卫星激光防护薄膜窗口的设计与制备技术研究

当前反卫星激光武器发展迅猛,迫切需要研究和发展卫星的激光防护技术,以增强卫星在空间的生存与防护能力。本文采用可见光-近红外透明和中波吸收的玻璃基底与线性激光防护薄膜相结合的设计方法,在玻璃基板一面设计分光膜,实现1. 315μm波长的反射和0. 5～0. 8μm、1. 55μm波段的增透,在玻璃基板另一面设计双波段减反射膜,实现0. 5～0. 8μm和1. 55μm波段的增透。采用离子束溅射沉积技术,实现了激光防护窗口薄膜的制备,在0. 5～0. 8μm的平均透过率大于96%,1. 55μm的透过率大于98%,1. 315μm的透过率小于0. 1%,在2. 7μm的透过率为30%,在3. 8μm的透过率为1. 1%。实验结果表明,该方法实现了可见光-近红外-中红外波段激光防护窗口的制备,对于卫星平台防护激光武器具有重要作用。     

锗基底7～11.5μm高性能红外宽带减反射膜的研究

为了提高锗基底的透过率和膜层的机械强度，对锗基底上高性能的红外宽带减反射膜的设计与制备工艺进行了研究。介绍了红外宽带减反射膜的膜料选择、膜系设计以及采用 离子束辅助沉积该膜系的过程。给出了用该方法制备的7～11.5μm波段宽带减反射膜的实测光谱曲线，其峰值透过率高达99.5％以上，在设计波段范围内平均透过率大于97.5％， 膜层附着性能好，光机性能稳定。这对于红外光学系统的应用具有十分重要的意义。     

0.2 nm带宽滤光片的制备以及退火温度对其形貌和性能的影响

近红外波长为1.064 μm的激光是激光测距、自由空间光通信和空间光学遥感等应用中的主要激光光源之一.窄带滤光片是抑制背景光干扰的关键元件之一,目前大部分滤光片的半峰全宽为几纳米.本文研制了中心波长为(1064±0.05) nm、半峰全宽为0.19 nm、峰值透过率可达70.2％的带通滤光片,并考察了不同温度(100,200,300℃)退火处理后滤光片的表面形貌和光谱特性的变化.实验结果表明:滤光片的表面光滑,受退火温度的影响很小;滤光片的透射光谱随着退火温度的升高向长波方向移动,在100℃退火处理3h的滤光片的光谱漂移量为0.03 nm,说明该滤光片可在温控条件有限的空间光学系统中使用.     

双波段截止分色滤光片研究

为实现45°入射情况下K9基底上双波段截止分色的特性(截止带波长0.5~0.68μm、0.73~0.79μm,通带波长0.83~0.87μm),采用F-P型的带通滤光片膜系结构为初始结构,与常规设计理念相比有效减少了膜层的数量,薄膜的高折材料采用Ti O2,低折材料采用Si O2,以实现双波段截止的目的。膜层的设计层数为23层,总厚度为2.278μm,借助电子束蒸发物理气相沉积法实现了镀制,利用分光光度计对镀制样品的透过率进行评估。测试结果显示,截止区(0.5~0.68μm和0.73~0.79μm)平均截止深度分别达到了12.57%和20.39%,通带0.83~0.87μm波段内的平均透过率达到了91.35%,样品测试曲线与设计相比,"蓝移"将近10 nm。薄膜样品基本实现了设计目标,具有双波段截止、高通带透过率的特性。在环境测试中:薄膜表现出显著的稳定性,膜层间匹配度适宜。该双波段截止分色滤光片能够应用在一些极端的情况下。     

可见-短波红外成像系统色彩恢复滤光片研制

针对当前0.40～2.50 μm宽光谱响应成像系统可见光波段颜色信息丢失,全波段只能灰度成像的问题,设计并制备了用于全天时、可见光色彩恢复、短波红外(Short-Wave Infrared,SWIR)多波段成像的滤光片。使用Essential Macleod膜系设计软件,通过三种设计方案进行参数和性能对比,最终采用短波通基础膜系的两级截止带构造蓝光(B)+SWIR、绿光(G)+SWIR、红光(R)+SWIR负滤光片膜系设计,采用长波通基础膜系实现0.42～2.50 μm通带膜系设计。以上四个滤光片的组合选用Ta₂O₅和SiO₂为高低折射率材料在石英玻璃JGS-1基底上制备,经过测量通带的平均透过率均大于93.6%,通带平均透过率之差小于1.6%。最后用制备的滤光片进行拍照和计算,对色彩恢复功能进行验证。测试结果对宽光谱彩色成像技术的进一步研究具有参考价值。     

