3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm紅外雙色濾光片的研制

周 晟，王凱旋，劉定權(quán) ，胡金超，李耀鵬，王曙光

（1. 中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2. 上海科技大學(xué) 物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 200031；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引 言

紅外感知技術(shù)在光學(xué)遙感、物聯(lián)網(wǎng)、夜間行駛和安防等領(lǐng)域都有良好的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和發(fā)展前景[1-3]。紅外濾光片作為常用的光譜獲取元件，有高度精確的光譜，易于和感光器件結(jié)合，方便應(yīng)用在各種靜止、移動、地面和空間使用的紅外探測裝置上[4-5]。實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，可見光和紅外背景干擾明顯增加，加上復(fù)雜的光電環(huán)境，單波段紅外成像系統(tǒng)常常會被干擾輻射誤導(dǎo)，出現(xiàn)探測不到目標(biāo)或者虛警的情況。因此，需要發(fā)展紅外雙色探測技術(shù)，利用目標(biāo)的兩個特征光譜、兩個光譜的和以及兩個光譜的差分等多種形式的信號，綜合判斷被探測目標(biāo)，減少輻射干擾帶來的影響，提高探測的準(zhǔn)確性[6]。

紅外雙色濾光片是紅外雙色探測技術(shù)的核心元件[7]，是一種包含兩個光譜通道的多層膜干涉濾光片，可以在任意幾何點(diǎn)上形成兩個光譜通道，并且可有效攔截工作光譜以外的光學(xué)輻射能量。它在成像時沒有位置差和時間差，對高速運(yùn)動目標(biāo)成像具有獨(dú)特優(yōu)勢。雙色濾光片還是一種新型的無源光學(xué)元件，不需要額外的機(jī)電裝置。在對于具有兩種特定特征波長的探測應(yīng)用中，對提高系統(tǒng)的集成度有非常大的優(yōu)勢。與濾光片陣列排布的雙光譜器件相比，雙色濾光片制備工藝更加單一，不會產(chǎn)生通道間的光線串?dāng)_問題，性能也更加穩(wěn)定可靠。

在紅外遙感領(lǐng)域，采用雙色探測技術(shù)的公開報導(dǎo)比較少，最典型的是20世紀(jì)90年代，美國國家海洋與大氣管理局在對GOES-Q衛(wèi)星進(jìn)行改進(jìn)時，提出了一種用于中、遠(yuǎn)紅外區(qū)的雙色薄膜器件的方案，但沒有公開顯示的數(shù)據(jù)。Brian T.Sullivan等人用35層的非規(guī)整膜系完成了420～580 nm范圍內(nèi)的雙帶通濾光片的研制[8]。王懿喆提出了一種利用緩沖層和組合膜系設(shè)計(jì)雙色濾光片的設(shè)計(jì)方法[9]，其設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要進(jìn)行等效層的替換，并且不同膜系間需要加入緩沖層匹配，入、出射介質(zhì)也需要進(jìn)行匹配，工藝實(shí)現(xiàn)難度較大。蔡淵等人基于組合Fabry-Perot膜系設(shè)計(jì)了中波紅外雙色濾光片[10]，但此方法設(shè)計(jì)出的雙色濾光片的兩個通道存在一個最近距離，該最近距離的大小受通道帶寬的影響。

本文介紹了一種3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm波段的低溫雙色濾光片，其膜系基于負(fù)濾光膜系和長、短波截止膜系組合而成。膜層鍍制時采用單波長的極值百分比光學(xué)監(jiān)控 (POEM)方法進(jìn)行膜厚控制，從而保證了膜層控制精度[11]。此外，還研究了雙色濾光片在低溫條件下的光譜變化情況。

2 膜系設(shè)計(jì)

雙色濾光片的膜系設(shè)計(jì)通常采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)。第一種是以Fabry-Perot (F-P)膜系為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的膜系設(shè)計(jì)[10]，這種方法是由分布在基片兩側(cè)的兩個單F-P帶通膜系組合而形成雙色通道，其中一側(cè)的膜系需要對另一側(cè)的F-P通帶進(jìn)行增透，如圖1所示。對于這種設(shè)計(jì)方法，由于兩個單帶通膜系彼此相互獨(dú)立，故其中心波長位置和帶寬可以單獨(dú)確定，且兩個通帶的相對位置可以連續(xù)調(diào)整。但是，對于兩個通道相隔較近，或者帶寬較寬的情況，很難設(shè)計(jì)到令人滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖1 兩個單F-P帶通膜系組合而成的雙色濾光片F(xiàn)ig. 1 Dual-color filter composed of two single F-P bandpass filters

