付秀华，张天翔，熊仕富，林兆文，王奔

（1 长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

（2 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528436）

（3 天津理工大学 功能晶体研究院，天津 300384）

0 引言

随着红外探测技术的飞速发展，红外探测器在航空航天、气象遥感和红外制导等领域都有着极其重要的作用［1-3］。其主要由光学扫描系统、红外接收光学系统、红外探测器组件、信息处理器、显示装置构成［4］。其中红外滤光片作为一种新型的无源光学元件是红外探测器组件的关键组成部分。超高速飞行器在气动加热效应的影响下，会在工作窗口前端形成激波［5］，致使红外探测器的光学窗口温度大幅度升高，在传输过程中产生的红外辐射直接被光学元件汇聚到探测器上，导致在红外图像上形成很强的亮背景，信噪比大幅降低，严重影响对目标的识别精度，所以选择合适的工作波段、降低其影响尤为重要［6-7］。CO2气体辐射能量主要集中在4.15～4.4 μm 波段［8］，在中红外探测器传输图像过程中影响较为强烈，针对这一辐射能量，研制出能够抗CO2气体辐射的红外负滤光片至关重要。

在中红外3.7～4.8 μm 波段，2015 年，王航等进行了基于长短波通膜系结构，研究了3.7～4.2 μm 波段透射率为80%的单通道宽带滤光片［9］。2019 年，程海娟等基于增透膜系，研究了其波段平均透射率为98.8%，以LaF3、Ge 和ZnS 为镀膜材料的中红外增透膜［10］。2019 年，岳威等基于带通滤光膜系，研究了透射率平均值大于92%，截止波段透射率平均值小于1%的宽带通滤光膜［11］。据所查资料显示，针对阻断3.7～4.8 μm波段内CO2气体辐射滤光片的研究鲜有报道，本文对此进行了研究，以促进中红外探测技术的发展。

1 材料选择

1.1 技术参数

综合考虑中红外探测器使用要求及制备工艺，所选基板为非球面透镜可实现多角度入射，设计的负滤光片截止带宽为0.25～0.3 μm，在3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 处实现高透射，在4.15～4.4 μm 和5.15～5.5 μm 处实现高截止。

1.2 基底与膜料性能研究

中红外波段常用的基底材料有Ge 材料和Si材料，其基板光谱曲线如图1 所示，Si 基板折射率 约为3.4（λ=4 μm），Ge 基板折射率约为4.2（λ=4 μm），两种基板材料均属高折射率材料，在制备透镜过程中可以合理控制面型，得到小矢高的透镜，降低透镜加工的难度。但Ge 材料折射率随温度变化的系数相对Si 材料偏大，增加了光学设计的难度，所以选用Si 材料作为基底材料更为适合。

表1 薄膜材料的基本参数Table1 Basic parameters of thin film materials

红外膜层较厚，选用折射率差值较大的镀膜材料组合，更有利于膜系的优化及减少整体膜层厚度，有效提高实际制备可行性。其中Ge 折射率最高，在3.65～4.85 μm 波段处拥有良好的透明特性，且蒸发特性稳定，因此选择Ge 为高折射率材料。同时薄膜材料之间应力失配，会引发膜层裂膜、起皮等问题。根据查阅文献及以往镀膜工艺的总结，Ge 与YbF3之间的组合情况并不理想，出现脱膜、裂膜的风险很大［12］。SiO 材料性能不稳定，在空气中产生钝化反应氧化形成SiO2。ZnS 作为常用的红外材料，聚集密度高，膜层致密性强，且Ge 在电子束蒸发后呈现张应力，ZnS 在电阻加热蒸发后呈现压应力，张应力与压应力的交替可以减小膜层总应力，从而使总体膜系更加牢固，相对于其他镀膜材料来说，Ge 和ZnS 作为高低折射率材料所产生的吸收较小，可获取更高通带透射率。

确定负滤光膜截止带宽度2Δg为［13］

式中，ω为峰值半宽度，Tmin为最小透射率。两种材料折射率比值为

式中，nH为高折射率材料，nL为低折射率材料，经计算后，Ge 和ZnS 的折射率比值匹配。

故负滤光膜材料选择为Ge 和ZnS，两种材料经过沉积单层膜实验后借助OptiLayer 软件拟合后得到材料折射率如图2 所示。

2 膜系设计

负滤光片是指在特定光谱中阻止某波段光谱透射的滤光片。目前主要的方法有折射率渐变法、非均匀膜法、高低折射率膜堆法。折射率渐变法是通过在镀膜过程中工艺参数不断变化，得到折射率规律变化的薄膜，以此来消除截止带两侧透射带的波纹，但由于折射率变化有限，透射带仍有波纹的存在。非均匀膜法是通过两种或多种材料共蒸发，得到新的材料，此办法对每种材料的蒸发均需精准控制，制备难度高；而高低折射率膜堆法是负滤光片主要的设计办法，针对本文的指标要求，主要应用高低折射率比例膜系结构设计法。

