低偏振超宽光谱分色膜设计与制备

于天燕; 秦杨; 蒋林; 段微波; 刘定权; YU Tian-Yan; QIN Yang; JIANG Lin; DUAN Wei-Bo; LIU Ding-Quan

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低偏振超宽光谱分色膜设计与制备 PDF

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1. 上海市光学薄膜与光谱调控重点实验室，上海 200083； 2. 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083

中图分类号： O436； TN214

最近更新：2024-07-24

DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2024.03.015

摘要

可见/红外超宽光谱分色片是星载中分辨率光谱成像仪III 型光学系统中的重要光学薄膜器件。利用诱导透射原理，采用金属-介质膜系结构加非对称等效导纳匹配层，实现了45°入射时0.4~1.05 μm光谱高效透射，1.35~13 μm波段光谱高效反射，从而将入射光束分配到不同的光路。同时通过消偏振控制设计，获得了可见近红外波段低偏振灵敏度（LPS）。所研制的分色片可见近红外波段平均透射率大于85%，LPS小于4%；短波及长波红外波段平均反射率大于90%。

关键词

光学薄膜; 超宽光谱分色片; 诱导透射; 偏振灵敏度

引言

中分辨率光谱成像仪（MERSI）是“风云三号”气象卫星上的重要遥感仪器之一，工作波段覆盖从0.4 μm 至13 μm，地面分辨率有1 000 m 和250 m，光谱分辨率有20 nm、50 nm、1 μm 等，可以同时获取丰富的地气辐射景象，它的主要任务是对地球的海洋、陆地、大气进行全球动态监测，并进一步加强对云特性、气溶胶、陆地表面特性、海表特性、低层水汽的监测，提高我国在天气预报、气候变化研究和地球环境监测的能力^［

1］。目前，在FY-3E卫星搭载的改进型中分辨率光谱成像仪III 型（MERSI-III），相比FY-3A~3C 星中分辨率光谱成像仪（MERSI-I 型仪器），优化调整了部分太阳反射波段通道，增加了5 个中长波红外通道，其中两个红外分裂窗实现250 m 空间分辨率观测，并增加了1.38 μm 短波红外卷云探测通道，具有覆盖可见光至长波红外谱段范围25 个光谱通道的成像能力^{［参考文献 1-2}1-2］，同时相比FY-3D星的MERSI-II，增加了对可见近红外通道的偏振灵敏度控制，从而提高了仪器的定量化测量能力。

MERSI-III光学系统是以分色片和滤光片组合形成光谱通道，光辐射信号先经由四个分色片按波段粗分到五个不同的成像光路，然后由25种微型滤光片精准限定各光谱通道的中心波长、带宽和波形，最后与探测器耦合进行各光谱通道信号探测。图1为光路排布示意图，D1-D4为分色片，其中第一分色片（D1）即本文所要研究的分色片，覆盖可见至长波红外的超宽光谱范围。按照通道划分需求，D1需要在45°入射角下将0.4~1.05 μm波段的光透射，T_{0.4-1.05 μm} >80% （其中T_{0.4 μm}>70%，T_{1.04 μm}>70%）；1.35~13 μm波段的光反射，其中R_{1.35-2.2 μm}>80%，R_{3.05-13 μm}>90%。同时，透射波长（0.4~1.05 μm）光谱区偏振灵敏度要求优于4%。这种分色方式一般采用诱导透射的原理，采用介质/金属/介质（D/M/D）的分色片结构形式^［

3-6］，但是对于MERSI-III第一分色片，由于透射带宽，且与反射带的过渡区很窄，常规的D/M/D结构形式无法同时满足系统的光谱及偏振要求，为此本文围绕窄过渡区宽光谱高效分光及高偏振灵敏度控制展开研究。

图1 MERSI-III光路排布示意图

Fig.1 MERSI-III optical layout

1 理论分析

1.1　诱导透射原理

为了更好地理解含有吸收层（通常为金属层）的光学薄膜并很好地利用其进行光学薄膜设计，Berning和Turner^［

7］提出了诱导透射的概念。如图2的含一层金属膜的膜系结构，其势透射率定义为

φ = \frac{T}{1 - R}

\frac{R e (Y e)}{R e (B i C i^{*})}

(1)