第二種是基于負(fù)濾光膜系和寬帶通膜系組合而成的雙色濾光片膜系設(shè)計(jì)[7,12]。基片一側(cè)的負(fù)濾光膜系負(fù)責(zé)控制通帶中間的位置和兩個通道之間的帶外抑制；基片另一側(cè)的寬帶通膜系負(fù)責(zé)控制通帶兩端的位置和通道兩側(cè)的帶外抑制，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)方法需要控制的參數(shù)較多，光譜定位難度較大，但對于兩個通道相隔較近，帶寬較寬的情況，具有良好的設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖2 負(fù)濾光膜系和寬帶通膜系組合而成的雙色濾光片F(xiàn)ig. 2 Dual-color filter composed of a notch filter and a wide band-pass filter

本文設(shè)計(jì)的紅外雙色濾光片包含3.2～3.8 μm(通道1)和4.9～5.4 μm(通道2)兩個通道，兩個通道間隔較窄，并且通道1的通帶較寬，適合第二種設(shè)計(jì)方法。由于濾光片的整體通帶(3.4～5.3 μm)很寬，寬帶通膜系的頂部波紋振幅很難壓縮，故在設(shè)計(jì)時將短波截止(長波通)膜系融合到一側(cè)的負(fù)濾光膜系中，另一側(cè)的長波截止(短波通)膜系也僅優(yōu)化通帶范圍內(nèi)的頂部波紋。

2.1 負(fù)濾光膜系設(shè)計(jì)

基片材料和膜層材料選用在中波紅外波段的高透明材料。基片選用單晶Ge，折射率約為4.0；高折射率膜層材料選用Ge，折射率約為4.1；低折射率薄膜材料選用ZnSe，折射率約為2.4。負(fù)濾光膜系的基本結(jié)構(gòu)是(0.5HβL 0.5H) ^nL，其中，H表示光學(xué)厚度為1/4波長的Ge膜層，L表示光學(xué)厚度為1/4波長的ZnSe膜層。通過改變系數(shù)β可以調(diào)整兩個通帶之間的間距，也就是負(fù)濾光片的光譜寬度。通過改變周期次數(shù)n可以調(diào)整負(fù)濾光膜系的光譜陡度。

本文中，根據(jù)通道間距和陡度需求，設(shè)定β=3，n=12，則負(fù)濾光膜系的初始結(jié)構(gòu)為(0.5H 3L 0.5H) ^12 L，給定目標(biāo)值，同時設(shè)置通帶內(nèi)(3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm)高透、通道間(4.0～4.7 μm)截止和短波側(cè)(＜3.0 μm)截止，再進(jìn)行全局和插值優(yōu)化，得到如下膜系結(jié)構(gòu)：

Sub丨0.100H 6.197L 1.216H 3.712L 0.671H 1.518L 1.669H 2.775L 2.304H 1.588L 1.570H 3.781L 0.181H 2.198L 1.788H 1.813L 2.392H 2.699L 1.759H 1.073L 0.968H 5.256L丨Air。

其中，設(shè)計(jì)波長λ1=2 200 nm，Sub表示基片(單晶Ge)，Air表示入射介質(zhì)(空氣)，優(yōu)化后的負(fù)濾光膜設(shè)計(jì)曲線如圖3所示，沒有考慮減少Ge基片的背面反射。

圖3 設(shè)計(jì)的含有短波截止膜系的負(fù)濾光膜系透射曲線Fig. 3 Transmittance curve of notch filter films with longpass filter

在負(fù)濾光膜系中，各層薄膜的厚度誤差對光譜的影響程度不同。膜層沉積過程中產(chǎn)生的誤差并不會因?yàn)槟拥暮癖∮泻艽蟮膮^(qū)別，所以采用光學(xué)厚度的絕對誤差評估膜厚對光譜的影響較為合理。為了使不同膜層的厚度誤差對光譜的影響程度對比更為明顯，采用0.1 qw(1/4波長)的光學(xué)厚度誤差對負(fù)濾光膜系兩側(cè)通帶的頂部波紋振幅進(jìn)行了誤差分析，如圖4（彩圖見期刊電子版）所示。

