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0431-81702023
光学工程
红外仿真系统短中波能量调节滤波器的研制

摘要 红外仿真作为一种新型仿真手段,以其仿真可信度高、重复性好、实验成本低等优点在军事领域得到越来越广泛的应用.为满足红外仿真系统的要求,调节红外短、中波段能量的比例,对系统中的滤波器进行研制.选择 Ge和SiO 作为高低折射率材料,利用 Ge在可见光和近红外的吸收特性,通过叠加膜堆展宽反射带,采用 TFCalc 软件的变度量(variablemetric)法对双波段能量调节、超宽截止带滤波器进行优化设计.并针对不同材料的特性, 分别采用电子束蒸发和电阻蒸发技术,制备了相应的滤波器.通过逆向工程方法分析消光系数对透射率的影响, 解决了膜 系 透 射 率 偏 低 的 问 题.制 备 的 滤 波 器 在 300~1900nm 和 5500~7500nm 波 段 透 射 率 小 于 1%,在2000~2500nm波段平均透射率为90.6%,在3700~4800nm 波段平均透射率为35.7%,满足该系统环境测试要求.

关键词 薄膜;滤波器;膜系设计;吸收;红外仿真

1 引 言

      目前,红外仿真技术的发展使红外制导系统的设计、验证、优化变得更加方便.红外制导仿真系统是指通过光学系统提供目标和背景的红外辐射环境,供被测系统进行探测和识别,减少外场实验的次数,能够大大缩短红外制导系统的研制时间和费用.

      在实际应用中,红外制导系统不仅要克服背景噪声的影响,还要面临飞行器释放的红外干扰弹的干扰.而双色成像制导系统可以有效克服红外干扰弹的影响,通常采用双色比来描述红外制导系统的抗干扰特性,其原理是利用目标和干扰弹在中波红外和短波红外2个波段的积分能量比值的不同来区分目标和干扰弹[1].由目标和干扰弹的辐射特性可知,目标的短中波双色比一般小于1.0,干扰弹的双色比一般大于1.0 [2].

      对于干扰弹来说,压制比是干扰弹与被保护飞机之间的辐射强度比值[3],要实现较大的压制比,必须要使干扰弹的温度远远大于尾焰的温度.以美军的 F16为例,其尾喷等效温度不超过900K,而干扰弹的等效温度可达2000~2300K.在实验室中模拟如此高温是不现实的,只有采用相对模拟的方式,即只模拟短、中波能量比,而不去模拟绝对的短、中波能量值[4].国内外对各种滤波器进行了多方面的研究,但对能够在短、中波双波段调节能量,且在工作波段两边具有超宽截止带的滤波器的研究还未见报道[5G8].

      为模拟仿真干扰弹的光谱特性,本文所研究的滤波器需对碘钨灯光源在可见光、近红外、中波红外进行光谱特性模拟,重点解决不同波段光谱的特性需求,使滤波器生成的短中波积分能量比达到仿真的要求.

2 膜系设计

      波红外区的积分能量比要求大于1.0.滤波器的技术要求如表1所示,入射角为0°,且在2000~2500nm 短波红外区与3700~4800nm 的中波红外区的积分能量比要求大于1.0.

      由以上参数可知,滤波器既要满足中短波能量调节的要求,又要具有极宽的抑制带,仅仅依靠一个滤光片是难以实现的.经过分析,采用2片滤光片组合实现,第1片作为能量调节滤光片,在2000~2500nm 波段透射率为93%,3700~4800nm 波段透射率为37%;第2片作为宽带通滤光片,在2000~5000nm 波段透射率为98%,1250~1900nm 和5500~7500nm 波段透射率小于1%,可见光及近红外波段的抑制通过材料的吸收来实现.

2.1 基底及镀膜材料的研究

      选取合适的基底和镀膜材料可以降低设计和制备的难度.针对上述技术指标,满足波段要求的红外基底材料有单晶 CaF2 与多光谱ZnS,但是多光谱ZnS质地较软、折射率较高、透射率较低(约为70%),要在短波红外波段实现较高的透射率需双面镀膜.而单晶 CaF2 在红外波段透射率较高(约为94%),单面镀膜即可满足要求,其物理化学性质稳定且热膨胀系数低,故基底选择 CaF2.

      镀膜材料的选择主要考虑其透明区、吸收区、膜层间以及膜层与基底间的匹配[9].高折射率的红外材料可选择的有 Ge和Si.Si的透明区为1~9μm,Ge的透明区为1.7~23μm,但 Ge的折射率较高且机械性能好,在可见光及近红外波段有较强的吸收,有利于实现宽抑制带的要求.低折射率材料可选择的有 MgF2 与 SiO.SiO 薄膜表现为压应力,Ge膜表现为张应力,交替镀制 Ge膜和SiO 膜可有效减弱应力.但 MgF2 薄膜表现很高的张应力,且 MgF2 在沉积过程中容易产生喷点,MgF2 薄膜比SiO 薄膜更容易破裂,故选择SiO 作为低折射率材料.