激光入射角对干涉带通滤光片输出性能的影响

利用红外光谱分析技术,研究了激光入射角度对干涉带通滤光片输出性能的影响。激光入射角的变化对滤光片的峰值波长、峰值透过率等性能参数具有明显的影响;分析了中红外滤光片对3.8μm波段激光的透射性能,给出了滤光片的输出特性与入射激光角度的变化关系。     

一种用于Yb:YAG激光器的波长分离膜的研制

以1 030 nm高反,940,980 nm高透的波长分离膜作为实例,为提高该薄膜元件的波长分离效果,从膜系的优化方面做了一系列的研究,诸如采用带通滤光片的设计思想,在膜堆两侧加入了匹配层,调整膜堆的周期厚度,并用膜系设计软件对通带作进一步的优化.通过这一系列的优化设计后,利用RF双离子束溅射工艺在BK7玻璃基底上沉积样品薄膜,并在基底背面加镀通带增透膜.结果显示,透射带在940和980 nm处的透过率分别为97.73%和93.63%,反射带在1 030 nm的反射率为99.99%.对所制备的样品薄膜进行了激光损伤阈值测量,得到了35 J/cm2(1 064 nm,12 ns)的结果.     

薄膜截止滤光片的消偏振设计

薄膜截止滤光片在倾斜入射时不可避免地会产生s和p二个偏振分量的分离,因而在许多应用,特别是光通讯的应用中成为一个棘手的难题。提出了一种新的设计方法,对最常用的45°入射角,实现了长波通和短波通两种截止滤光片的完全消偏振, 在透射率为50%处,其偏振分离分别为0.3 nm和0.1 nm。基本的设计方法是采用宽带法布里珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通截止滤光片的初始膜系,然后经过适当的优化以提高透射带的透射率。宽带干涉滤光片的间隔层常由半波长厚度的高、低折射率混合膜层组成,如2H2L2H或2L2H2L。由于这种设计的截止区和透射带带宽常嫌不足,故提出了展宽截止区和透射带的方法。对一个典型的短波通截止滤光片,在波长1550 nm,截止区和透射带宽均达到了200 nm。这种设计方法不仅简单、性能优良,而且膜厚控制容差较大,故易于制造。     

膜截止滤光片的消偏振设计

薄膜截止滤光片在倾斜入射时不可避免地会产生s和 p二个偏振分量的分离,因而在许多应用,特别是光通讯的应用中成为一个棘手的难题。提出了一种新的设计方法,对最常用的45°入射角,实现了长波通和短波通两种截止滤光片的完全消偏振, 在透射率为50%处,其偏振分离分别为0.3 nm和 0.1 nm。基本的设计方法是采用宽带法布里珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通截止滤光片的初始膜系,然后经过适当的优化以提高透射带的透射率。宽带干涉滤光片的间隔层常由半波长厚度的高、低折射率混合膜层组成,如2H2L2H或2L2H2L。由于这种设计的截止区和透射带带宽常嫌不足,故提出了展宽截止区和透射带的方法。对一个典型的短波通截止滤光片,在波长1550 nm,截止区和透射带宽均达到了200 nm。这种设计方法不仅简单、性能优良,而且膜厚控制容差较大,故易于制造。     

一种大入射角容差宽带薄膜偏振器

通过组合长波通和短波通膜堆的方法,设计并制备了一种大入射角容差宽带薄膜偏振器。该薄膜为HfO_2/SiO_2结构,采用无离子束辅助的电子束蒸发工艺,蒸发金属铪和SiO_2制得。对该膜的透射率光谱、激光损伤阈值和形貌进行了研究,结果显示其不仅在1044~1084 nm波段内都具有很高的对比度,而且在1064 nm波长、53°~60°的入射角范围内具有很大的消光比和激光损伤阈值,且损伤特性基本不随入射角变化。该偏振器的P光损伤阈值约为20 J/cm~2,损伤主要由基板与薄膜界面处的纳米级缺陷所引起;S光损伤阈值约为45 J/cm~2,损伤主要由激光辐照下薄膜表面的等离子烧蚀现象引起。     

