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0431-81702023
光學工程
紅外仿真系統短中波能量調節濾波器的研制

摘要 紅外仿真作為一種新型仿真手段,以其仿真可信度高、重復性好、實驗成本低等優點在軍事領域得到越來越廣泛的應用.為滿足紅外仿真系統的要求,調節紅外短、中波段能量的比例,對系統中的濾波器進行研制.選擇 Ge和SiO 作為高低折射率材料,利用 Ge在可見光和近紅外的吸收特性,通過疊加膜堆展寬反射帶,采用 TFCalc 軟件的變度量(variablemetric)法對雙波段能量調節、超寬截止帶濾波器進行優化設計.并針對不同材料的特性, 分別采用電子束蒸發和電阻蒸發技術,制備了相應的濾波器.通過逆向工程方法分析消光系數對透射率的影響, 解決了膜 系 透 射 率 偏 低 的 問 題.制 備 的 濾 波 器 在 300~1900nm 和 5500~7500nm 波 段 透 射 率 小 于 1%,在2000~2500nm波段平均透射率為90.6%,在3700~4800nm 波段平均透射率為35.7%,滿足該系統環境測試要求.

關鍵詞 薄膜;濾波器;膜系設計;吸收;紅外仿真

1 引 言

      目前,紅外仿真技術的發展使紅外制導系統的設計、驗證、優化變得更加方便.紅外制導仿真系統是指通過光學系統提供目標和背景的紅外輻射環境,供被測系統進行探測和識別,減少外場實驗的次數,能夠大大縮短紅外制導系統的研制時間和費用.

      在實際應用中,紅外制導系統不僅要克服背景噪聲的影響,還要面臨飛行器釋放的紅外干擾彈的干擾.而雙色成像制導系統可以有效克服紅外干擾彈的影響,通常采用雙色比來描述紅外制導系統的抗干擾特性,其原理是利用目標和干擾彈在中波紅外和短波紅外2個波段的積分能量比值的不同來區分目標和干擾彈[1].由目標和干擾彈的輻射特性可知,目標的短中波雙色比一般小于1.0,干擾彈的雙色比一般大于1.0 [2].

      對于干擾彈來說,壓制比是干擾彈與被保護飛機之間的輻射強度比值[3],要實現較大的壓制比,必須要使干擾彈的溫度遠遠大于尾焰的溫度.以美軍的 F16為例,其尾噴等效溫度不超過900K,而干擾彈的等效溫度可達2000~2300K.在實驗室中模擬如此高溫是不現實的,只有采用相對模擬的方式,即只模擬短、中波能量比,而不去模擬絕對的短、中波能量值[4].國內外對各種濾波器進行了多方面的研究,但對能夠在短、中波雙波段調節能量,且在工作波段兩邊具有超寬截止帶的濾波器的研究還未見報道[5G8].

      為模擬仿真干擾彈的光譜特性,本文所研究的濾波器需對碘鎢燈光源在可見光、近紅外、中波紅外進行光譜特性模擬,重點解決不同波段光譜的特性需求,使濾波器生成的短中波積分能量比達到仿真的要求.

2 膜系設計

      波紅外區的積分能量比要求大于1.0.濾波器的技術要求如表1所示,入射角為0°,且在2000~2500nm 短波紅外區與3700~4800nm 的中波紅外區的積分能量比要求大于1.0.

      由以上參數可知,濾波器既要滿足中短波能量調節的要求,又要具有極寬的抑制帶,僅僅依靠一個濾光片是難以實現的.經過分析,采用2片濾光片組合實現,第1片作為能量調節濾光片,在2000~2500nm 波段透射率為93%,3700~4800nm 波段透射率為37%;第2片作為寬帶通濾光片,在2000~5000nm 波段透射率為98%,1250~1900nm 和5500~7500nm 波段透射率小于1%,可見光及近紅外波段的抑制通過材料的吸收來實現.

2.1 基底及鍍膜材料的研究

      選取合適的基底和鍍膜材料可以降低設計和制備的難度.針對上述技術指標,滿足波段要求的紅外基底材料有單晶 CaF2 與多光譜ZnS,但是多光譜ZnS質地較軟、折射率較高、透射率較低(約為70%),要在短波紅外波段實現較高的透射率需雙面鍍膜.而單晶 CaF2 在紅外波段透射率較高(約為94%),單面鍍膜即可滿足要求,其物理化學性質穩定且熱膨脹系數低,故基底選擇 CaF2.

      鍍膜材料的選擇主要考慮其透明區、吸收區、膜層間以及膜層與基底間的匹配[9].高折射率的紅外材料可選擇的有 Ge和Si.Si的透明區為1~9μm,Ge的透明區為1.7~23μm,但 Ge的折射率較高且機械性能好,在可見光及近紅外波段有較強的吸收,有利于實現寬抑制帶的要求.低折射率材料可選擇的有 MgF2 與 SiO.SiO 薄膜表現為壓應力,Ge膜表現為張應力,交替鍍制 Ge膜和SiO 膜可有效減弱應力.但 MgF2 薄膜表現很高的張應力,且 MgF2 在沉積過程中容易產生噴點,MgF2 薄膜比SiO 薄膜更容易破裂,故選擇SiO 作為低折射率材料.

