一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及紅外濾光片，具體涉及一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備方法。基底材料選用單晶Si，折射率n＝3.42881；高折射率材料選用Ge，折射率n＝4.16422；低折射率材料選用ZnS，折射率n＝2.2。在基板兩個表面上分別沉積不同中心波長的膜系。本發(fā)明提供的5500～14000nm長波通紅外濾光片，半高點波長定位5500±1％nm，截止區(qū)透過率小于0.2％，透射區(qū)的透過率可達90％以上，極大的提高信噪比，很好的抑制其他的干擾，提高儀器溫度探測的精度和效率。
【專利說明】
一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及紅外濾光片，具體涉及一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于紅外測溫技術(shù)具有響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確、便捷和使用壽命長等特點，在冶金、電 子、石化、交通、能源、橡膠、食品等行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，成為企業(yè)故障檢測，產(chǎn)品質(zhì)量控制 和提高經(jīng)濟效益的重要手段。紅外測溫的主要原理是利用任何物體都會發(fā)出紅外輻射，從 而可以遠距離、不接觸、準(zhǔn)確、實時、快速的，在不停電、不取樣、不解體的情況下在線監(jiān)測和 診斷故障。同時，可以減少對設(shè)備的損害，避免停工停產(chǎn)造成的損失，節(jié)約人力和財力，某些 領(lǐng)域還可以減少對人身的危害，對于各行業(yè)的現(xiàn)代化有著重要的意義。
[0003] 紅外濾波片是紅外測溫技術(shù)中紅外測溫儀光電探測器的關(guān)鍵部分，通過濾光片可 以使光電探測器排除環(huán)境中各種氣體分子和其他影響因素，準(zhǔn)確的接受特定物體對應(yīng)波段 的紅外能量，提高測量的精度。
[0004] 但是，就目前用于溫度探測用的5500~14000nm長波通紅外濾光片，其通帶透射率 較低，截止波段不夠?qū)?，所以測量準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及抗干擾的能力還有待提升，靈敏度差， 不能滿足市場發(fā)展的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種透射區(qū)透過率高，截止 區(qū)寬，能極大的提高信噪比，有效探測溫度的5500~14000nm長波通紅外濾光片及其制作方 法。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備 方法，其特征是：
[0007] (1)采用單晶Si作基板，硅雙面拋光，厚度300 ± ΙΟμL?，晶向〈100>。
[0008] (2)鍍膜材料選擇硫化鋅ZnS和單晶鍺Ge，在基板兩個表面上分別沉積多層干涉薄 膜。
[0009] (3)-面膜系采用：以Sub/0.3L(0.5HL0.5H)6 0.3L 0.73(0.5HL0.5H)6 0.3L/Air， 中心波長λι = 4500ηηι為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed中Refinement模 塊 Simpex parameters 和 Optimac parameters 優(yōu)化得 Sub/ 0.21L2.1H0.57L0.62H0.61L0.24H0.91L0.58H2.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.72L1.01 HO · 97L0 · 92H0 · 91L1 · 5H0 · 95L3H0 · 7L0 · 91H0 · 8L2 · 1H0 · 56L2 · 74H0 · 12L/Air 膜系。
[0010] (4)另一面膜系采用：以Sub/(0 · 5HL0· 5H)6 0 ·75(0 · 5HL0· 5H)6/Air，中心波長λ2 = 2400nm為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed中Ref inement模塊Simpex parameters 和 Optimac parameters 優(yōu)化得 Sub/ 0.57H1.5L0.92H0.71L0.64H0.91L0.58H1.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.32L0.64H0.78 LO · 72H0 · 81L0 · 59H0 · 75L0 · 68H0 · 75L0 · 71H0 · 75L0 · 75H0 · 76L0 · 74H0 · 32L/Air 膜系。
[0011] 膜系中符號含義分別為:Sub為基板，Air為空氣，H和L分別代表膜層Ge(高折射率 材料層)和膜層ZnS(低折射率材料層）的一個1/4波長光學(xué)厚度，中心波長1: = 4500^1,^ = 2400nm，1Η= (4πη d)/A; 1L= (4nL d)/A，結(jié)構(gòu)式中數(shù)字為膜層的厚度系數(shù)、結(jié)構(gòu)式中的指數(shù) 是膜堆鍍膜的周期數(shù)。