2.1 负滤光膜系设计

为符合设计需求，选用初始膜系结构Sub | 0.5L H（LαH）^S0.5L | Air，根据对称膜系等效层理论可以得到截止带半宽度Δg为［13］

式中，nH和nL分别表示高低折射率材料。取nH=4.1，nL=2.4，则Δg约为160 nm，通过改变α值可以改变截止带的宽度，改变周期数S值可以改变截止带深度。使用OptiLayer 软件将目标值代入并进行全局优化，最后根据光谱需求设定S值为13，α值为4，中心波长λ0为3.5 μm，则初始膜系结构为Sub | 0.5L H（L 4H）^13 L |Air。

总之，虽然情感态度与价值观目标在目前教学中确实还存在着很大问题，但我相信随着时代的发展和教师教学研究的深入，这一目标的实现会越来越好。

优化后得到前表面膜系为Sub | 1.992H 2.049L 2.031H 1.909L 1.807H 0.319L 2.220H 2.022L 2.208H 1.205L 1.616H 0.168L 2.687H 0.657L 2.553H 2.151L 1.116H 1.120L 2.243H 1.082L 2.803H 1.021L 1.062H 2.476L 0.706H 1.180L 2.633H 1.732L 4.307H 0.988L 2.535H 2.055L 2.403H 1.377L | Air，经过优化后的负滤光膜层总厚度为16.718 μm。图3 为单面和双面镀膜理论光谱曲线，即出射介质分别为Si 和空气，负滤光膜在4.15～4.4 μm、5.15～5.5 μm 波段截止，在3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 波段高透射。

因负滤光膜系为非规整膜系，在沉积过程中易出现薄膜材料比例失配情况，造成通带光谱出现次峰、漂移问题，使用OptiLayer 软件引入比例失配后对光谱进行分析，图4（a）为1.01H∶0.99L与0.99H∶1.01L 比例失配光谱，图4（b）为1.02H∶0.98L 与0.98H∶1.02L 比例失配光谱。

在沉积过程中因基板与石英晶振片位置不同，沉积厚度存在差异，为精准控制膜厚，分别沉积单层Ge膜与单层ZnS 膜实验计算沉积材料的Tooling 值，计算后得到Ge 膜层Tooling 值为134%，ZnS 膜层Tooling值为186%。

2.2 红外增透膜设计

根据使用要求需在3.65～4.85 μm 波段处实现高透射，YbF3通常用做红外增透膜的最外层，进而提高宽波段的透射率并降低膜层总厚度。YbF3折射率如图5 所示。中心波长λ0选择4.2 μm，使用OptiLayer 软件进行全局优化，考虑到膜层的机械强度，在膜系最外层镀制ZnS 保护膜［14］。优化后得到的膜系结构为Sub |0.323H 0.480L 0.237H 0.247L 0.816M 0.086L | Air，经过优化后的红外增透膜光谱曲线如图6 所示，在3.65～4.85 μm 波段平均透射率为99.96%。

将负滤光膜和红外增透膜组合后得到完整负滤光膜系，在3.65～4.85 μm 波段光谱曲线如图7 所示。

3 薄膜制备

实验使用的设备为JASOC-1350 型箱式真空镀膜机，配有Telemark-TT-10 型电子枪、霍尔离子源、XTC/3 晶体膜厚控制仪及六点旋转式探头晶控系统，工件盘为二级行星盘。在实验开始前，首先对非球面单晶硅基板进行擦拭，由于非球面基板无法使用红外傅里叶光谱仪直接测试，因此放入具有相同折射率与消光系数的平面Si 基板作为陪镀片进行光谱测试，Ge 薄膜采用电子束蒸发，ZnS、YbF3薄膜采用电阻蒸发。沉积工艺参数见表2。

表2 Ge、ZnS、YbF3沉积工艺参数Table 2 Deposition parameters of Ge、ZnS、YbF3

恒温时间达到120 min 后开始沉积，沉积开始前使用霍尔离子源对Si 基板进行10 min 离子束轰击，为提高基底和膜层的结合力，在前两层添加离子束辅助沉积，沉积结束后，采用相同的工艺制备红外增透膜。离子源参数如表3 所示。

