室温下，经蒸馏水浸泡24h，膜层未出现起皮、脱膜、裂纹、起泡等现象。

4 结论
本文给出一种新的基于F－P结构的中红外带通滤光片的膜系，选用锗和硫化锌两种材料作为高低折射率材料，采用等离子体辅助沉积工艺与预镀中间层技术，在ZZSX－1100镀膜机上成功制备这种薄膜。

这种膜系薄膜层数不多，结构简单易
于实现。

薄膜具有高的峰值透过率和较窄的通带半宽度、稳定的光谱以及良好的理化性能。

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