屏蔽电磁波和红外的激光滤光片研制

为了研制具有高效电磁屏蔽功能的反红外、透1064nm激光的滤光片,基于金属薄膜诱导理论和多层薄膜的干涉原理,设计了诱导滤光膜的膜系结构,并讨论了金属Ag薄膜厚度误差对滤光片光谱性能的影响。采用离子束辅助沉积的方式制备膜系中的介质薄膜,采用离子束溅射方式制备了金属Ag薄膜;利用放大膜厚控制误差的方法,精确地监控薄层金属Ag膜的沉积厚度,同时避免了Ag膜被氧化。通过工艺实验,制备的滤光片在1064nm激光波长的透射率达到88%以上、中长波红外波段反射率达90%以上,对18～36GHz电磁波屏蔽效能达到23dB以上,具有良好的中长波红外及电磁波屏蔽功能。     

探测用宽截止红外双通道帯通滤光片的设计及误差分析

为满足探测1,2丙二醇二硝酸脂有毒气体浓度的红外探测元件抑制带截止深度深、通带内平均透射比高、波纹系数小等要求,采用等效折射率理论与局部优化相结合的设计方法,选用PbTe/ZnSe作为高低折射材料,采用长波通膜系、短波通膜系以及双半波膜系设计了截止深度深、双通道、通带宽度合适的红外滤光片,通带分别为5.9～6.2μm及11.9～12.2μm,通带内平均透射比分别在90%及65%以上;对所设计的膜系进行了薄膜物理厚度和膜层折射率的误差分析。分析表明,薄膜制备时沉积速率精度应控制在3.5%以内,材料折射率的变化应控制在3%以内,与膜层折射率相比,薄膜物理厚度对平均透射比的影响小,并且双半波膜系对厚度以及折射率变化更敏感。     

中波红外3 μm～5 μm宽带通滤光片的研制

 中波红外宽带通滤光膜通常膜系层数多,膜层总厚度非常大（厚度达到10 μm左右）,膜层的镀制工艺难度较大。通过分析红外带通滤光片几种设计方法的特点,并结合实际镀制工艺技术,采用了长波通与短波通及非规整薄膜设计技术相结合的方法,设计了以锗材料为基底的中波3 μm～５ μm宽带通滤光膜。该设计大幅度降低了膜层的总厚度（约为8.65 μm）,缩短了膜层的镀制周期,提高了膜层的牢固度;在膜层的镀制工艺过程中,通过改变薄膜材料的蒸发速率、修正蒸发硫化锌材料时电子枪的扫描方式、调整蒸发材料在坩埚中的装载方法,使膜层获得了优异的光谱性能,其通带平均透过率大于96%,截止区域的平均透过率小于1%。     

刑侦检测光学系统中干涉滤光片的设计与制备

在刑侦现场勘查不同物证痕迹时,采用多波段光源对痕迹进行获取,而多波段光源是利用不同性能的干涉截止滤光片以获得不同波段的输出光.为了寻找衣物上体液和其它痕迹,利用干涉滤光片的组合方法,采取电子束蒸发并加以离子辅助沉积系统,根据薄膜干涉滤光片理论并借助膜系设计软件,制备了低成本高质量的450~520 nm波段高透射矩形波.通带透过率大于99%,其它波段透过率小于0.2%,陡度S<3%,并通过了酸碱度环境的检测.重点讨论了膜系设计中波纹产生的原因及波纹的的压缩.     

固体发动机羽烟的激光透过率测试

为获得羽烟对激光透过率的影响,用烟箱法对2种配方的缩比发动机羽烟在1.06 μm、10.6 μm激光波段的透过率进行测试.采用1.064 μm激光调制发射、接收、数据采集系统对1.06 μm激光波段烟雾透过率测试;用黑体、光谱辐射计、数据采集系统可测出2 μm ～13 μm 的光学透过率,从中提出10.6 μm激光波段烟雾透过率,得到不同推进剂配方、不同烟雾浓度情况下10.6 μm光波和1.06 μm光波的烟雾透过率测试数据.烟箱1.8 m烟道上的测试数据表明:配方2推进剂优于配方1推进剂,10.6 μm光波的烟雾透过率96%～97%大于1.06 μm光波的烟雾透过率92%～93%.     

