中紅外能量調(diào)節(jié)濾波器的研制

姜洪妍，王興，陳德應(yīng)，季一勤，樊榮偉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080）

0 引言

紅外成像制導(dǎo)技術(shù)是通過分析處理追蹤獲得的目標(biāo)物體輻射能量［1］進(jìn)行成像處理，該制導(dǎo)技術(shù)在目標(biāo)獲取能力和識(shí)別精度上優(yōu)勢(shì)明顯，是該領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。紅外目標(biāo)識(shí)別單元作為紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)中的重要組成部分，非常依賴復(fù)雜背景中濾波技術(shù)［2］的應(yīng)用。功能豐富的光學(xué)薄膜能夠強(qiáng)化紅外目標(biāo)識(shí)別單元在各類環(huán)境中的預(yù)警率。

目前英國的ASRAAM 導(dǎo)彈和美國的AIM-9X 導(dǎo)彈已采用中波凝視型紅外制導(dǎo)技術(shù)，具備抗干擾能力［3-4］；以色列的“怪蛇-5”導(dǎo)彈［5］、土耳其的Gokdogan 導(dǎo)彈和美國的SM-3 導(dǎo)彈采用了雙波段紅外成像制導(dǎo)技術(shù)，提升了復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾性能［6］；2019 年岳威等研制了3.7～4.8 μm 帶通濾光膜，有效提高了中紅外探測(cè)器靈敏度的同時(shí)，對(duì)探測(cè)器或激光系統(tǒng)有很好的保護(hù)作用［7］；2015 年李芳等提出兩種抗干擾算法，提高了制導(dǎo)精度［8］；2021 年李同順等研制了雙/多波段紅外制導(dǎo)系統(tǒng)，復(fù)雜背景下提升了2 倍的信噪比［9］。本文為降低信息采集中環(huán)境因素的干擾，提高目標(biāo)的判斷精度，提出通過薄膜技術(shù)手段，抑制3.5～4.2 μm 的光，同時(shí)使4.4～5 μm 波段的光高透過，利用不同波段能量比的差異［10］，對(duì)同時(shí)采集到的波段信息進(jìn)行能量對(duì)比，剔除冗余信息，減小干擾，提高判斷準(zhǔn)確度。

1 濾光膜的設(shè)計(jì)

解決紅外成像系統(tǒng)中復(fù)雜環(huán)境的干擾問題，可以采用光譜濾波和空間濾波的方法，其中光譜濾波通過光學(xué)薄膜來實(shí)現(xiàn)。本文提出一種3.5～5 μm 的中紅外能量調(diào)節(jié)濾波器，可以在抑制背景波段的同時(shí)，讓目標(biāo)信號(hào)與背景信號(hào)成一定比例通過，令紅外成像系統(tǒng)可以在一定角度范圍里同時(shí)采集不同波段的能量進(jìn)行對(duì)比。具體參數(shù)要求如表1 所示。

表1 中紅外能量調(diào)節(jié)濾波器光譜設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of mid infrared energy regulation filter

1.1 薄膜材料的選擇

根據(jù)中紅外能量調(diào)節(jié)濾波器的光譜需求，考慮薄膜材料與基底之間的匹配、透明區(qū)、機(jī)械強(qiáng)度、折射率和膜層材料之間的應(yīng)力匹配選取合適的薄膜材料。

符合能量調(diào)節(jié)濾波器的高折射率材料有ZnS、ZnSe、Si 和Ge 等，其中ZnS 的透明區(qū)在0.4～14 μm，折射率為2.3，沉積速率穩(wěn)定，但是成膜后機(jī)械強(qiáng)度低；ZnSe 透明區(qū)在0.55～15 μm，折射率為2.58，但是化學(xué)狀態(tài)不夠穩(wěn)定，沉積過程中會(huì)釋放有毒物質(zhì)；Si 的透明區(qū)在1.1～9 μm，折射率為3.4；Ge 的透明區(qū)在1.7～23 μm，折射率為4.4。相比Si 而言，Ge 的折射率更高，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜膜系時(shí)，可以顯著降低膜層物理厚度，選擇Ge 為高折射率薄膜材料。符合的低折射率材料有YbF3、MgF2和SiO 等，YbF3的透明區(qū)在0.3～12 μm，但是在成膜過程中折射率會(huì)受到沉積條件的影響，不夠穩(wěn)定；MgF2的透明區(qū)在0.11～10 μm，但本身內(nèi)應(yīng)力過大，不適合沉積較為復(fù)雜的膜系；SiO 透明區(qū)在0.4～9 μm，折射率為1.55，具有良好的光學(xué)性能與機(jī)械性能，選擇SiO 為低折射率薄膜材料。