图2 包含金属层的薄膜系统示意图

Fig.2 The schematic view of a metallic layer included coating system

由薄膜特征矩阵

[\begin{matrix} B i \\ C i \end{matrix}] = [\begin{matrix} c o s δ & \frac{i}{(n - i k)} s i n δ \\ i (n - i k) s i n δ & c o s δ \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 \\ X + i Z \end{matrix}]

(2)

式（2）中 $δ = \frac{2 π}{λ} (n - i k) d = \frac{2 π n d}{λ} - \frac{i 2 π k d}{λ} = α - i β$ ， $α = \frac{2 π n d}{λ}$ ， $β = \frac{2 π k d}{λ}$ ， $Y_{e} = X + i Z$ 为出射导纳。

可以得出势透射率为

φ = {\{\frac{q [n^{2} - k^{2} - 2 n k (\frac{Z}{X})]}{(n^{2} + k^{2})} + r + \frac{p}{X} + \frac{s (X^{2} + Z^{2})}{X (n^{2} + k^{2})}\}}^{- 1}

(3)

式（3）中

q \equiv (s i n^{2} α c h^{2} β + c o s^{2} α s h^{2} β)

r \equiv (c o s^{2} α c h^{2} β + s i n^{2} α s h^{2} β)

p \equiv (n s h β c h β + k c o s α s i n α)

s \equiv (n s h β c h β - k c o s α s i n α)

由式（3）可见，当金属膜的光学常数和厚度选定以后，势透射率仅仅是出射导纳（Y_e=X+iZ）的函数^［

8］。

多层金属膜的势透射率则等于多层膜（N）势透射率的乘积^［

9］：

φ_{s y s t e m} = \prod_{j = 1}^{N} φ_{j}

(4)

1.2　薄膜偏振效应

当光线以一定的倾斜角入射到两种各向同性介质的界面N₀，N₁上时，其电场矢量可以分解为垂直于入射面的分量ES和平行于入射面的分量EP，也就是把入射光分解成了S偏振光和P偏振光。如图3所示。

图3 倾斜入射时偏振光的电矢量示意图

Fig.3 The schematic view of the electric vectors for the oblique incident light

对于P偏振光，电场振动方向在入射平面内，而此时磁场振动方向则垂直于入射面，即平行于界面。由电磁场在界面处的连续性条件可知：

\overset{\overset{}{\to}}{H_{P 1}} + \overset{\overset{}{\to}}{H_{P 2}} = \overset{\overset{}{\to}}{H_{P 3}}

（5）

\overset{\overset{}{\to}}{E_{P 1}} c o s θ_{0} + \overset{\overset{}{\to}}{E_{P 2}^{}} c o s θ_{0} = \overset{\overset{}{\to}}{E_{P 3}} c o s θ_{1}

（6）

由电场强度与磁场强度的关系 $\overset{\overset{}{\to}}{H} = N (\overset{\overset{}{\to}}{K} \times \overset{\overset{}{\to}}{E})$ ，则式（5）变为

N_{0} \overset{\overset{}{\to}}{E_{P 1}} + N_{0} \overset{\overset{}{\to}}{E_{P 2}} = N_{1} \overset{\overset{}{\to}}{E_{P 3}}

（7）

由式（6）、（7）组成的方程组联立可解：

E_{p 2} = E_{p 1} \frac{N_{0} c o s θ_{1} - N_{1} c o s θ_{0}}{N_{0} c o s θ_{1} + N_{1} c o s θ_{0}}

（8）

则振幅反射率为

r = \frac{E_{P 2}}{E_{P 1}} = \frac{N_{0} c o s θ_{1} - N_{1} c o s θ_{0}}{N_{0} c o s θ_{1} + N_{1} c o s θ_{0}}

（9）

能量反射率为

R_{P} = \frac{{(N_{0} c o s θ_{1} - N_{1} c o s θ_{0})}^{2}}{{(N_{0} c o s θ_{1} + N_{1} c o s θ_{0})}^{2}}