2.1.1 材料折射率的計算

      對于光學薄膜而言,同一材料在不同基底溫度、真空度、蒸發速率等工藝條件下的光學常數也不相同,不同波長對應的折射率呈色散分布.因此,在膜系設計之前要先確定材料的折射率.一定的工藝條件下,在厚度為2mm 的 CaF2 基底上分別鍍制一定厚度的 Ge與SiO,并用紅外光譜儀測試其透射率,利用 Cauthy公式進行曲線擬合得到材料不同波長的折射率,其數學表達式為

式中A、B、C 為擬合參量,λ 為波長. Ge和SiO 的折射率色散分布曲線分別如圖1(a)和圖1(b)所示.

 2.1.2 材料的吸收特性

       利用材料的吸收特性,可以簡化膜系結構,展寬抑制帶.據所查資料可知,Ge的透明區為1.7~23μm, 在可見光與近紅外區域對光波能量具有良好的吸收能力.厚度大于2mm 的 Ge片在1700nm 處,往短波方向吸收系數開始呈指數規律迅速增長,在1500nm 處能量完全截止[10].但是,實際上 Ge作為薄膜材料當厚度為500nm 時,其透射率曲線如圖2所示.從圖2中可看出,波長880nm 之前由于材料吸收完全被抑制.同時,增加 Ge膜的厚度可在更寬波段實現抑制.

2.2 能量調節膜系設計方案

        為提高仿真系統對實際背景模擬的相似度,該能量調節片要滿足短中波的積分能量比大于1.0.由光學薄膜設計理論知,單層薄膜的特征矩陣為

 

通過上述公式就可以計算任意膜系的透射率和反射率.

      從技術要求可知,要滿足短中波的積分能量比,需要利用膜系設計軟件對初始膜系進行優化設計.首先以反射膜系S|(HL)sH|A 為初始膜系,再利用 TFCalc軟件中基于微分算法的變度量(variablemetric)優化方法,經過多次優化,膜系為S|0.5H3.6L1.5H1.9L??1.0L5.8H2.5L0.5H|A,共11層,物理厚度為1592nm, Ge膜總厚度為652.7nm.其中S為 CaF2 基底,A 為入射介質空氣,H 和 L分別表示1/4波長光學厚度的 Ge和SiO.因為SiO 不穩定,在空氣中會氧化成 SiO2,而 Ge的化學性質穩定,機械性能好,所以膜系選擇 Ge作為最外層.理論透射光譜曲線如圖3所示.從圖3中可以看出,2000~2500nm 波段平均透射率為93%,3700~4800nm 波段平均透射率為37%.

2.3 寬帶通濾光片設計方案

        為減少其他波段雜散光的影響,提高仿真系統的信噪比,還需設計一個帶通濾光片[11].通常可由長波通濾光膜和短波通濾光膜分別鍍制在基底的前后表面得到.

 

 2.3.1 前表面膜系設計

      通過測量上述能量調節濾光片在300~1900nm 和5500~7500nm 波長的透射率,得到其透射光譜曲線如圖4所示.

       從圖4(a)知,光譜在300~1250nm 波段已實現完全抑制.但在1250~1900nm 波段仍有能量透過,需要進行抑制.故設計一長波通膜系,反射帶波長設為1250~1900nm,透射波長為2000~5000nm.其基礎膜系為S|(0.5HL0.5H)s|A,但是單個膜堆的反射帶寬有限,所以需要通過疊加2個不同參考波長的長波通膜堆以展寬 反 射 帶[12].所 以 設 定 初 始 膜 堆 為 S|(0.5HL0.5H)121.3(0.5HL0.5H)12|A,中 心 波 長 為1075nm.采用 TFCalc軟件進行優化設計,經多次優化后的膜系為 S|3L0.9H0.7L3.2H??3.4H0.3L1.5H| A,共42層,物理厚度為6136nm,理論設計光譜曲線如圖5(a)所示.從圖5(a)中可以看出,1250~1900nm 波段平均透射率為0.5%,2000~5000nm 波段平均透射率為99%.

2.3.2 后表面膜系設計

       從圖4(b)可以看出,能量調節濾光片在5500~7500nm 波段能量透過較多,所以需要對該波段進行抑制.故設計一短波通膜系,該膜系在2000~5000nm 的紅外中短波高透過,在5500~7500nm 波段截止. 其初始膜系為S|(0.5LH0.5L)s|A,依據等效折射率理論,在初始膜系兩側添加匹配層以使多層膜的等效折射率和基底匹配,從而減少通帶內的波紋[13].經過優化設計后,膜系為 S|2.3L0.7H0.5L4.4H??3H0.3L 1.0H|A,共30層,物理厚度為6341nm.理論設計透射光譜曲線如圖5(b)所示,從圖中可以看出,2000~ 5000nm 波段平均透射率為99%,5500~7500nm 波段平均透射率為0.8%.