表3 离子源工艺参数Table 3 Technological parameters of ion source

4 测试结果及分析

使用Perkin-Elmer 公司生产的Spectrum Two 型傅里叶红外光谱仪进行测试，单面负滤光膜光谱曲线如图8 所示，红外增透膜光谱曲线如图9 所示。

根据图8 可知，通带内有较多的次峰，且通带透射率低于设计透射率。分析实验结果及制备过程可知，造成此差异的原因可能是在沉积过程中出现了膜厚监控误差，因此使用OptiLayer 软件对负滤光膜系中各层进行敏感度分析，结果如图10 所示。

可以看出在整个膜系中第13、15、17 和21 层敏感度较高，对膜系影响较大，进一步反演分析后发现，实测光谱曲线透射率下降主要由第17 和21 层厚度监控误差过大导致。对负滤光膜系中最敏感的第17 和21层引入1%～3%的随机误差，观察误差对其光谱曲线影响，引入误差后光谱曲线如图11 所示。在引入误差后对4.15～4.4 μm、5.15～5.5 μm 截止区域几乎无影响，但对其通带的透射率影响较为强烈。故对其晶振切换策略展开研究。

在薄膜沉积过程中，监控方式主要是通过监测石英振动频率变化测量膜层厚度［15］，膜层厚度与石英晶振频率为线性关系，薄膜在沉积过程中随着薄膜厚度的增加，石英振动频率会随之下降，探测的准确性也会随之发生变化，经过测试后发现，这些变化在低敏感层并不会导致光谱明显变化，在高敏感层中，微小的厚度误差也会严重影响到光谱特性。根据设计膜系发现敏感层主要为Ge 膜层，通过多次试验分析后发现将晶振切换设定在Ge 膜层时，可减少敏感层厚度误差对光谱曲线影响。晶振切换参数见表4。

表4 晶振切换参数Table 4 Crystal switching parameters

修改晶振参数后再次沉积负滤光膜实验，测试光谱曲线如图12 所示，通带内次峰明显减少，陪镀片在3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 波段处平均透射率分别为65.05%和64.66%，在4.15～4.4 μm 和5.15～5.5 μm波段处最大透射率分别为2.09%和0.23%。

在设计优化前表面和后表面实验的基础上，进行完整的负滤光片沉积实验，陪镀片光谱测试曲线如图13 所示，样片如图14 所示。在高透射区域3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 的平均透射率分别为87.04%和89.79%，最小透射率为83.44%和87.03%，截止区域4.15～4.4 μm、5.15～5.5 μm 平均透射率分别为0.87%和0.23%，最大透射率分别为2.42%和0.64%。

为保证薄膜的环境适应性，根据国军标GJB2485A-1995 要求进行对负滤光片进行测试。

1）附着力试验

使用3M 胶带粘贴在负滤光膜表面，快速垂直将3M 胶带撕下后，使用LED 聚光灯对膜层表面进行检查，若无脱膜情况发生，则对其进行湿热试验。对经过湿热试验后的薄膜表面自然晾干后再次进行附着力试验，无脱膜现象产生，判定其膜层通过附着力测试。

2）湿热试验

在湿度为95%～100%，温度为（60±5）℃的恒温恒湿箱中保持24 h 后取出观察实验片膜层表面有无龟裂、脱膜、起皮和起泡等现象发生。经检查后发现负滤光片无上述现象发生，判定通过湿热试验。

经过上述测试后，重新测试其光谱曲线，发现光谱曲线无明显变化，所制备的负滤光片满足使用要求，且有很好的环境适应性。

5 结论

本文针对红外探测器滤光片的使用需求，依据光学薄膜基本理论，设计并优化了抗CO2气体辐射负滤光片。对负滤光膜层敏感度逆向反演分析，优化了膜厚监控方法，通过对膜层前两层增加离子束辅助沉积技术，提高了膜层牢固度，通过了附着力实验、湿热实验等环境测试。制备的负滤光片在3.65～3.95 μm 和4.50～4.85 μm 波段平均透射率分别为87.04% 和89.79%，最小透射率为83.44% 和87.03%，截止区域4.15～4.4 μm、5.15～5.5 μm 波段平均透射率分别为0.87%和0.23%，最大透射率分别为2.42%和0.64%，提高了探测目标精度。如何进一步提高通带的透射率与截止带的反射率，仍然是日后需要探究的方向。