1.2 材料光學(xué)常數(shù)的確定

采用離子束濺射（Ion Beam Sputtering，IBS）的膜層沉積方法，沉積溫度為150℃，Ge 的沉積速率為0.3 nm/s，SiO 的沉積速率為0.5 nm/s。首先分別在Si 基底上鍍制一定厚度的單層Ge 和SiO，用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試Ge 和SiO 的透過率數(shù)據(jù)，然后用WVASE32 軟件對(duì)測(cè)量的透過率光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜擬合，計(jì)算得到材料的光學(xué)常數(shù)［11］，材料的折射率如圖1 所示。

1.3 濾光膜的設(shè)計(jì)

根據(jù)獲得的薄膜材料光學(xué)常數(shù)，利用Macleod 軟件進(jìn)行中紅外能量調(diào)節(jié)濾光膜膜系設(shè)計(jì)，以Sub|（0.5HL0.5H）^S|Air 為基礎(chǔ)膜系，其中Sub 代表Si 基底，H 代表高折射率材料Ge，L 代表低折射率材料SiO，S為周期數(shù)，Air 為空氣。

光以角度θ入射到光學(xué)界面時(shí)，第j層的折射角為θj，其光學(xué)導(dǎo)納為

評(píng)價(jià)函數(shù)可以更有效地評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的膜系與目標(biāo)的符合程度，本文能量調(diào)節(jié)濾波器比例要求嚴(yán)格，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)在設(shè)計(jì)大角度寬光譜濾光膜時(shí)，很難設(shè)計(jì)出不同角度下，光譜曲線平滑、能量分布均衡，容差小于±1%的膜系，因而考慮引入新評(píng)價(jià)函數(shù)。評(píng)價(jià)函數(shù)定義為

式中，θ1和θ2為角度范圍，λ1和λ2為第一段波長范圍，λ3和λ4為第二段波長范圍，Tj(λ，θ)為j層膜的透過率，T0(λ，θ)為目標(biāo)透過率，Tj(λ，θ)與T0(λ，θ)相差最少時(shí)的光學(xué)厚度為理想厚度，ωj(λ，θ)為與光源和接收源有關(guān)的比例系數(shù)。新的評(píng)價(jià)函數(shù)中引入波長和角度變量，可以設(shè)計(jì)得到更接近目標(biāo)值的膜系設(shè)計(jì)方案。

將式（2）導(dǎo)入MATLAB 軟件中的遺傳算法工具箱中，膜系的膜層數(shù)設(shè)置為變量的個(gè)數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)定相關(guān)變量：在0°～30°范圍內(nèi)，λ1～λ2波段T0(λ，θ)=2.45%，λ1=3.5 μm，λ2=4.2 μm，λ3～λ4波段T0(λ，θ)=98%，λ3=4.4 μm，λ4=5 μm，ωj(λ，θ)為常數(shù)C。每層物理厚度均限制為20～800 nm，使程序根據(jù)目標(biāo)值自動(dòng)優(yōu)化，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)值，平衡膜層層數(shù)、厚度與評(píng)價(jià)函數(shù)的關(guān)系，對(duì)中紅外能量調(diào)節(jié)濾光膜進(jìn)行優(yōu)化。

