中心波长14_95_m超窄带滤光片的研制_张麟

在入射滤光片的半 锥 角 达 １８°时，从（１）式 可 以 判 断
得出其无法满足我国星载大气垂直探测红外分光辐
射计第１通道滤 光 片 设 计 要 求。。
为满 足 第 １ 通 道 滤 光 片 技 术 指 标 要 求，带 通 滤
光片的半 功 率 带 宽 小 于 ３ｃｍ－１。 在 目 前 仅 有 上 述
面没有采用国外的 消 像 差 厚 透 镜 方 案，而 是 利 用 非
成像技术设计的复 合 曲 面 反 射 聚 光 器，因 此 入 射 滤
光 片 光 束 的 半 锥 角 达 １８°。
超窄带滤光片设计采用全介质法布里 珀罗滤
光片设计原理。当入射光束是具有半锥角 Φ 的圆
锥形时，滤光片的性 能 由 遍 及 所 有 入 射 角 对 透 射 率
式中ｎＨ ，ｎＬ 为 膜 系 中 高、低 折 射 率 材 料 层 的 折 射 率；ｎｓ 为 基 片 折 射 率（Ｇｅ基 片）；ｘ 为 反 射 膜 内 高 折 射率膜层数；ｍ 为谐振腔干涉级次，与间隔层厚度的 关系为 ｍ ＝２ｎｄ／λ０。
从带 宽 估 算 公 式 中 可 以 看 出，要 设 计 长 波 红 外 超窄带滤光片可以提高干涉级次 ｍ，或增加 ｘ 为 反 射 膜 内 高 折 射 率 膜 层 数 ，反 射 膜 层 数 越 多 ，带 宽 越 窄 宽。
０７３１００３－１
光 学 学 报
间 比 较 研 究 。 同 时 ，为 提 高 该 滤 光 片 的 信 噪 比 ，对 通 带外截止区域深度进行测量分析及评估。星载大气 垂直探测红外分光辐射计在轨运行反馈数据表明， 使用所研制的第１通道长波红外超窄带滤光片获得 温 度 灵 敏 度 为０．８Ｋ（等 效 噪 声 温 度 差 ）与 ＮＯＡＡ 系列 ＨＩＲＳ／３仪器中第１通道获得数据相当。
射时滤光片的中心波长。
由上式可以看出：滤光片随入射角Φ 增大，滤光 片 的 透 射 率 会 恶 化 ，中 心 波 长 向 短 波 漂 移 ，半 宽 度 增
加。因此，为了使具有半锥角Φ 光束入射下的红外长
波超窄带 滤 光 片 达 到 与 光 束 平 行 入 射 时 的 光 谱 性
能 ，滤 光 片 的 研 制 具 有 一 定 的 困 难 性 。
的红外窄带滤光片 无 疑 是 其 关 键 部 件，其 中 第 １ 通 道滤光片光学性能指标最高。得益于高性能的长波 红外探测器件和红外光学薄膜器件的研制技术获得 突破，我 国 从 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 初 开 始 研 制 该 仪 器， ２００７年首次发 射，目 前 已 有 二 台 星 载 大 气 垂 直 探 测 红外分光 辐 射 计 在 轨 应 用。对 应 ＮＯＡＡ１７－ＨＩＲＳ／３ 仪器中第１通道的长波红外超窄带滤光片，所研制出 主要性能指标为中心波长１４．９５μｍ、带宽０．０６５μｍ、 相对带宽小于０．５％的长波红 外 超 窄 带 滤 光 片。 另 外，为提高第１通道 长 波 红 外 超 窄 带 滤 光 片 实 际 应 用 能 力 ，本 文 着 重 从 发 射 前 地 面 环 境 、空 间 辐 射 及 膜 层性能随时间衰变等对其性能影响因素进行了长时
Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄｐａｓｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｔ １４．９５μｍ
Ｚｈａｎｇ Ｌｉｎ Ｎｉ Ｒｏｎｇ Ｈｕａｎｇ Ｃｈｕｎ Ｌｉ Ｂｉｎ Ｌｉｕ Ｄｉｎｇｑｕａｎ
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００８３，Ｃｈｉｎａ）
滤光片透射率低。 ２００１ 年，Ｍａｃｌｅｏｄ［１］依 据 Ｐｉｄｇｅｏｎ 和 Ｓｉｍｉｔｈ 对
红外长波超窄带 滤 光 片 的 研 究，给 出 了 以 高 折 射 率
材料 ＰｂＴｅ，低折射率材料 ＺｎＳ组成膜系的二种设 计
膜系，分别使用 ＰｂＴｅ 或 ＺｎＳ作为组成膜系中的半波 层，其设计出的滤光片带宽为３ｃｍ－１。应 用 此 设 计，
精度滤光 片 困 难。 采 用 高 折 射 率 材 料 ＰｂＴｅ，低 折
射率材 料 ＺｎＳｅ 组 成 膜 系 其 优 点 是 材 料 折 射 率 比
高，膜 层 层 数 少，允 差 大，二 种 材 料 蒸 发 温 度 低
（ＰｂＴｅ为８５０ ℃，ＺｎＳｅ为９５０ ℃），膜层监控和控制
较容易，缺点是 ＰｂＴｅ薄膜材料消光系数相对 较 大，
