红外/可见光宽带分色片设计与制备

引言

成像光谱仪能够在连续光谱段上对同一目标同时成像,并能直接反映出被观测对象的光谱特征.其中部分光学系统结构如图1,主光学系统为双抛物面反射式望远镜结构.从主光学系统出来的平行光束经红外/可见光分色片D1分成两束.D1称为第一分色片,它将地球辐射的光能量分成红外与可见光两部分.D1分光性能的优劣对于后级的成像光谱质量起着重要的作用,优良的分色片能有效降低对光谱仪后级光学系统的技术压力.先前也有人[1]也做过类似的工作,其性能指标还不够理想.根据光机系统的要求,作为第一分色片的具体指标如下(其中Tave与Rave分别表示平均透射率与平均反射率45°测量):

i)透射率要求:0.42μm~0.70μm Tave≥75%;0.80μm ~0.90μm　Tave≥70%;

ii)反射率要求:1.30μm~1.65μm Rave≥75%;3.50μm~13.00μm　Rave≥90%.

1　设计

1.1　膜系的确定

　　选择在可见区有尽量高透射率的基底材料,如二氧化硅(SiO2),K9玻璃等就可以满足要求.制备这样的滤光片应用金属膜的诱导增透滤光片膜系比用介质膜堆的组合来得更容易一些,而且在长波处没有烦人的透射次峰[2].根据金属势透射率定义式:

金属膜的透过特性不仅取决于金属膜本身的光学常数(折射率n,消光系数k)和厚度d,而且和相邻介质的导纳密切相关.我们利用诱导透射概念仔细设计金属膜出射的负载导纳可以开发出金属的最大透射率[3].

由诱导透射的理论可知,吸收膜系的势透射率等于各层膜势透射率乘积,即:

　　考虑到如果将金属膜层细分得太薄会给制备带来很大的困难,我们只用两层金属膜,而不用更多层.鉴于透射带宽而且中远红外的反射率要求高的特点,我们选用2层金属膜间隔3层介质膜的结构.

1.2　材料的选择

　　金属膜,如银、铝和金等对红外光都有良好的反射作用,因为金属在红外波段的消光系数远大于折射系数(k n).考虑到银膜的在中远红外的反射率比较高,且在可见区最大势透射率(相同的厚度下)也比常用的铝和金较高[4],我们选取银作为这一分色片的金属膜.对于获得波长λ0最大反射率的所需膜厚条件有如下的公式[5]:

即只要金属膜层的厚度h>d就可以获得最大的反射率.对于λ0=4.0μm处的银膜nk=35.1,则满足最大反射率的最小金属膜的厚度d≈10.5nm.同时,在可见光区及近红外区,银的消光系数不是很大,其最大透射率可利用介质膜将其诱导出来.这里我们选取的介质膜材料是ZnS,其折射率约为2.3,可以近似认为其消光系数为零.

据此,我们就确立了这样的初始膜系:用H代表ZnS,用A代表Ag,用物理厚度表示(单位:nm):空气|50H5.0A100H5.0A50H|基底.