一種從紫外到短波紅外的寬光譜低偏振靈敏度分色片的製作方法
2023-04-27 07:31:21 3
本發明涉及一種光學薄膜分色片，具體指一種基於石英基底的從紫外到短波紅外的寬光譜低偏振靈敏度分色片。
背景技術：
分色片作為光學系統中重要的分光器件，在多光譜和寬光譜航天遙感成像儀器及通信系統中有著廣泛的應用。由於分色片通常是在傾斜條件下使用，由此會帶來光的偏振光譜分離。對於海洋遙感光學系統來說，若入射光存在偏振狀態變化，會引起系統接收的光電信號改變，形成探測值和數據反演的誤差，因而海洋遙感載荷對系統和光學元件提出了低偏振靈敏度控制的要求。紫外、可見、近紅外/短波紅外分色片是將紫外、可見、近紅外與短波紅外光進行光譜分離。分色片通常按膜料可分為介質分色片和金屬誘導分色片兩大類。目前的低偏振靈敏度介質分色片大都集中為將紫外與可見光的光譜進行分離，或者將可見與近紅外進行光譜分離，或者將近紅外與短波紅外波段光譜分離，其波段覆蓋範圍均較窄；低偏振靈敏度金屬誘導濾光片產品雖然能夠覆蓋較寬的波段範圍，但它只能應用於透射可見光與近紅外光而反射紅外光的光路系統中。在一些海洋遙感光學系統光路中需要反射紫外、可見和近紅外光而透射短波紅外光，且保持反射波段和透射波段內均具有低的偏振靈敏度。目前還沒有能夠滿足這一光譜要求的寬光譜低偏振靈敏度分色片的可用產品。
對於所探討的分色片，其透射波段內偏振靈敏度定義為透射的p光與s光的透射率差值的絕對值除以p光與s光的透射率之和；同樣地分色片反射波段內偏振靈敏度定義為反射的p光與s光的反射率差值的絕對值除以p光與s光的反射率之和。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基於石英基底的反射紫外、可見與近紅外而透射短波紅外的低偏振靈敏度分色片，滿足需反射紫外、可見和近紅外而透射短波紅外的海洋遙感低偏振靈敏度光學系統的需求。
本發明的技術方案是：在石英基底一面依次鍍制中心波長從近紅外至紫外逐漸遞減的長波通反射膜ⅰ、反射膜ⅱ、反射膜ⅲ和反射膜ⅳ，在反射膜ⅰ與石英基底之間插入匹配層ⅰ，以實現基底與反射膜層間的折射率匹配，在反射膜ⅳ與空氣之間添加匹配層ⅱ，以實現反射膜層與空氣之間的折射率匹配。最後保持全部高折射率膜層厚度不變，將低折射率膜層厚度作為唯一優化參數對初始膜系進行優化從而獲得最終分色膜系。這樣使得各個反射堆之間折射率更好地匹配，並且減小了透射帶波紋、降低了透射帶偏振靈敏度。
受到紫外波段容易產生吸收而導致反射率降低的限制，為降低吸收、保證儘可能高的紫外反射率，所選材料在紫外區域的吸收要儘可能小。同時由於分色片反射帶寬較寬，還要兼顧高低折射率材料的折射率比值儘可能大、以展寬反射帶寬、提高反射率並儘可能地減少反射膜層數。因此最終選擇靠近基底的匹配層ⅰ、反射膜ⅰ和反射膜ⅱ採用nb2o5和sio2分別作為高低折射率材料，而靠近空氣的反射膜ⅲ、反射膜ⅳ和匹配層ⅱ採用ta2o5和sio2分別作為高低折射率材料，以減小紫外區域的吸收。考慮到可靠性問題，避免應力積累導致膜層不牢，儘可能地減少反射膜堆數和反射膜層周期數。
反射膜ⅳ和反射膜ⅲ的中心波長分別為紫外和可見波段，可將入射在分色片表面的紫外、可見光直接反射而不入射到紫外吸收較大的nb2o5膜層。儘管ta2o5材料在紫外的吸收相對較小，但其合適的工藝控制對紫外吸收的降低也起著關鍵性作用。
在石英基底的另一面鍍制短波紅外減反膜。
根據以上分析，該分色片的實現包括以下步驟：
1.膜系的構建
基底分色面的初始膜係為：
基底/(0.20l1.15n2.97l)2.25(0.5nl0.5n)91.68(0.5nl0.5n)9
1.26(0.5hl0.5h)10(0.5hl0.5h)10(0.15h3.89l)/空氣
保持該初始膜系中n、h膜層厚度不變，將l膜層厚度作為唯一優化參數對膜系進行優化獲得最終分色膜系。
基底另一面短波紅外減反膜膜係為：
基底/0.69h1.11l5.55h2.79l/air
n表示光學厚度為λ0/4的nb2o5膜層、h表示光學厚度為λ0/4的ta2o5膜層、l表示光學厚度為λ0/4的sio2膜層；λ0為408nm中心波長；n、h、l前的數字與括號前數字的乘積為λ0/4光學厚度的比例係數乘數。
2.減小膜層材料在紫外波段吸收的工藝控制
分色膜系和減反膜系的各膜層均採用離子束輔助鍍膜工藝鍍制，參數為：陽極電壓140v，陰極電流12a，充氧量18sccm，nb2o5、ta2o5和sio2的沉積速率分別為0.23nm/s、0.12nm/s和0.9nm/s，沉積溫度為250℃。