2.1.1 材料折射率的计算

      对于光学薄膜而言,同一材料在不同基底温度、真空度、蒸发速率等工艺条件下的光学常数也不相同,不同波长对应的折射率呈色散分布.因此,在膜系设计之前要先确定材料的折射率.一定的工艺条件下,在厚度为2mm 的 CaF2 基底上分别镀制一定厚度的 Ge与SiO,并用红外光谱仪测试其透射率,利用 Cauthy公式进行曲线拟合得到材料不同波长的折射率,其数学表达式为

式中A、B、C 为拟合参量,λ 为波长. Ge和SiO 的折射率色散分布曲线分别如图1(a)和图1(b)所示.

 2.1.2 材料的吸收特性

       利用材料的吸收特性,可以简化膜系结构,展宽抑制带.据所查资料可知,Ge的透明区为1.7~23μm, 在可见光与近红外区域对光波能量具有良好的吸收能力.厚度大于2mm 的 Ge片在1700nm 处,往短波方向吸收系数开始呈指数规律迅速增长,在1500nm 处能量完全截止[10].但是,实际上 Ge作为薄膜材料当厚度为500nm 时,其透射率曲线如图2所示.从图2中可看出,波长880nm 之前由于材料吸收完全被抑制.同时,增加 Ge膜的厚度可在更宽波段实现抑制.

2.2 能量调节膜系设计方案

        为提高仿真系统对实际背景模拟的相似度,该能量调节片要满足短中波的积分能量比大于1.0.由光学薄膜设计理论知,单层薄膜的特征矩阵为

 

通过上述公式就可以计算任意膜系的透射率和反射率.

      从技术要求可知,要满足短中波的积分能量比,需要利用膜系设计软件对初始膜系进行优化设计.首先以反射膜系S|(HL)sH|A 为初始膜系,再利用 TFCalc软件中基于微分算法的变度量(variablemetric)优化方法,经过多次优化,膜系为S|0.5H3.6L1.5H1.9L??1.0L5.8H2.5L0.5H|A,共11层,物理厚度为1592nm, Ge膜总厚度为652.7nm.其中S为 CaF2 基底,A 为入射介质空气,H 和 L分别表示1/4波长光学厚度的 Ge和SiO.因为SiO 不稳定,在空气中会氧化成 SiO2,而 Ge的化学性质稳定,机械性能好,所以膜系选择 Ge作为最外层.理论透射光谱曲线如图3所示.从图3中可以看出,2000~2500nm 波段平均透射率为93%,3700~4800nm 波段平均透射率为37%.

2.3 宽带通滤光片设计方案

        为减少其他波段杂散光的影响,提高仿真系统的信噪比,还需设计一个带通滤光片[11].通常可由长波通滤光膜和短波通滤光膜分别镀制在基底的前后表面得到.

 

 2.3.1 前表面膜系设计

      通过测量上述能量调节滤光片在300~1900nm 和5500~7500nm 波长的透射率,得到其透射光谱曲线如图4所示.

       从图4(a)知,光谱在300~1250nm 波段已实现完全抑制.但在1250~1900nm 波段仍有能量透过,需要进行抑制.故设计一长波通膜系,反射带波长设为1250~1900nm,透射波长为2000~5000nm.其基础膜系为S|(0.5HL0.5H)s|A,但是单个膜堆的反射带宽有限,所以需要通过叠加2个不同参考波长的长波通膜堆以展宽 反 射 带[12].所 以 设 定 初 始 膜 堆 为 S|(0.5HL0.5H)121.3(0.5HL0.5H)12|A,中 心 波 长 为1075nm.采用 TFCalc软件进行优化设计,经多次优化后的膜系为 S|3L0.9H0.7L3.2H??3.4H0.3L1.5H| A,共42层,物理厚度为6136nm,理论设计光谱曲线如图5(a)所示.从图5(a)中可以看出,1250~1900nm 波段平均透射率为0.5%,2000~5000nm 波段平均透射率为99%.

2.3.2 后表面膜系设计

       从图4(b)可以看出,能量调节滤光片在5500~7500nm 波段能量透过较多,所以需要对该波段进行抑制.故设计一短波通膜系,该膜系在2000~5000nm 的红外中短波高透过,在5500~7500nm 波段截止. 其初始膜系为S|(0.5LH0.5L)s|A,依据等效折射率理论,在初始膜系两侧添加匹配层以使多层膜的等效折射率和基底匹配,从而减少通带内的波纹[13].经过优化设计后,膜系为 S|2.3L0.7H0.5L4.4H??3H0.3L 1.0H|A,共30层,物理厚度为6341nm.理论设计透射光谱曲线如图5(b)所示,从图中可以看出,2000~ 5000nm 波段平均透射率为99%,5500~7500nm 波段平均透射率为0.8%.