[0012] 上述的一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備方法，以單晶硅Si為基板，硫 化鋅ZnS和鍺Ge為鍍膜材料，采用真空熱蒸發(fā)薄膜沉積的方法制備鍍膜層，Ge選用電子束蒸 鍍，沉積速率為8 A/sec;ZnS選用多孔鉬舟電阻加熱蒸鍍，沉積速率為20 A/sec，開始蒸鍍真 空度為1. 〇 X 10-3Pa，沉積溫度為130°C。
[0013] 上述的一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備方法，采用光學(xué)監(jiān)控法控制膜 層厚度，并輔以石英晶控控制沉積速率。
[0014] 上述的一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備方法得到的5500~14000nm長 波通紅外濾光片，一面膜系采用Sub/0·3L(0·5HL0·5H) 6 0·3L 0·73(0·5HL0·5H)60·3L/Air， 中心波長λι = 4500ηηι為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed中Refinement模 塊 Simpex parameters 和 Optimac parameters 優(yōu)化后為 Sub/ 0.21L2.1H0.57L0.62H0.61L0.24H0.91L0.58H2.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.72L1.01 HO · 97L0 · 92H0 · 91L1 · 5H0 · 95L3H0 · 7L0 · 91H0 · 8L2 · 1H0 · 56L2 · 74H0 · 12L/Air，鍍制實現(xiàn) 2700nm~5500nm截止，5500nm~14000nm透射；另一面膜系采用：Sub/(0 · 5HL0 · 5H)6 0 · 75 (0.5HL0.5H)6/Air，中心波長λ2 = 2400ηηι為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed 中 Refinement 模塊 Simp ex parameters 和Optimac parameters 優(yōu)化后為 Sub/ 0.57H1.5L0.92H0.71L0.64H0.91L0.58H1.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.32L0.64H0.78 L0 · 72H0 · 81L0 · 59H0 · 75L0 · 68H0 · 75L0 · 71H0 · 75L0 · 75H0 · 76L0 · 74H0 · 32L/Air，鍍制實現(xiàn) 1500nm~2800nm截止，5500nm~14000nm透射;兩面配合，最終實現(xiàn)，1500nm~5500nm平均透 過率為0.19%，550011111~1400011111平均透過率為90.47%，能極大的提高信噪比，可以很好的 抑制環(huán)境等影響因素的干擾，產(chǎn)品光學(xué)性能和物理強度能很好的滿足實際使用要求，廣泛 應(yīng)用于紅外溫度探測儀器，提高儀器探測精度和效率，可以做到更快速、更精確的探測出溫 度值。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0016] 1、濾光片與傳統(tǒng)技術(shù)方法相比，具有長波通5500nm~14000nm波段的透過率〉 90%，截止區(qū)域1500nm~5500nm波段平均透射率〈0.2%，因此5500nm~14000nm的有效工作 波段可以盡可能大的透過，而其余無效波段的背景干擾信號則極大的減小，因而可取得優(yōu) 異的信噪比，提高儀器的測試靈敏度和精度。
[0017] 2、本發(fā)明制備的濾光片工藝簡單，已能形成批量生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，滿足高精度溫度 紅外探測儀器的性能要求。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明所述溫度探測用紅外濾光片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 其中：基底1為單晶Si，膜層材料2為Ge，膜層材料3為ZnS。
[0020] 圖2是溫度探測濾光片最終性能實測曲線圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0022] 實施例1:
[0023] 如圖1所示，本實施例提供的一種溫度探測用長波通紅外濾光片是：
[0024] (1)采用尺寸為Φ 50.8 X 0.3mm的單晶Si作基板，硅雙面拋光，厚度300± ΙΟμπι，晶 向〈100>〇
[0025] (2)鍍膜材料選擇硫化鋅ZnS和單晶鍺Ge，在基板兩個表面上分別沉積多層干涉薄 膜。