几种长波红外材料 的 情 况 下，只 有 靠 增 加 带 通 反 射
堆层数和半波层级次方法。 通常含谐振腔的基本带通膜系的结构 有 ［２］ 二 种
形 式 ，一 种 是 膜 系 谐 振 腔 为 高 折 射 率 膜 层 ，另 一 种 是
膜系谐振腔为底折射率膜层。考虑长波红外材料性
质和薄膜沉积工艺 因 素，采 用 以 低 折 射 率 膜 层 材 料
第 ３４ 卷 第 ７ 期 ２０１４ 年 ７ 月
光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ，２０１４
中心波长１４．９５μｍ 超窄带滤光片的研制
张 麟 倪 榕 黄 春 李 斌 刘定权
（中国科学院上海技术物理研究所，上海 ２０００８３）
摘要 讨论了大气探测红外分光辐射计第１光谱通道超窄带滤光片的研制情况。采用富碲碲化铅材料作为高折射 率 膜 层 材 料 ，通 过 控 制 沉 积 速 率 、沉 积 温 度 、真 空 度 等 工 艺 参 数 ，镀 制 的 膜 层 具 有 小 的 自 由 载 流 子 浓 度 ，整 个 膜 系 具 有 低的光吸收和高的透射能量。研制出入射光束半锥角 Φ 为１８°时，中心波长１４．９５μｍ、带宽０．０６５μｍ、相对带宽小于 ０．５％的长波 ＣＯ２ 超窄带滤光片。该超窄带滤光片已实现空间应用５年，在天气预报数据获取中工作稳定。 关 键 词 薄 膜 ；窄 带 滤 光 片 ；中 心 波 长 ；碲 化 铅 中 图 分 类 号 Ｏ４３６ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１４３４．０７３１００３
曲 线 积 分 得 出 ，滤 光 片 带 宽 为
ｗ２Φ ＝ ｗ２０ ＋ （Δｖ′）２，
（１）
式中 ｗ０ 为光束垂直入 射 时 的 滤 光 片 半 宽 度，Δｖ′为
入射 角 由 ０°到 Φ 时 中 心 波 长 的 变 化。Δｖ′ ＝ ｖΦ －
（ ） ｖ０
＝ｃｏｖｓ０Φ－ｖ０ ＝ｖ０
１ ｃｏｓΦ
－１
，ｖ０ 为光束垂直入
收 稿 日 期 ：２０１３－０９－０１；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１３－１２－０１ 作 者 简 介 ：张 麟 （１９６２— ），男 ，正 高 级 工 程 师 ，主 要 从 事 长 波 红 外 光 学 薄 膜 方 面 的 研 究 。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｌｉｎ＠ｍａｉｌ．ｓｉｔｐ．ａｃ．ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｕｌｔｒａ－ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ Ｎｏ．１ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｓｏｕｎｄｅｒ （ＩＲＡＳ）．Ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ａｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ Ｔｅ－ｒｉｃｈ ＰｂＴｅ ａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｉｎｄｅｘ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｂｙ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ＰｂＴｅ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｏ ａ ｌｏｗｅｒ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｆｏｒ
验分析，高折射 率 材 料 Ｇｅ与 低 折 射 率 材 料 ＺｎＳ 组
成 膜 系 优 点 是 膜 层 吸 收 系 数 小 ，透 射 率 高 ，缺 点 是 高
低材料折射率比 底，膜 层 层 数 多，允 差 小，同 时 薄 膜
沉积时二种材料蒸发温度高（Ｇｅ为１６００ ℃，ＺｎＳ为
１１００ ℃），膜层沉积在基板上时迁移率较大，镀制高
图１ 大气中 ＣＯ２ 气体特征吸收峰
Ｆｉｇ．１ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｅａｋ ｏｆ ＣＯ２
ｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
根据图１ 中 大 气 环 境 ＣＯ２ 气 体 吸 收 特 征 峰，美
国 ＮＯＡＡ 系列 ＨＩＲＳ大气红外分光辐射计中第１通
道 滤 光 片 主 要 技 术 指 标 为 ：中 心 波 长 为 １４．９５μｍ，带 宽 为 ０．０６７μｍ。 为 使 我 国 星 载 大 气 垂 直 探 测 红 外 分 光辐射计尽可能小型化，整 机 设 计 人 员 在 探 测 器 前
ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ｈａｖｅ ａ ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｔ １４．９５μｍ ａｎｄ ａ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ０．０６５μｍ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．５％ ．Ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｐａｃｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｅｄ ｓｔａｂｌｙ ｆｏｒ ｆｉｖｅ ｙｅａｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｔｈｅｒ ｆｏｒｅｃａｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ；ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｓ；ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ；ＰｂＴｅ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ ３１０．１８６０；３１０．４１６５；３１０．６８４５
为膜系的谐振腔 层，两 边 对 称 分 布 的 反 射 膜 层。 其
光 学 厚 度 为 设 计 波 长 的 １／４ 带 宽 ，估 算 式 为
２Δλ
＝
４λ０ｎ２Ｌｘ－１ｎｓ ｍπｎ２Ｈｘ
（ｎＨ
（ｎＨ －ｎＬ） ， －ｎＬ －ｎＬ／ｍ）
（３）
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张 麟等： 中心波长１４．９５μｍ 超窄带滤光片的研制
２ 主要研究内容与结果
２．１ 长 波 红 外 超 窄 带 滤 光 片 的 设 计 大气探测红外分光辐射计第１通道长波红外超
窄带滤 光 片 专 用 于 检 测 大 气 中 ＣＯ２ 气 体 的 浓 度。 因此，滤光片的光学性能参 照 大 气 中 ＣＯ２ 气 体 特 征 吸 收 峰 （图 １）来 设 计 。
全介质法布里 珀罗滤光片峰值透射率与膜层
吸收的平方成反比：
Ｔｍａｘ
＝
１
，
（１＋Ａ１２／Ｔ１２）２
（２）
式中 Ａ１，２、Ｔ１，２分别表 示 法 布 里 珀 罗 反 射 膜 １ 或 ２
的 吸 收 （包 括 散 射 ）损 耗 和 透 射 率 。
现有通常的长波红外高折射率镀膜材料仅有
Ｇｅ、ＰｂＴｅ，低折射率材料有 ＺｎＳ、ＺｎＳｅ。根据以往经
在清楚光束锥角入射滤光片引起的带宽增加和 长波红外超窄带滤 光 片 带 宽 的 控 制 方 法 后，借 助 于 光学薄膜膜系辅助 设 计 软 件，可 以 容 易 获 得 较 为 准 确 的 设 计 膜 系 及 曲 线 （图 ２）。
１ 引 言
伴 随 信 息 时 代 的 到 来 ，科 学 技 术 交 流 日 益 密 切 ， 新兴国家开始重视 航 天 技 术，导 致 全 球 航 天 遥 感 领 域竞争激烈。星载大气垂直探测红外分光辐射计是 用以探测全球对流层与平流层底部大气垂直温度分 布的仪器，为气 象 预 报 和 环 境 监 测 提 供 资 料。 美 国 ２００２年研制发射的 ＮＯＡＡ１７属于第 ５ 代 极 轨 气 象 卫 星，卫 星 上 携 带 有 高 分 辨 力 红 外 辐 射 探 测 器 （ＨＩＲＳ／３）仪 器，该 仪 器 有 １２ 个 长 波 通 道 （５．７～ １５μｍ），具备较高的空 间 分 辨 率。 其 观 测 通 道 非 常 具有代表性，在云 层、水 汽 监 测、大 气 廓 线 反 演 等 方 面有广泛的应用。该仪器中用来分辨各种气体含量