圖4 負(fù)濾光膜系各層薄膜在0.1 qw（1/4波長）光學(xué)厚度誤差時頂部波紋振幅的變化Fig. 4 The top ripple amplitude variation of each layer of a notch filter when the optical thickness error is 0.1 qw (1/4 wavelength)

圖4中橫坐標(biāo)對應(yīng)第N層膜，縱坐標(biāo)對應(yīng)第N層膜的膜厚誤差所造成的頂部波紋振幅的變化量。從圖4中可以看到，第13層的膜厚誤差對通道1的光譜影響最大，第19層的厚膜誤差對通道2的影響最大。相對而言，通道1的靈敏度更高一些，這是由于通道1的帶寬更寬，并且在負(fù)濾光膜系中融合了短波截止膜系的緣故。

2.2 長波截止膜系設(shè)計(jì)

長波截止膜系是一種常見的光學(xué)膜系結(jié)構(gòu)，可以采用經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法[13]。設(shè)置初始膜系結(jié)構(gòu)為(0.5L H 0.5L)^10，高折射率膜層H選用Ge材料，低折射率膜層選用ZnSe材料。

為了得到更為平坦的透射帶，該截止膜系僅優(yōu)化通帶范圍內(nèi)的頂部波紋，優(yōu)化后的膜系結(jié)構(gòu)如下：

Sub丨0.178L 3.288H 2.978L 2.891H 2.377L 2.364H 2.297L 2.649H 2.916L 2.502H 1.908L 2.104H 2.144L 3.484H 2.558L 1.621H 1.876L 2.533H 3.608L 1.053H 1.490L丨Air。

設(shè)計(jì)波長λ2=2 650 nm，優(yōu)化后的長波截止膜系的透射光譜曲線如圖5所示，此設(shè)計(jì)沒有考慮減少Ge基片背面的反射。

圖5 設(shè)計(jì)的長波截止膜系透射光譜曲線Fig. 5 Transmittance curve of the designed short-pass filter

負(fù)濾光膜系和長波截止膜系組合后得到雙色濾光片，其透射光譜曲線如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)的雙色濾光片透射光譜曲線Fig. 6 Transmittance curve of the designed dual-color filter

3 濾光薄膜制備

薄膜制備采用蒸發(fā)沉積的方式在高真空條件下實(shí)現(xiàn)。鍍膜設(shè)備是德國布勒萊寶光學(xué)(Buhler Leybold Optics)公司生產(chǎn)的ARES1110型鍍膜機(jī)，光控型號為OMS5000，波長控制范圍為400～2 400 nm。Ge薄膜沉積采用電子束蒸發(fā)沉積技術(shù)，ZnSe薄膜采用電阻熱蒸發(fā)沉積技術(shù)。在膜層生長過程中，基片沉積溫度保持在（150±10）℃內(nèi)。為提高膜層與基板的結(jié)合力，鍍膜前用離子源對Ge基片表面進(jìn)行離子束轟擊，以清除表面的殘余污染，激活表面原子活性。薄膜沉積生長的工藝參數(shù)見表1。

表1 Ge和ZnSe薄膜沉積工藝參數(shù)Tab. 1 Deposition parameters of the Ge and ZnSe films

負(fù)濾光膜系和長波截止膜系的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，采取了全非規(guī)整層的設(shè)計(jì)，敏感膜層較多。鍍膜過程中采用直接光學(xué)監(jiān)控方式，原位測量鍍膜過程中測試片，即產(chǎn)品的透射率。使用德國布勒萊寶公司編寫的MCalc軟件設(shè)計(jì)膜厚監(jiān)控曲線，采用單波長的光學(xué)極值百分比監(jiān)控策略(POEM)控制膜層的厚度。

負(fù)濾光膜系的監(jiān)控波長選用2 110 nm，監(jiān)控設(shè)計(jì)曲線如圖7（彩圖見期刊電子版）所示。

圖7 負(fù)濾光膜系的單波長（2 110 nm）直接監(jiān)控設(shè)計(jì)曲線Fig. 7 Designed curve of 2 110 nm single-wavelength direct monitoring of the notch filter