[0026] (3)-面膜系采用：以Sub/0.3L(0.5HL0.5H)6 0.3L 0.73(0.5HL0.5H)6 0.3L/Air， 中心波長λι = 4500ηηι為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed中Refinement模 塊 Simpex parameters 和 Optimac parameters 優(yōu)化得 Sub/ 0.21L2.1H0.57L0.62H0.61L0.24H0.91L0.58H2.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.72L1.01 HO · 97L0 · 92H0 · 91L1 · 5H0 · 95L3H0 · 7L0 · 91H0 · 8L2 · 1H0 · 56L2 · 74H0 · 12L/Air 膜系。
[0027] (4)另一面膜系采用：以Sub/(0 · 5HL0· 5H)6 0 ·75(0 · 5HL0· 5H)6/Air，中心波長λ2 = 2400nm為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed中Ref inement模塊Simpex parameters 和 Optimac parameters 優(yōu)化得 Sub/ 0.57H1.5L0.92H0.71L0.64H0.91L0.58H1.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.32L0.64H0.78 L0 · 72H0 · 81L0 · 59H0 · 75L0 · 68H0 · 75L0 · 71H0 · 75L0 · 75H0 · 76L0 · 74H0 · 32L/Air 膜系。
[0028] 膜系中符號含義分別為:Sub為基板，Air為空氣，H和L分別代表膜層Ge(高折射率 材料層)和膜層ZnS(低折射率材料層）的一個1/4波長光學(xué)厚度，中心波長1: = 4500^1,^ = 2400nm，1Η= (4πη d)/A; 1L= (4nL d)/A，結(jié)構(gòu)式中數(shù)字為膜層的厚度系數(shù)、結(jié)構(gòu)式中的指數(shù) 是膜堆鍍膜的周期數(shù)。
[0029] 本實施例提供的一種溫度探測用長波通紅外濾光片及其制備方法，以單晶硅Si為 基板，硫化鋅ZnS和鍺Ge為鍍膜材料，采用真空熱蒸發(fā)薄膜沉積的方法制備鍍膜層，Ge選用 電子束蒸鍍，沉積速率為8: A/s_;;ZnS選用多孔鉬舟電阻加熱蒸鍍，沉積速率為:2〇 A/see,開 始蒸鍍真空度為1. 〇 X l(T3Pa，沉積溫度為130°C。
[0030] 由于具體如何蒸發(fā)采用電子槍蒸發(fā)和采用電阻加熱蒸發(fā)鍍膜是本領(lǐng)域技術(shù)人員 所掌握的常規(guī)技術(shù)，在此不作詳細(xì)描述。
[0031] 本實施例提供的一種本專利濾光片一面采用以中心波長λ! = 4500nm，Sub/0.3L (0.5HL0.5H)6 0.3L 0.73(0.5HL0.5H)6 0.3L/Air膜系為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件 Essential Macloed中Refinement模塊Simpex parameters和Optimac parameters優(yōu)化后 得Sub/0·21L2·1H0·57L0·62H0·61L0·24H0·91L0·58H2·3L0·83H0·91L0·86H0·98L1·02H0·7 2L1 · 01H0 · 97L0 · 92H0 · 91L1 · 5H0 · 95L3H0 · 7L0 · 91H0 · 8L2 · 1H0 · 56L2 · 74H0 · 12L/Air 膜系，鍍 制優(yōu)化后膜系實現(xiàn)2700nm~5500nm截止，5500nm~14000nm透射;一面采用以中心波長λ2 = 2400nm，Sub/(0.5HL0.5H)6 0.75(0.5HL0.5H)6/Air膜系為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件 Essential Macloed中Refinement模塊Simpex parameters和Optimac parameters優(yōu)化得 Sub/0.57H1.5L0.92H0.71L0.64H0.91L0.58H1.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.32L0.64H 0 · 78L0 · 72H0 · 81L0 · 59H0 · 75L0 · 68H0 · 75L0 · 71H0 · 75L0 · 75H0 · 76L0 · 74H0 · 32L/Air膜系，鍍 制優(yōu)化后膜系實現(xiàn)1500nm~2800nm截止，5500nm~14000nm透射，有效的拓寬了截止區(qū)波 段，同時提高了透射區(qū)的透射率和截止區(qū)的截止深度，改善了有效信號強度的同時濾除了 波長在5500nm以下的紅外能量，提高了儀器探測精度和靈敏度。
[0032]本實施例提供的溫度探測用長波通紅外濾光片，對膜系采用光學(xué)監(jiān)控法控制膜層 厚度，并輔以石英晶控控制沉積速率。
[0033]采用德國Bruker公司VERTEX 70型傅里葉紅外光譜儀對所制備的濾光片進行測 試。本濾光片最終性能結(jié)構(gòu)如圖2的濾光片最終性能實測曲線圖：
[0034] 1.半高點波長 λ = 5500±1%ηπι;
[0035] 2.透射區(qū)5500nm~14000nm的Tavg = 90.47% ;
[0036] 3.截止區(qū) 1500nm~5500nm的Tavg = 0.19% ;