（10）

这与光垂直界面入射时 $R = \frac{{(N_{2} - N_{1})}^{2}}{{(N_{2} + N_{1})}^{2}}$ 形式相比，可以得出膜层对P偏振光的有效折射率 $η_{P} = N_{1} / c o s θ_{1}$ 。

同样对S偏振光应用电磁场在界面处的边界连续条件，可以得到S偏振光的能量反射率为

R_{S} = \frac{{(N_{0} c o s θ_{0} - N_{1} c o s θ_{1})}^{2}}{{(N_{0} c o s θ_{0} + N_{1} c o s θ_{1})}^{2}}

（11）

可以得出膜层对S偏振光的有效折射率 $η_{s} = N_{1} \times c o s θ_{1}$ 。通常， $R_{s} \neq R_{p}$ ，即S光和P光的反射光谱发生了分离，也就是说当光束倾斜入射时薄膜产生了偏振效应。倾斜入射时，多层薄膜的矩阵仍然适用^［

10］。

[\begin{array}{l} B \\ C \end{array}] = \{\prod_{j = 1}^{K} [\begin{array}{l} c o s δ_{j} \frac{i}{η_{j}} s i n δ_{j} \\ i η_{j} s i n δ_{j} c o s δ_{j} \end{array}]\} [\begin{array}{l} 1 \\ η_{K + 1} \end{array}]

（12）

对于S偏振光和P偏振光，其导纳由式（13）给出

{η_{j}}_{S} = n_{j} c o s θ_{j}

η_{j P} = n_{j} / c o s θ_{j}

（13）

由上面两式可分别算出S、P光的B、C值，进而求得R_S，R_P，T_S，T_P。

假设入射光束为自然光，其偏振灵敏度P（即LPS）的表达式为

p^{(r)} = |\frac{R_{s} - R_{p}}{R_{s} + R_{p}}|

（14）

p^{(t)} = |\frac{T_{s} - T_{p}}{T_{s} + T_{p}}|

（15）

对于本文所要研究的分色片，只对可见近红外波段提出了偏振要求，因此其偏振灵敏度由式（15）计算得出。

2 膜系设计与材料选择

根据1.1节的分析，我们知道势透射率取决于金属膜的参数和出射导纳，与入射侧的膜堆及导纳无关，因此为了获得最大势透射率，选择具有尽可能大的k/n值的金属膜材料，在可见和近红外区，银（Ag）膜是最佳选择^［

11］。诱导透射分色片的基本膜系结构为D/M/D（D代表介质层；M代表金属层）。根据本文所研制分色片的工作波段及可靠性等多方面考虑，选择硫化锌（ZnS）作为与金属层相邻的匹配介质层。图4为根据材料实验椭偏数据拟合得出的Ag膜的光学常数。根据金属Ag膜的成膜特点，需采用室温冷镀，因此ZnS膜层的沉积温度也为室温。由于ZnS膜层的性能受温度影响明显^{［参考文献 12

百度学术}12］，因此对室温沉积的ZnS膜层光学常数进行了拟合，结果如图5所示。

图4 Ag的光学常数拟合结果

Fig.4 The fitted optical constants of Ag film

图5 ZnS光学常数拟合结果

Fig.5 The fitted optical constants of ZnS film

为了能够满足红外波段90%的反射率要求，考虑到Ag膜厚度控制精度及成膜质量，本文选择单层金属层的初始诱导结构，即ZnS/Ag/ZnS，基片为熔石英（JGS-1）。由于分色片工作的透射波段为0.4~1.05 μm，三层诱导结构无法展宽至需要带宽。根据1.1节的分析，金属膜出射侧增加低折射率匹配层MgF₂，标为L，获得实现最大势透射率的出射导纳的同时展宽透射带宽，代入上述拟合光学常数优化后膜系为12.31D/8.93Ag/40.22D/103.01L，系数为物理厚度（nm）。图6为诱导透射膜系在45°入射角的设计光谱。从图中可以看出，该设计透、反射区过渡缓慢，无法满足系统对1.35~2.2 μm的高反射率要求，同时可见近红外波段P、S光分离较大，偏振度达不到系统要求。

