[实用新型]一种以锗为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜

说明书

技术领域

本专利涉及光学薄膜技术，具体指一种以Ge晶体为基底的对0.4-1.4μm的太阳辐射进行反射；对14-16μm范围内的红外辐射进行透射的长波红外增透膜。 

背景技术

对于工作于中高轨道应用的小型长寿命光学姿态敏感器，由于受太阳直射的时间较长，太阳辐射将导致器件温度升高而严重影响光学敏感器的工作状态，甚至可能因此而致盲。因此该类光学敏感器的光学系统采用了具有太阳防护功能的红外光学系统，其中最关键的光学薄膜元件就是本专利所论述的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜。其太阳防护功能主要是通过镀制不同功能的光学薄膜将可见光及近红外波段的太阳辐照尽可能反射掉，而将长波红外波段尽可能透射来实现的。因此，该长波增透膜的性能与系统性能指标有着密切关系，它的研制成功对于小型长寿命光学姿态敏感器的长寿命空间应用有重要意义。 

发明内容

本专利的目的是提供一种以Ge晶体为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜，对0.4-1.4μm的太阳辐射进行反射；对14-16μm范围内的红外辐射进行透射，以消除在中高轨工作的小型长寿命光学姿态敏感器所受的太阳直射影响，从而实现载荷在中高轨的正常运行。 

本专利的技术方案是：采用前截止滤光片为基本结构，采用非对称等效层获得与基底折射率的匹配。 

由于反射波段要求反射率尽可能高，以便将太阳辐照影响降到最低。而长波红外是工作波段，要求透射率尽可能高，同时膜层除了要进行常规的环境模拟试验检验外，还要求能够经受空间辐照考验。技术实现上需要考虑： 

1)反射波段属于超宽带宽，在既保证反射率又保证透射率的情况下，膜系设计难度增大，同时膜层厚度增厚将带来一系列的可靠性问题； 

2)膜层材料要求在可见近红外和长波红外都要具有很好的透光性，以保证薄膜产品具有良好的光学性能；同时膜层材料还得具有很好的环境友好性，以保证薄膜产品具有良好的空间可靠性。满足这样要求的膜层材料非常有限； 

3)膜层材料的应力对于可靠性的影响非常大，需要进行工艺改进。 

综合以上三点，本专利在膜系设计上采用全介质膜层，结构采用前截止加匹配层的方案。选用ZnS和YF₃作为反射堆的高低折射率材料。采用非对称等效层实现与基底的折射率匹配，最后通过软件优化获得可用的膜系，同时通过局部优化控制极个别关键层的厚度，实现反可见近红外透长波红外的功能。另外对膜层材料进行工艺改进，减小应力影响，以提高空间可靠性。 

根据以上分析，该长波红外增透膜的实现包括以下步骤： 

1.膜系的结构 

具有太阳光反射功能的长波红外增透膜层的膜系为： 

n_s/3.027N3.122H3.302N(0.65N1.3L0.65N)⁵(0.55N1.1L0.55N)⁵(0.45N0.9L0.45N)⁶(0.35N0.7L0.35N)⁶4.035N3.144L9.275N/n₀式中各符号的含义分别为：n_s为基底；n₀为空气；L表示光学厚度为λ₀/4的YF₃膜层；H表示光学厚度为λ₀/4的Ge膜层；N表示光学厚度为λ₀/4的ZnS膜层；λ₀为中心波长；N、H、L前的数字为λ₀/4光学厚度比例系数乘数，指数为所对应的括号中膜堆的周期数。 

2.膜层制备方法 

膜层制备是在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备上进行的，Ge、YF₃采用电子束蒸发沉积，ZnS采用电阻加热蒸发沉积，全过程采用离子束辅助沉积，离子源为霍尔源，具体参数为：阳极电压200V，阴极电流14A。通过膜层材料试验结果分析表明：基底温度控制在190℃时，膜层具有很好的光学性能和牢固度；在该温度下，电子束蒸发沉积所得的Ge和YF₃膜层具有更加致密的结构，同时长波端吸收也比阻蒸沉积所得膜层的吸收小。离子束辅助沉积对于减小膜层间应力，提高膜层可靠性具有重要作用。 

本专利的有益效果如下： 

1.本专利提供了一种以Ge晶体为基底的具有太阳光反射功能的长波红外增透膜，能够实现对0.4-1.4μm的太阳辐射进行高效反射；同时对14-16μm范围内的长波红外辐射进行高效透射。