[0037] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明 技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變換，均仍屬于本發(fā)明技 術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種溫度探測用長波通紅外濾光片，其特征在于： (1) 采用單晶Si作基板，娃雙面拋光，厚度300± ΙΟμπι，晶向<100〉； (2) 鍛膜材料選擇硫化鋒化S和單晶錯Ge，在基板兩個表面上分別沉積多層干設(shè)薄膜； (3) -面膜系采用：WSub/0.化(0.5HL0.5H)6 0.3L 0.73(0.甜L0.5H)*^. 3L/Air，中屯、 波長^1 = 450〇111]1為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件63 3日]11:1日11日(31〇日(1中1?日門]1日111日]11:模塊 Simpex parameters和Opti mac parameters 優(yōu)化得S u b / 0.21L2.1冊.57L0.62冊.61L0.24冊.91L0.58肥.3L0.83冊.91L0.86冊.98L1.02朋.7化1.01 冊.9化0.92冊.91L1.5冊.9化3冊.7L0.91冊.8L2.1冊.5化2.74冊.1 化/Air膜系； (4) 另一面膜系采用：WSub/(0.5HL0.5H)6 0.75(0.5HL0.5H)6/Air，中屯、波長入2 = 2400nm為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed中Ref inement模塊Simpex parameters 和 Optimac parameters 優(yōu)化得 Sub/ 0.57H1.化0.92冊.71L0.64朋.91L0.58H1.3L0.83朋.91L0.86冊.9化1.02冊.3化0.64冊.78 L0.72冊.81L0.59冊.7化0.68冊.7化0.71 冊.7化0.75冊.7 化0.74冊.3化/Air膜系； 膜系中符號含義分別為：Sub為基板，Air為空氣，Η和L分別代表膜層Ge(高折射率材料 層）和膜層ZnS(低折射率材料層）的一個1/4波長光學(xué)厚度，中屯、波長λι = 4500ηπι，λ2 = 2400nm，lH=(4nH d)A;lL=(4nL d)A，結(jié)構(gòu)式中數(shù)字為膜層的厚度系數(shù)、結(jié)構(gòu)式中的指數(shù) 是膜堆鍛膜的周期數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種溫度探測用長波通紅外濾光片，其特征在于:采用真空熱蒸 發(fā)薄膜沉積的方法制備鍛膜層，Ge選用電子束蒸鍛，沉積速率為8 A/sec;ZnS選用多孔鋼舟 電阻加熱蒸鍛，沉積速率為20 A/sec，開始蒸鍛真空度為l.〇Xl(T3Pa，沉積溫度為130°C。3. 如權(quán)利要求2所述的一種溫度探測用寬帶紅外濾光片，其特征在于:采用光學(xué)監(jiān)控法 控制膜層厚度，并輔W石英晶控控制沉積速率。4. 如權(quán)利要求1所述的一種溫度探測用寬帶紅外濾光片，其特征在于：一面膜系采用 Sub/0.：3L(0.5HL0.甜)6 0.3L 0.73(0.甜L0.5H)6 0.3L/Air，中屯、波長λι = 4500ηπι為初始結(jié) 構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed中Ref inement模塊Simpex parameters和 Optimac parameters 優(yōu)化后 為 Sub/ 0.21L2.1冊.57L0.62冊.61L0.24冊.91L0.58肥.3L0.83冊.91L0.86冊.98L1.02朋.7化1.01 H0.97L0.92H0.91L1.5H0.95L3H0.7L0.91H0.8L2.1H0.56L2.74H0.12L/Air，鍛制實現(xiàn) 2700nm~5500nm截止，5500nm~HOOOnm透射；另一面膜系采用：Sub/(0.5HL0.5H)6 0.75 (0.5HL0.5H)6/Air，中屯、波長λ2 = 2400nm為初始結(jié)構(gòu)，利用膜系設(shè)計軟件Essential Macloed^Refinement|^^；Simpex parameters和Optimac parameters優(yōu)化后為Sub/ 0.57H1.化0.92冊.71L0.64朋.91L0.58H1.3L0.83朋.91L0.86冊.9化1.02冊.3化0.64冊.78 L0.72H0.81L0.59H0.75L0.6細(xì)0.75L0.71H0.75L0.75H0.76L0.74H0.32L/Air，鍛制實現(xiàn) 1500nm~2800nm截止，5500nm~14000nm透射;兩面配合，最終實現(xiàn)，1500nm~5500nm平均透 過率為0.19%，5500nm~HOOOnm平均透過率為90.47%，能極大的提高信噪比。
【文檔編號】G02B5/28GK105974505SQ201610588840
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月25日
【發(fā)明人】喬冠軍, 侯海港, 劉桂武, 邵海成, 王明松
【申請人】江蘇大學(xué)