圖7中藍(lán)色曲線和綠色曲線分別表示Ge膜層和ZnSe膜層在2 110 nm監(jiān)控波長下透過率隨光學(xué)膜厚的變化情況。在監(jiān)控波長選擇時，需要確保任一膜層的監(jiān)控停止位不能距離下一個極值點(diǎn)太近，如保持(Tmax?Tmin)×4%以上距離，這樣可以較為精確地監(jiān)控每一層薄膜的光學(xué)厚度。

與負(fù)濾光膜系的情況類似，長波截止膜系的監(jiān)控波長選用2 026 nm，監(jiān)控設(shè)計(jì)曲線如圖8（彩圖見期刊電子版）所示。

圖8 長波截止膜的單波長（2 026 nm）直接監(jiān)控設(shè)計(jì)曲線Fig. 8 Designed curve of 2 026 nm single-wavelength direct monitoring of the short-pass filter

4 測量與討論

4.1 光譜測量

使用美國Perkin-Elmer公司生產(chǎn)的Spectrum GX型傅立葉紅外光譜儀分別對單面鍍制的負(fù)濾光膜、長波截止膜和完整的雙色濾光片進(jìn)行透射光譜測量，測量結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 Ge片上單面鍍制的負(fù)濾光膜和長波截止膜的測量光譜Fig. 9 Measured spectra of the notch filter and the shortpass filter coatings both on one side of Ge substrate

圖10 雙色濾光片測量光譜Fig. 10 Measured spectrum of the dual-color filter

從測試結(jié)果可以看到，負(fù)濾光膜短波透射區(qū)的頂部波紋略差于設(shè)計(jì)效果。這是由于短波側(cè)的通帶范圍較寬，膜系中的敏感膜層較多，故每一層膜厚的輕微誤差都會導(dǎo)致頂部波紋振幅變大，這是各層綜合誤差累加后產(chǎn)生的結(jié)果，在整個膜系的研制過程中難以避免[14]。

負(fù)濾光膜的長波透射區(qū)和長波截止膜都達(dá)到了設(shè)計(jì)效果，這得益于采用了直接光學(xué)監(jiān)控方法和POEM監(jiān)控方式。間接監(jiān)控等方式由于鍍膜過程中膜料減少，監(jiān)控片與實(shí)際濾光片樣品上膜厚的Tooling值（相對比例值）將發(fā)生改變[15]，這個動態(tài)改變會產(chǎn)生監(jiān)控誤差，而直接光學(xué)監(jiān)控方法可以直接測量濾光片膜層光學(xué)厚度的變化。單波長POEM監(jiān)控方式有兩個好處：一是避免了單色儀切換波長造成的監(jiān)控誤差；二是在極值點(diǎn)附近，監(jiān)控曲線的變化速率緩慢，控制誤差較大，而非極值點(diǎn)位置監(jiān)控曲線的變化速率較快，通過計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和監(jiān)控策略設(shè)計(jì)，可以得到較為精確的膜厚控制效果。

4.2 低溫光譜特性

本文中的雙色濾光片的工作溫度為100 K，故需要測量濾光片的低溫光譜。測量時將樣品安裝在樣品臺上并放置在透光的低溫杜瓦中，杜瓦放置于光譜儀的光路中，光線垂直透過樣品，樣品臺放置在真空環(huán)境中，并將溫度控制在（100±0.5）K范圍。測量得到的雙色濾光片常溫和低溫透射光譜，見圖11。

從測試結(jié)果可以看到，雙色濾光片在100 K低溫條件下，通道1 (3.2～3.8 μm)的平均透射率為94.2%，通道2 (4.9～5.4 μm)的平均透過率為96.5%。在通道間(4.0～4.7 μm)的截止區(qū)，平均透過率控制在0.16%以內(nèi)。兩個通帶的邊緣陡度g=∣λ0.8?λ0.1∣/λ0.5和頂部波紋振幅△=Tmax?Tmin的數(shù)值見表2。

圖11 雙色濾光片在300 K和100 K溫度下的透射光譜Fig. 11 Spectra of dual-color filter at 300 K and 100 K temperatures

