告警探测系统中日盲紫外薄膜的关键技术研究

发布时间：2018-11-29 12:08

【摘要】：日盲紫外探测系统与常规探测系统相比,凭借其结构简单、虚警率低、灵敏度高、隐蔽性强等独特优势,已引起光学相关领域的广泛关注。该探测技术对光学系统成像质量和分辨率要求非常严格,光谱限制条件十分苛刻,因此光学薄膜技术成为研究的热点和关键技术。紫外波段可使用的材料有限,绝大部分材料本身对光谱有吸收,且沉积工艺复杂,由于膜层厚度较薄,膜厚控制误差较大,对实验设备控制精度要求很高,所以给紫外光学薄膜的设计和制备带来了一定的困难,这也是限制日盲紫外探测技术发展的主要原因。本课题在“十二五”计划“紫外信号XXXX技术”的支持下,对相关探测系统中光学薄膜进行深入研究,具体研究内容如下。(1)对薄膜材料和基底材料的特性进行研究,针对紫外波段可用的材料少、易吸收、内应力大、折射率匹配等问题,通过实验对紫外薄膜材料进行筛选,根据实测的光谱曲线,采用包络法分别计算模拟,获得紫外波段薄膜材料的光学常数。(2)针对日盲紫外系统探测的技术要求,设计四种膜系结构,包括紫外增透膜、干涉截止滤光膜、F-P带通滤光膜以及诱导透射滤光膜。基于光学薄膜的设计理论,结合实验设备的具体情况,借助Macleod、TFC等膜系设计软件,通过对膜层厚度、迭代层数、敏感度、匹配导纳等一系列参数的分析,并对膜厚误差进行模拟和反演,优选膜系结构。(3)对薄膜沉积工艺技术进行研究,由于真空室内工艺参数的微小变化均会导致误差的产生,尤其在紫外波段。通过对膜层敏感度,沉积材料的蒸发状态、蒸发工艺参数等研究,解决紫外薄膜厚度薄,沉积误差大的问题。针对紫外薄膜材料对光谱易吸收的问题,对不同工艺参数(真空度、温度、蒸发速率、离子源辅助技术)沉积的实验样片进行对比测试。通过优化工艺参数,以减小由于工艺因素引起的光谱吸收问题;采用切削因子的计算方法,并与实验获得的膜厚均匀性分布情况进行对比分析,制作均匀性补偿挡板;通过对离子源系统参数的深入研究,分析电子束蒸发时薄膜的微观结构,找出导致光谱漂移和膜层质量变差的原因,并在不同的参数下制备样片,分析其膜层的光谱和表面质量,从而优选离子源辅助沉积的工艺参数;由于紫外波段的金属膜厚度较薄,采用电子束蒸发给膜厚控制带来了很大的困难,通过调整电子枪的蒸发功率和蒸发时间以及膜厚控制仪的辅助监测,对所需厚度的金属膜层进行精确控制,实现膜厚控制的稳定性和重复性。(4)通过对误差的分析并采用膜系设计软件模拟和反演,找出引起误差的原因,从而进一步优化和调整工艺参数。干涉截止滤光膜每层厚度偏差的累积会导致透射区波纹的产生。由于实验设备仅配备有双探头,需要对厚度误差进行逆向反演分析,找出更换探头的膜层位置,从而提高膜厚控制精度,实现压缩通带波纹和提升透过率的目的;诱导透射滤光膜是由介质膜与金属膜组成,针对介质膜层与金属膜层沉积温度差异的问题,通过温度变化的试验分析,找出合理的紫外诱导滤光膜烘烤温度控制方法;F-P带通滤光膜是由多腔组成,对于紫外波段只能利用石英晶体控制法进行厚度控制,通过对石英晶体探测原理的研究,并针对厚度偏差进行分析模拟,通过修正不同膜层的工具因子,提高膜厚控制精度。本文所研制的光学薄膜涵盖了紫外、可见和近红外波段,即200nm~1200nm,并且此波段的紫外薄膜具有背景透过率低,截止范围宽等特点。最终研制了四种紫外薄膜。与日盲型光电倍增管探测器匹配的滤光膜在240nm~280nm处透过率达到86.64%,290nm~360nm波段平均截止度小于千分之一,截止深度为OD3;与CCD探测器相匹配的滤光膜在260nm峰值透过率为17.96%,半波宽度小于20nm,在290nm~1200nm截止深度大于OD4。通过环境监测,满足系统要求。
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【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484

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