 

      把前后表面膜系導入 TFCalc軟件中,該寬帶通濾光片的理論透射光譜曲線如圖6所示.從圖6中可以看出,在通帶2000~5000nm 波段,透射率為98%,1250~1900nm 和5500~7500nm 波段透射率分別為0.5%和0.6%.

3 薄膜的制備

       該能量調節濾光片和寬帶通濾光片是在 TXXG900型真空鍍膜機上制備完成的,該設備配備有IC/5石英晶體膜厚控制儀、考夫曼離子源和雙電子槍.由于SiO 極易氧化,所以離子源氣體選用氬氣,具體鍍制的工藝參數如表2所示.

     實驗前,需用熱的稀 NaOH 溶液對膜料 Ge進行去油污處理,并用稀硝酸中和,最后用去離子水沖洗干凈;并用體積比為1∶1的無水乙醚和無水酒精混合液擦拭基片,鍍制前用離子源轟擊基片10min,以去除基片上殘留的拋光粉和灰塵;鍍制過程中采用電子束加熱方法蒸鍍 Ge,采用電阻加熱方法蒸鍍SiO,由于膜系較厚,采用離子束輔助沉積技術,以提高膜層致密性,離子源參數如表3所示.鍍制完成后,階梯式降溫至80 ℃以下取出基片.

4 測試結果與分析

4.1 光譜性能測試與分析

       用島津 UVG3150分光光度計和島津 VarianG660GIR傅里葉紅外光譜儀分別對300~1500nm 和1500~ 7500nm 波段進行光譜特性測試,得到該濾光片在300~7500nm 的透射率曲線,如圖7所示,短波段透射率與理論存在較大偏差.

      在300~1250nm 波段,平均透射率小于1%;2000~2500nm 波段處平均透射率為90.9%,比理論設計透射率低2.1%.對于弱吸收薄膜[14],雖然在其透明區的吸收不大,但當膜系較厚時,吸收的影響不可忽略, 故實際曲線的透射率比設計低.通過 TFCalc軟件的逆向分析功能對 Ge的消光系數進行計算,模擬出當 Ge的消光系數k 分別為0.005和0.01時,能量調節濾光片在2000~2500nm 波段處平均透射率分別下降2%和5%,如圖8所示.經過與實際測試曲線相比較,逆向分析出Ge在此波段的消光系數為0.005,代入膜系設計軟件,再進行優化改進,最終得到新膜系S|0.52H3.64L1.5H1.9L??0.94L5.9H2.57L0.46H|A,物理厚度為1609nm.采取此方法,在另外2種膜系的設計中都考慮消光系數,生成的新膜系分別為 S|2.84L 0.87H0.67L3.04H??2.58H0.49L1.45H|A 和S|2.33L0.67H0.55L4.43H??3.07H0.3L1.1H|A.經過多次實驗,能量調節濾光片與寬帶通濾光片的前、后表面的測試結果如圖9、10、11所示.

     雙面鍍膜后,基片的透射光譜曲線測試結果如圖12所示,通帶平均透射率為97.8%,抑制帶透射率小于1%.將2個濾光片組合放入光譜儀內,測得其透射光譜曲線如圖13所示.

 

  

      由測試結果可知,該濾波器在300~1900nm 波段與5500~7500nm 波段透射率小于1%,在2000~ 2500nm 短波段與3700~4800nm 中波段平均透射率分別為90.6%和35.7%,滿足系統需要.鍍膜后能量調節濾光片和寬帶通濾光片如圖14所示.

4.2 短、中波積分能量比的計算

        利用 Matlab數學軟件,調用基于梯形法計算定積分值的trapz函數,建立短中波積分能量比計算模型, 把透射率數據導入其中,計算得到該濾波器系統的短、中波積分能量比為1.20,滿足系統要求。

4.3 環境測試

      1)附著力測試:利用粘性強度大于3N/cm2、寬2cm 的高溫膠帶,平整無氣泡地緊貼膜層,然后沿薄膜表面垂直方向迅速拉起,重復10次,未產生脫膜現象.

      2)溫度測試:將樣品放入高溫箱,從室溫升到 60 ℃,保持 12h.再將樣品放入低溫箱,從室溫降到-50 ℃,保持12h,膜層無龜裂現象,取出后測得透射光譜曲線如圖15、16所示,光譜漂移量小于2nm,滿足溫度測試要求.

5 結 論

       短中波能量調節濾波器具有雙波段調節能量、超寬截止帶的特點,比普通的紅外濾光片在膜系設計和制備上具有更大的難度.通過選取高低折射率材料 Ge和 SiO,利用 TFCalc膜系設計軟件進行設計和分析, 合理銜接材料吸收截止帶和薄膜干涉截止帶,減少膜系優化難度,減小了膜系厚度,降低了制備難度;考慮消光系數對透射率的影響,解決了材料吸收帶來的透射率降低問題.并針對不同材料的特性,分別采用電子束蒸發和電阻蒸發技術,使制備的濾波器滿足紅外仿真系統的需要.但是實驗結果與理論設計還有一定差距, 所以尋找新材料和新工藝、進一步提高膜系設計方法是以后的研究方向.

    

 

 

 


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