表2 兩個通帶的邊緣陡度和頂部波紋振幅Tab. 2 Edge steepness and top ripple amplitudes of the two channels

隨著溫度的降低，雙色濾光片的透射光譜曲線向短波方向移動。兩個通帶半功率點(diǎn)位置的變化情況如表3所示。

表3 溫度由300 K變化至100 K時兩個通帶半峰波長位置的移動情況Tab. 3 Half-peak wavelength point shift of the two channels when the temperature changes from 300 K to 100 K (nm)

濾光片的低溫光譜較常溫光譜向短波方向移動，光譜形狀未發(fā)生明顯變化。低溫光譜向短波方向移動的因素包括膜層的折射率、基片和膜層的線膨脹系數(shù)、材料的泊松比、膜層的聚集密度等[16-18]。其中，線膨脹系數(shù)在低溫下會使膜層的物理厚度d減小，從而降低膜層的光學(xué)厚度nd，使光譜向短波方向移動。實(shí)際上，物理厚度d的變化量非常小，與折射率引起的變化量相比為非主要因素[19]。光譜向短波方向移動的主要原因是Ge膜層和ZnSe膜層的折射率n隨溫度T發(fā)生改變。圖12和圖13分別是藍(lán)寶石基片上單層Ge薄膜和單層ZnSe薄膜的常溫和低溫透射光譜。

圖12 300 K和100 K溫度下，Ge單層膜的透射光譜Fig. 12 Transmittance spectra of the Ge single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

圖13 300 K和100 K溫度下，ZnSe單層膜的透射光譜Fig. 13 Transmittance spectra of ZnSe single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

從圖12和圖13可以看出，Ge膜層和ZnSe膜層的光學(xué)厚度nd值在低溫下變小。由于物理厚度d的變化量很小，可以忽略不計(jì)，因此，Ge膜層和ZnSe膜層的折射率n會隨溫度降低而減小。使用美國SCI公司商用的FilmWizard軟件對材料的光學(xué)常數(shù)進(jìn)行擬合。擬合時采用Cauchy模型，通過調(diào)整變量，使擬合曲線無限接近透射率測量曲線。圖14和圖15分別給出了Ge和ZnSe單層膜在300 K和100 K溫度下的折射率色散曲線。由于這種變化具有確定性，在膜系設(shè)計(jì)和濾光片制備時，可以根據(jù)實(shí)際需要提前向長波方向預(yù)置漂移量。

圖14 300 K和100 K溫度下，Ge單層膜的折射率色散曲線Fig. 14 Refractive index dispersion curves of the Ge single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

圖15 300 K和100 K溫度下，ZnSe單層膜的折射率色散曲線Fig. 15 Refractive index dispersion curves of ZnSe single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

5 結(jié) 論

通過對雙色濾光片兩種設(shè)計(jì)方法的分析，結(jié)合紅外雙色濾光片的光譜特性，選用Ge和ZnSe分別作為高低折射率膜層，在Ge基片的兩面分別設(shè)計(jì)了負(fù)濾光膜系和長波截止膜系，組合形成了 包 含3.2～3.8 μm(通 道1)和4.9～5.4 μm(通 道2)兩個通道的雙色濾光片。采用直接光學(xué)監(jiān)控法結(jié)合單波長的光學(xué)極值百分比監(jiān)控方式(POEM)控制膜層厚度。以電子束和電阻熱蒸發(fā)的方式，分別完成了Ge和ZnSe多層膜制備。在300 K和100 K溫度下分別測量了雙色濾光片的透射光譜。測試結(jié)果顯示，在低溫情況下雙色濾光片的光譜向短波方向移動，產(chǎn)生漂移的主要原因是Ge膜層和ZnSe膜層的折射率在低溫下變小。雙色濾光片通道1的平均透射率為94.2%，頂部波紋振幅為5.7%，左右兩側(cè)邊緣陡度分別為3.5%和2.1%；通道2的平均透射率為96.5%，頂部波紋振幅為0.6%，左右兩側(cè)邊緣陡度分別為2.6%和2.2%。在兩個通道之間(4.0～4.7 μm)的截止區(qū)域內(nèi)，平均透射率小于0.16%。該紅外雙色濾光片具有良好的光學(xué)穩(wěn)定性，有利于高速運(yùn)動目標(biāo)的識別。