本發明的有益效果如下：
1.本發明提供了一種基於石英基底的紫外/可見/近紅外、短波紅外寬光譜低偏振靈敏度分色片，反射區的反射光譜帶寬範圍寬，且反射率高，滿足了光學系統的光譜能量傳遞需求。
2.本發明分色片能夠有效地將波段相近的920nm和1010nm進行反射與透射分光。
3.本發明對不同材料組成的反射膜位置布局，避免了nb2o5材料在紫外區域的吸收，保證了紫外波段的高反射率和低偏振靈敏度。
附圖說明
圖1是分色片膜層結構示意圖，其中：
1——分色片基底；
2——匹配層i；
3——反射膜i；
4——反射膜ⅱ；
5——反射膜ⅲ；
6——反射膜ⅳ；
7——匹配層ⅱ；
8——短波紅外減反膜。
圖2是分色片實測紫外/可見/近紅外波段反射率曲線(入射角為32°)；9為s光的反射率，10為p光的反射率，11為s光和p光的平均反射率。
圖3是分色片實測短波紅外波段透射率曲線(入射角為32°)；12為s光的透射率，13為p光的透射率，14為s光和p光的平均透射率。
圖4為分色片在各個工作波段範圍內的實測偏振靈敏度曲線(入射角為32°)。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步的詳細說明。
本發明實施例的具體技術指標要求為：
基底材料為石英，分色片的工作角度為32°。
根據技術要求，以石英材料作為基底，要實現反射紫外、可見、近紅外波段而透射短波紅外波段，且要求在反射波段和透射波段均具有低偏振靈敏度。膜系設計上首先要考慮到反射帶寬較寬，因此需要多個具有不同中心波長反射膜堆的相互疊加。其次考慮到基底與膜層間的折射率匹配，因此在反射堆與基底之間加入匹配層。然後考慮到材料在紫外區域的吸收要儘可能小，且要兼顧高低折射率材料的折射率比值儘可能大、以展寬反射帶寬、提高反射率並儘可能地減少反射膜層數，因此最終選擇靠近基底的匹配層ⅰ、反射膜ⅰ和反射膜ⅱ採用nb2o5和sio2分別作為高低折射率材料，而靠近空氣的反射膜ⅲ、反射膜ⅳ和匹配層ⅱ採用ta2o5和sio2分別作為高低折射率材料。反射膜ⅳ和反射膜ⅲ的中心波長分別採用紫外和可見波段，將入射在分色片表面的紫外/可見光經反射直接進入系統反射光路。給出初始分色膜係為：
基底/(0.20l1.15n2.97l)2.25(0.5nl0.5n)91.68(0.5nl0.5n)9
1.26(0.5hl0.5h)10(0.5hl0.5h)10(0.15h3.89l)/空氣
然後採用膜系設計軟體，保持全部高折射率膜層厚度不變、將低折射率膜層厚度作為唯一優化參數對初始膜系進行優化，使得各個反射堆之間折射率更好地匹配，並減小透射帶波紋、降低透射帶偏振靈敏度。從而獲得最終分色膜系如下：
匹配層ⅰ2的膜層結構為：
0.2l1.15n2.97l；
反射膜ⅰ3的膜層結構為：
2.25(0.5n1.05ln0.91lnln0.89ln0.96l2.25nln1.09ln0.85ln0.90l0.5n)；
反射膜ⅱ4的膜層結構為：
1.68(0.5n1.35ln0.61ln1.15ln1.13ln0.95ln0.92lnln1.01ln0.78l0.5n)；
反射膜ⅲ5的膜層結構為：
1.26(0.5h1.04lhlh1.46lh0.9lh0.89lh1.42lh0.98lh0.87lh0.79lh1.66l0.5h)；
反射膜反射膜ⅳ6的膜層結構為：
0.5h0.88lh1.23lh1.21lh0.97lh1.36lh0.98lh1.26lh1.20lh0.71lh1.26l0.5h；
匹配層ⅱ7的膜層結構為：
0.15h3.89l；
最終分色膜系的各膜層材料及物理厚度見表1。
基底背面短波紅外減反膜膜係為：
基底/0.69h1.11l5.55h2.79l/空氣；
為消除ta2o5膜料在紫外區域的吸收並提高膜層的牢固度，全部膜層採用離子束輔助鍍膜，參數為：陽極電壓140v，陰極電流12a，充氧量18sccm，nb2o5、ta2o5和sio2的沉積速率分別為0.23nm/s、0.12nm/s和0.9nm/s，沉積溫度為250℃。
表1是最終分色膜系的各膜層材料及物理厚度分布情況
從圖2、3、4可以看出，本發明所研製的分色片在32°條件下測得：反射區375-920nm內平均反射率rave>91.5％、偏振靈敏度lps95％、lps<1.5％。且本發明分色片產品性能穩定。因此本發明所研製的分色片達到了多光譜航天海洋遙感儀器的分色使用要求。