氧化铟掺铪红外透明导电薄膜

采用射频磁控溅射与退火工艺相结合的方法,分别在石英和硒化锌(ZnSe)衬底上制备了掺铪氧化铟(IHfO)薄膜,掺杂比例In2O3∶HfO2为98wt.%∶2wt.%.测试了薄膜的组成结构和3～5μm红外波段的光电性质,分析了退火温度、薄膜厚度和氧气流速对薄膜性能的影响.X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱表明,制备的IHfO薄膜具有氧化铟的立方体结构,掺杂铪并没有影响氧化铟的生长方向,但是减小了晶格间距,铪与铟外层电子形成新的杂化轨道.傅里叶变换红外光谱表明,随着退火温度的增加,IHfO薄膜在3～5μm波段的透过率逐渐下降,沉积在ZnSe衬底上的薄膜具有更平稳的透过率,厚度为100nm薄膜在3～5μm波段平均透过率为68%.测试霍尔效应表明,随着氧气流速的增加,IHfO薄膜电阻率逐渐增加,载流子浓度减小,霍尔迁移率变化不明显.晶界散射是影响IHfO薄膜迁移率的主要因素,当氧气流速为0.3sccm时,薄膜最佳电阻率为3.3×10~(-2)Ω·cm.与透可见光波段的导电氧化铟锡(ITO)薄膜相比,制备的IHfO薄膜可以应用在3～5μm红外波段检测气体,红外制导等领域.     

可见光波段及1 064 nm波长处用于Glan-Taylor棱镜减反射膜

为了提高Glan-Taylor棱镜的透射率,研究了Glan-Taylor棱镜在可见光波段及1 064 nm波长处减反射膜膜的设计和制备.为提高薄膜和冰洲石晶体的附着力,采用沉积Al2O3为过渡层,ZrO2作缓冲层的方法,用单纯形优化的方法进行膜系优化设计.用电子束沉积和离子束辅助沉积的方法制备了多层减反射膜,并采用石英晶体振荡法监控膜厚和沉积速率.测量结果表明,在可见光波段及1 064 nm波长处的剩余反射率均小于0.5%经测试薄膜与冰洲石晶体的附着力性能良好.     

1064nm激光与远红外共窗口成像系统波长分离膜的研制

根据激光与远红外共窗口成像系统的技术要求,研制了一种波长分离膜,实现通过共窗口的激光与远红外光分离成像,即1 064nm高反射、8~14μm高透射.分析薄膜的微观结构,研究了薄膜材料吸潮前后的折射率变化,结合光学薄膜理论,优化膜系结构.在薄膜应力的基础上,优化膜层厚度,提高薄膜牢固性.研制的分离膜,1064nm反射率为99.71%,8~12μm平均透过率为97.1%,12~14μm平均透过率为90.1%,满足户外环境中长期使用的要求.     

采用半导体量子阱薄膜实现Nd:YAG激光器被动锁模

采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)法在InP衬底卜低温生长6个周期的InGaAsP多量子阱薄膜,薄膜对1.06μm激光的小信号透过率为23%.该薄膜兼作Nd:YAG激光器的可饱和吸收体及耦合输出镜,实现1.064 μm激光的被动锁模运转,获得平均脉宽23 ps,能量15 mJ的单脉冲序列.采用射频磁控溅射法在石英衬底上制备4个周期的Si/SiNx多量子阱薄膜,样品在氮气环境下以1000℃退火30 min后,插入Nd:YAG激光器腔内,实现1.064μm激光的被动锁模,获得脉宽30 ps的脉冲序列.多量子阱半导体薄膜作为可饱和吸收体实现激光器的被动锁模具有成本低、设计和制作简单、运转稳定和使用方便的优点.     

激光对于烟雾的穿透特性分析

根据Mie理论、Lambert-Beer定律和经典扩散方程建立了激光通过动态烟雾的透过率的理论模型。分别计算了波长为0.808μm,1.064μm,1.5μm和10.6μm的激光通过动态烟雾的透过率。比较了1.064μm和0.808μm的激光透过率的理论计算值与实验值。结果证明,理论模型能较好的符合实验结论。