红外双色滤光片的研制及其低温光谱研究

发布时间：2021-04-01 20:08

在光学遥感领域,遥感仪器有着向小型化、轻量化和集成化发展的趋势,采用同一光路上的双色探测技术,是适应这一发展趋势的有力技术手段之一。双色滤光片是实现双色探测技术的重要光谱元件,它能在同一通光孔径内的同一几何点上通过两个光谱通道的光学能量,并完全抑制其它光谱。本文的主要目标,是研制出初步满足空间遥感应用要求的红外双色滤光片样品,并对其低温光谱进行研究,得到低温下的准确光谱。对于任何干涉式滤光片的研制,其首要任务是设计出合理的多层干涉膜的膜系。滤光片膜系设计的方法有多种,例如自动优化设计、缓冲层和组合膜系设计、加厚间隔层的Fabry-Perot(F-P)膜系设计、多次重复双峰结构F-P膜系设计,以及具有分形结构的F-P膜系设计等,但它们并不适合于进行中心波长在2.95μm、4.41μm,带宽均为中心波长0.09倍的双色滤光片的设计。因此提出了一种基于组合法F-P的双色滤光片设计方法。这种方法可以互不干扰的对双色滤光片的两个通带进行独立设计,通带宽度和位置方便调控,有效解决了较宽通带和较大通道间距的双色滤光片的设计问题。并且设计出的膜系和其它膜系设计方法相比更为简洁,有较强的可实施性。论文介绍了膜层沉积的方法和主要工艺。膜厚监控采用了适用于单波长直接光学监控的一种光学极值比例的监控策略。实施这种监控策略的主要原因是为了确保有较大消光系数材料Ge在该波段红外区域有足够的监控精度。针对这种监控策略,进行了膜系的调整,设计的膜层总数为34层,并设计出了能够满足监控策略要求的监控曲线。按照此监控曲线进行了膜层的沉积,最终研制出了满足要求的样品,其测试光谱显示:双色滤光片短波通道平均透过率大于84%,长波通道的平均透过率大于88%;两个通道的四个通带边缘的陡度分别为:1.4%、2.8%、1.9%和1.7%。膜层厚度的误差是导致样品实测光谱曲线和理论设计不一致的主要原因。为此,分析了误差的来源,以及采用透过率监控膜厚而产生误差的机理。分析了膜系整体存在随机误差时,对不同类型膜系光谱的影响,以及特定膜层厚度误差对膜系光谱性能的影响。通带顶部的透过率是最关键的性能指标,论文采用通带顶部最大透过率偏差以及通带顶部平均透过率偏差,来评估不同膜层误差对于滤光片光谱性能的影响。对沉积于基片两侧的组成双色滤光片的单通道滤光膜进行了随机光谱误差分析,并结合样品实测光谱进行了双色滤光片的光谱误差分析。红外双色滤光片是在低温条件下使用的,因此对其低温特性进行了研究。介绍了低温光谱测试装置,通过对单层Ge和SiO膜的常温和低温(100K)测试光谱,获得其光学常数以及膜厚从常温到低温的变化情况,计算得到了Ge和SiO膜层的光学常数的温度系数。结合具体膜系,得到低温(100K)条件下的光谱漂移量,结合滤光片样品的多次生长和测试工作,为不同类型和技术要求红外双色滤光片低温光谱的确立,提供了参考依据。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN21

文章目录

致谢

摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 双色或多色滤光器件

1.1.1 轮转滤光片组件

1.1.2 集成多个通道的阵列滤光片

1.1.3 可调制的滤光器件

1.1.4 多色或双色干涉滤光片

1.2 双色探测器和双色滤光片组合的红外探测技术

1.2.1 双色探测技术的应用

1.2.2 红外双色探测器

1.2.3 红外双色滤光片

1.3 本论文工作概述

1.3.1 本论文工作的意义

1.3.2 本论文主要内容

2 双色滤光片的设计

2.1 自动优化设计

2.2 缓冲层和组合膜系设计

2.3 F-P膜系为基础的设计

2.3.1 波峰的多次重复

2.3.2 厚间隔层的F-P膜系

2.3.3 分形结构的F-P膜系

2.4 基于组合F-P膜系的双色滤光片设计

2.4.1 基础F-P膜系的确定

2.4.2 双色滤光片的设计

2.4.3 通道带宽的调整

2.4.4 通道间距离分析

2.5 小结

3 双色滤光片的制备

3.1 薄膜沉积设备介绍

3.2 研制工艺

3.2.1 膜层沉积工艺

3.2.2 工艺要求

3.2.3 工艺流程

3.3 膜层的光学特性

3.3.1 光学常数测试方法

3.3.2 光学常数测试结果

3.3.3 膜层光能损耗

3.4 膜厚监控方法

3.4.1 膜厚的晶振控制

3.4.2 膜厚的光学监控

3.4.3 其它监控方法

3.5 双色滤光片工艺实现

3.5.1 用于实际监控的膜系设计

3.5.2 确定监控方法

3.5.3 监控策略分析

3.5.4 监控实施和实际的膜层沉积效果

3.6 小结

4 膜厚误差分析

4.1 误差来源

4.1.1 厚度误差

4.1.2 光学常数误差

4.2 监控误差导致膜厚误差的机理

4.3 误差对设计膜系的光谱性能影响

4.3.1 随机误差光谱影响

4.3.2 不同膜层对膜系整体光谱的影响

4.4 双色滤光膜系的误差分析

4.5 小结

5 滤光片低温光谱研究

5.1 温度对膜层材料物理特性影响

5.2 光学常数温度特性测试方法

5.3 低温光谱测试设备

5.4 单层膜低温光谱测试

5.5 膜层材料的低温光学常数拟合

5.6 双色滤光片低温光谱模拟

5.7 小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.1.1 研究过程

6.1.2 主要结果

6.1.3 主要创新点

6.2 展望

参考文献

作者简介及在学期间发表的学术论文与研究

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