 

      把前后表面膜系导入 TFCalc软件中,该宽带通滤光片的理论透射光谱曲线如图6所示.从图6中可以看出,在通带2000~5000nm 波段,透射率为98%,1250~1900nm 和5500~7500nm 波段透射率分别为0.5%和0.6%.

3 薄膜的制备

       该能量调节滤光片和宽带通滤光片是在 TXXG900型真空镀膜机上制备完成的,该设备配备有IC/5石英晶体膜厚控制仪、考夫曼离子源和双电子枪.由于SiO 极易氧化,所以离子源气体选用氩气,具体镀制的工艺参数如表2所示.

     实验前,需用热的稀 NaOH 溶液对膜料 Ge进行去油污处理,并用稀硝酸中和,最后用去离子水冲洗干净;并用体积比为1∶1的无水乙醚和无水酒精混合液擦拭基片,镀制前用离子源轰击基片10min,以去除基片上残留的抛光粉和灰尘;镀制过程中采用电子束加热方法蒸镀 Ge,采用电阻加热方法蒸镀SiO,由于膜系较厚,采用离子束辅助沉积技术,以提高膜层致密性,离子源参数如表3所示.镀制完成后,阶梯式降温至80 ℃以下取出基片.

4 测试结果与分析

4.1 光谱性能测试与分析

       用岛津 UVG3150分光光度计和岛津 VarianG660GIR傅里叶红外光谱仪分别对300~1500nm 和1500~ 7500nm 波段进行光谱特性测试,得到该滤光片在300~7500nm 的透射率曲线,如图7所示,短波段透射率与理论存在较大偏差.

      在300~1250nm 波段,平均透射率小于1%;2000~2500nm 波段处平均透射率为90.9%,比理论设计透射率低2.1%.对于弱吸收薄膜[14],虽然在其透明区的吸收不大,但当膜系较厚时,吸收的影响不可忽略, 故实际曲线的透射率比设计低.通过 TFCalc软件的逆向分析功能对 Ge的消光系数进行计算,模拟出当 Ge的消光系数k 分别为0.005和0.01时,能量调节滤光片在2000~2500nm 波段处平均透射率分别下降2%和5%,如图8所示.经过与实际测试曲线相比较,逆向分析出Ge在此波段的消光系数为0.005,代入膜系设计软件,再进行优化改进,最终得到新膜系S|0.52H3.64L1.5H1.9L??0.94L5.9H2.57L0.46H|A,物理厚度为1609nm.采取此方法,在另外2种膜系的设计中都考虑消光系数,生成的新膜系分别为 S|2.84L 0.87H0.67L3.04H??2.58H0.49L1.45H|A 和S|2.33L0.67H0.55L4.43H??3.07H0.3L1.1H|A.经过多次实验,能量调节滤光片与宽带通滤光片的前、后表面的测试结果如图9、10、11所示.

     双面镀膜后,基片的透射光谱曲线测试结果如图12所示,通带平均透射率为97.8%,抑制带透射率小于1%.将2个滤光片组合放入光谱仪内,测得其透射光谱曲线如图13所示.

 

  

      由测试结果可知,该滤波器在300~1900nm 波段与5500~7500nm 波段透射率小于1%,在2000~ 2500nm 短波段与3700~4800nm 中波段平均透射率分别为90.6%和35.7%,满足系统需要.镀膜后能量调节滤光片和宽带通滤光片如图14所示.

4.2 短、中波积分能量比的计算

        利用 Matlab数学软件,调用基于梯形法计算定积分值的trapz函数,建立短中波积分能量比计算模型, 把透射率数据导入其中,计算得到该滤波器系统的短、中波积分能量比为1.20,满足系统要求。

4.3 环境测试

      1)附着力测试:利用粘性强度大于3N/cm2、宽2cm 的高温胶带,平整无气泡地紧贴膜层,然后沿薄膜表面垂直方向迅速拉起,重复10次,未产生脱膜现象.

      2)温度测试:将样品放入高温箱,从室温升到 60 ℃,保持 12h.再将样品放入低温箱,从室温降到-50 ℃,保持12h,膜层无龟裂现象,取出后测得透射光谱曲线如图15、16所示,光谱漂移量小于2nm,满足温度测试要求.

5 结 论

       短中波能量调节滤波器具有双波段调节能量、超宽截止带的特点,比普通的红外滤光片在膜系设计和制备上具有更大的难度.通过选取高低折射率材料 Ge和 SiO,利用 TFCalc膜系设计软件进行设计和分析, 合理衔接材料吸收截止带和薄膜干涉截止带,减少膜系优化难度,减小了膜系厚度,降低了制备难度;考虑消光系数对透射率的影响,解决了材料吸收带来的透射率降低问题.并针对不同材料的特性,分别采用电子束蒸发和电阻蒸发技术,使制备的滤波器满足红外仿真系统的需要.但是实验结果与理论设计还有一定差距, 所以寻找新材料和新工艺、进一步提高膜系设计方法是以后的研究方向.

    

 

 

 


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