红外光学薄膜器件温度稳定性研究

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红外光学薄膜器件温度稳定性研究  

    红外光学薄膜器件温度稳定性的研究是在光学薄膜技术不断发展，应用领域日益广泛的背景下提出的。由于光学薄膜器件在空间工程中应用的环境温度会从室温300K降低到85K，其波长会漂移，光谱特性会发生变化，严重影响红外遥感仪器的性能，甚至使仪器失效。因此光学薄膜器件的温度稳定性研究就成为空间遥感工程用光学薄膜领域急需解决的重要课题。作者在空间工程和国防预研基金的资助下，围绕该课题作了深入的研究工作，并取得重要的研究结果： 首先分析了影响光学薄膜器件稳定性的各种因素，并对其物理机理作了进一步的分析。认为：水汽、环境温度和辐照是影响光学薄膜器件稳定性的主要因素，它们通过改变光学薄膜材料的光学常数n、k、d，从而改变光学薄膜器件的光学性能。在通常大气环境下水汽是影响光学薄膜器件稳定性的主要因素，而在低温或空间遥感领域中，温度对薄膜器件性能的影响则占主导地位。 研制了国内第一套光学薄膜器件变温光学特性测试系统，并对测量中由于滤光片和杜瓦瓶的加入产生的系统误差进行了分析。提出减小入射光入射角，将杜瓦瓶的窗口和测量系统的光路略微倾斜的方法来消除了这些系统误差，并指出空间工程在焦平面模式下使用滤光片应该注意的事项。整套光学薄膜器件变温光学特性测试系统的透过率误差小于0.5%T，折射率精确到小数点后第二位，折射率温度系数精确到小数点后第四位。 研究了不同基板温度下沉积的常用红外光学薄膜材料的变温光学特性，给出了常用光学薄膜材料在薄膜状态下的折射率温度系数。

    所测得的结果比Wolfe等人测量的体材料的结果要大，这和样品是薄膜状态有关，也和测量精度有关。
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% r9 V& A' C. M- k- I- Z    分析了材料光学常数随温度变化对带通滤光片和截止滤光片中心波长的影响。提出了提高光学薄膜器件稳定性，尤其是温度稳定性的方法。认为：提高膜层填充密度，优化膜系设计，研制新型镀膜材料，以克服薄膜材料光学参数随温度变化对薄膜器件稳定性带来的影响，是改善光学薄膜器件稳定性，尤其是温度稳定性的重要途径。

    提出掺杂和制备三元混晶可以改善半导体材料折射率温度系数的理论和方法，并通过制备三元混晶的方法研制了新型的红外高折射率材料Pb1-xGexTe。

    研究了不同基板温度下沉积的不同组份的Pb1-xGexTe薄膜样品的变温光学特性。发现Pb1-xGexTe材料的折射率随组分的增大而减小，但其折射率温度系数随组分的增大逐渐由PbTe材料的负折射率温度系数转变为Pb1-xGexTe材料的正折射率温度系数。
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( [/ H+ n1 T2 H# n+ n5 }& A    研究了Pb1-xGexTe材料短波吸收边和基板温度、环境温度、组份之间的关系。发现Pb1-xGexTe材料的短波吸收边随组分的增大短移，但随基板温度的上升长移。Pb1-xGexTe材料的吸收边温度系数随组分的增大减小，但随基板温度的上升而增大。

$ q/ r  x0 y/ l. n+ n, E    确定了折射率温度系数接近于零，能和ZnSe材料相匹配的Pb1-xGexTe材料的组份。认为X=0.20附近的Pb1-xGexTe材料折射率温度系数最佳，用它和ZnSe材料相匹配，能够有效地减小滤光片的温度漂移。
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8 J: N$ x# O$ z+ X" ~    用Pb1-xGexTe和ZnSe材料研制了3.74μm和10.8μm两个通道的带通滤光片的温度漂移比不掺Ge的常用PbTe和ZnSe镀制的滤光片温度漂移小一个数量级，其温度稳定性达到了空间工程的要求。
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    光学薄膜器件光学性能的温度稳定性，对航空航天工程光学遥感仪器的性能好坏起着至关重要的作用，也促使作者进行了这方面的研究工作。值得提出的是红外光学薄膜器件的温度稳定性研究和新型红外镀膜材料Pb1-xGexTe的研制，目前在国际红外光学薄膜领域也还是一个前沿性的研究课题。新材料不但在温度稳定性上显现出卓越的性能，而且在光谱透过区域、折射率控制等方面均显现出其他红外镀膜材料所无法比拟的优势。这些结果的取得，标志着我国在红外光学薄膜器件温度稳定性研究这一课题上已经达到国际领先水平。随着Pb1-xGexTe材料制备工艺的不断完善，Pb1-xGexTe材料一定会在红外光学薄膜领域发挥更重要的作用。