1.4 薄膜的吸潮特性

前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)制備的濾光膜無法通過溫濕試驗(yàn)，會(huì)因?yàn)槲碑a(chǎn)生光譜飄移的現(xiàn)象，導(dǎo)致能量調(diào)節(jié)比不滿足使用要求。紅外能量調(diào)節(jié)濾波器出現(xiàn)光譜飄移會(huì)影響能量調(diào)節(jié)比，使比例不滿足使用要求，所以要分析薄膜的吸潮特性。用SEM-JSM-IT200 對(duì)所制備的濾光膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，如圖2 所示，薄膜內(nèi)部具有與界面垂直的柱狀結(jié)構(gòu)［12］，柱狀結(jié)構(gòu)之間存在空隙。薄膜內(nèi)部的柱狀結(jié)構(gòu)決定了其在長期使用過程中容易吸潮，導(dǎo)致折射率發(fā)生變化，產(chǎn)生波長漂移現(xiàn)象。

薄膜內(nèi)部由空隙和固體部分組成，用聚集密度p定義，即

式中，V1為薄膜中固體部分的體積，V為薄膜的總體積。使用石英晶體測(cè)頻法［13］測(cè)量完全干燥和完全潮濕情況下晶振片的振動(dòng)頻率，計(jì)算薄膜的聚集密度。根據(jù)所設(shè)計(jì)的膜系中SiO 的總厚度，在Si 基底上鍍制1 700 nm 的SiO。

根據(jù)GB/T 2423.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［14］，將樣品放入溫濕試驗(yàn)箱內(nèi)，將箱內(nèi)溫度升至40℃，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行預(yù)熱，待試驗(yàn)樣品達(dá)到溫度后加濕，保持相對(duì)濕度93%，溫濕度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。待箱內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定一段時(shí)間后，測(cè)試放置不同時(shí)間下晶振片的頻率，如圖3 所示。

表2 溫濕度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The standard of temperature and humidity test

晶振片在放置48 h 后頻率趨于平穩(wěn)，認(rèn)為此時(shí)已充分吸潮，充分吸潮的頻率為f*1。石英晶振片參數(shù)如表3 所示。

表3 石英晶振片參數(shù)Table 3 Quartz crystal data

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)計(jì)算得到

式中，Δf1為沉積了薄膜和未沉積薄膜的頻率差，fo為晶振片未鍍膜時(shí)的頻率，f1為薄膜剛剛鍍制完成時(shí)的頻率［15］，認(rèn)為此時(shí)沒有吸潮，Δf*1表示薄膜鍍制完成和充分吸潮后的頻率差，f*1為充分吸潮后的頻率。

SiO 的聚集密度可表示為

式中，SiO 固體部分密度ρSiO=2.24 g/cm3，薄膜的物理厚度df為1 700 nm，B和A為比例系數(shù)。

同理可得

式中，ρw表示水的密度。于是

將式（8）代入式（6）得

由于ρw=1.0 g/cm3，所以SiO 的聚集密度為

Ge 固體部分密度ρGe=5.35 g/cm3，可計(jì)算得到Ge 的聚集密度為

薄膜的聚集密度還可以表示為

式中，dp為薄膜空隙的厚度，Δλ表示SiO 薄膜充分吸潮后光譜變化值，λ表示吸潮前的波長，n*f為充分吸潮后的折射率，nf為鍍制完成后的折射率。

根據(jù)式（12）和式（13）計(jì)算得到SiO 充分吸潮后的折射率為

Ge 充分吸潮后的折射率為

通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到薄膜材料吸潮后的折射率，如圖4 所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案使吸潮前后的光譜都滿足設(shè)計(jì)要求［15］。

2 能量調(diào)節(jié)濾波器膜系設(shè)計(jì)

利用Macleod 膜系設(shè)計(jì)軟件，應(yīng)用SiO 和Ge 吸潮前后的折射率，同時(shí)對(duì)中紅外能量調(diào)節(jié)濾光膜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保其在溫濕試驗(yàn)前后均可滿足技術(shù)要求。中心波長為3 100 nm，濾光膜膜系結(jié)構(gòu)為：Sub|0.22H0.08L2.34H0.03L1.20H0.10L0.16H0.03L0.03H0.35L0.36H0.08L0.53H0.18L0.05H0.40L0.39H0.11L 0.21H0.60L0.25H0.22L0.36H0.18L0.36H0.75L0.46H0.21L0.11H0.55L0.09H0.87L0.10H1.13L0.18H0.53L 0.03H0.36L0.20H0.87L0.20H0.49L0.12H1.00L0.41H1.01L0.26H0.90L0.52H0.04L0.45H0.85L0.21H1.21L 0.10H1.03L0.17H0.20L0.33H0.20L0.25H0.32L0.07H1.37L0.03H0.82L0.17H0.17L0.30H0.85L0.14H0.82L 0.13H0.92L0.16H0.74L0.58H0.03L|Air。

為了提高中紅外能量調(diào)節(jié)濾波器的光學(xué)性能，在其能量出射面鍍制減反射膜，從而消除干涉光造成的反射能量損失。利用Macloed 設(shè)計(jì)得到減反射膜光譜曲線如圖5 所示。中心波長為3 100 nm，減反射膜系結(jié)構(gòu)為：Sub|0.71H0.29L0.13H0.66L0.08H0.69L0.11H0.46L0.15H0.18L|Air。

雙面設(shè)計(jì)透過率曲線如圖6 所示，3D 圖如圖7 所示。

0°和30°情況下的平均透過率和能量調(diào)節(jié)比如表4 所示，此時(shí)的設(shè)計(jì)可以保證濾光片在不同吸潮程度下都可以滿足使用要求。

表4 能量調(diào)節(jié)濾光膜設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design parameters of energy regulation filter film

3 薄膜制備與測(cè)試

3.1 濾光膜制備

用VEECO 真空鍍膜機(jī)進(jìn)行沉積，該鍍膜機(jī)配備了雙離子源濺射系統(tǒng)和膜厚光學(xué)直控系統(tǒng)。將樣片清潔后放進(jìn)真空室，當(dāng)真空度達(dá)到1.0×10-3Pa 時(shí)開啟離子源，清除基片表面殘存的灰塵及雜質(zhì)。清洗完畢后，繼續(xù)運(yùn)行離子源輔助Ge 和SiO 沉積［16］。離子源的工藝參數(shù)如表5 所示。

表5 離子源的工藝參數(shù)Table 5 Technological parameters of ion source

鍍制完成的中紅外能量調(diào)節(jié)濾波器處于高溫狀態(tài)，不能直接取出，為加強(qiáng)其膜層牢固度，進(jìn)行階梯式退火，具體方式如圖8 所示。

3.2 濾光片測(cè)試

對(duì)設(shè)計(jì)的中紅外能量調(diào)節(jié)濾光膜膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備，光譜測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

0°和30°情況下的平均透過率和能量調(diào)節(jié)比如表6 所示，可知濾光片在不同潮濕環(huán)境下均可以長期使用。

表6 能量調(diào)節(jié)濾光膜測(cè)試參數(shù)Table 6 Test parameters of energy regulation filter film

用Zygo verifire 干涉儀進(jìn)行表面粗糙度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10 所示，峰谷（Peak Valley，PV）值為0.564，均方根（Root Mean Square，RMS）值為0.138，滿足使用要求。

最終制備的中紅外能量調(diào)節(jié)濾波器實(shí)物如圖11 所示。

4 結(jié)論

本文通過建立新的評(píng)價(jià)函數(shù)，研究薄膜材料Ge 和SiO 吸潮前后光學(xué)參數(shù)變化，研制了一種大角度寬光譜能量調(diào)節(jié)濾波器。可以在0°～30°范圍內(nèi)抑制背景波段的同時(shí)，讓目標(biāo)信號(hào)與背景信號(hào)成一定比例通過，并可在戶外潮濕環(huán)境下保持穩(wěn)定的光學(xué)性能。制備的能量調(diào)節(jié)濾波器0°入射時(shí)，吸潮前能量調(diào)節(jié)比為1∶40.9，吸潮后能量調(diào)節(jié)比為1∶40.7；30°入射時(shí)，吸潮前能量調(diào)節(jié)比為1∶40.04，吸潮后能量調(diào)節(jié)比為1∶39.04，滿足系統(tǒng)要求。