（a）

（b）

图6 （a）诱导透射膜系透射光谱图；（b）诱导透射膜系反射光谱图

Fig.6 （a） The transmission spectra of the induced film structure；（b） The reflection spectra of the induced film structure

由于势透射率取决于金属膜的参数和出射导纳，而与入射侧的膜堆及导纳无关^［

8］。因此采取在金属膜入射侧叠加由SiO₂（A）、Ta₂O₅（B）组成的非对称等效层（k₁A k₂B k₃A）ⁿ（其中k为厚度系数，n为周期数），对已有诱导透射膜系在可见近红外波段进行光谱调控，使1.35~2.2 μm波段迅速过渡为反射区，满足系统对该波段的高反射率要求。同时根据式（15），通过对非对称等效层厚度优化，实现与诱导透射膜系入射侧的导纳匹配，实现可见近红外波段的透射率提升。同时背面设计以SiO₂、Ta₂O₅为膜层材料的消偏振控制减反射膜，实现0.4~1.05 μm波段的高效增透，减小P、S光偏离量，获得该波段的低偏振灵敏度。完整膜系设计结果如图7所示。0.4~1.05 μm波段偏振灵敏度计算结果如图8所示。

图7 低偏振超宽光谱分色片透、反射率设计曲线

Fig.7 The calculated transmission and reflection curves of the ultra-broadband dichroic beam-splitter with low polarization

图8 可见近红外波段偏振灵敏度设计值

Fig.8 The calculated LPS of dichroic beam-splitter in visible/ near infrared region

3 分色片的制备与性能测试

分色片样品制备是在莱宝光学ARES 1110 高真空镀膜系统上完成的。膜层沉积在厚度为2.5 mm的JGS1熔石英基底上。考虑到光谱调控氧化物匹配层沉积为高基板温度，而诱导透射金属层需要低基板温度，因此整个膜系的制备分两步进行。首先是在基底保持250°C温度下沉积由SiO₂、Ta₂O₅构成的背面减反射膜以及分色膜的氧化物匹配层，采用离子辅助电子束蒸发沉积，沉积速率分别为0.8 nm/S、0.13 nm/S，初始真空为2×10^-4 Pa。分色膜的氧化物膜层沉积结束，真空室梯度降温至50 °C，开始诱导透射膜系12.31D/8.93Ag/40.22D/103.01L的沉积。ZnS、Ag采用电阻加热蒸发沉积，MgF₂采用电子束蒸发，ZnS沉积速率为1.4 nm/S。而对于Ag膜，要获得良好的光学性能，需要快速蒸发。但是由于Ag膜厚度较薄，且厚度误差对于最终分色片性能又有明显影响，因此为了能够准确沉积所需厚度的Ag层同时又能保证沉积的Ag层性能，经过反复试验，最终确定Ag层的沉积速率为1 nm/S。制备的样品分别在Perkin Elmer公司的 Lambda 900分光光度计和Spectrum GX傅里叶红外光谱仪上进行透射和反射光谱测试，入射角度为45°。结果如图9所示。图10为根据实测结果计算的0.4~1.05 μm的偏振灵敏度。

图9 分色片实测透/反射光谱曲线

Fig.9 The measured transmission and reflection curves of the dichroic beam-splitter

图10 可见近红外波段偏振灵敏度曲线

Fig.10 The LPS curve of the dichroic beam-splitter

从图中可以看出，所研制分色片样品光学性能满足系统要求。但是无论是可见近红外波段的透射率还是短波至长波波段的反射率都与理论设计值存在一定的差异。根据赵培的研究结果，不同厚度的超薄Ag膜，其光学常数不同^［

13］。因此，分析认为研制结果与设计值的偏差主要是由于膜系理论设计所用的Ag膜光学常数拟合值与实际的光学常数不一致导致的。

对于航天用光学薄膜元件，空间环境可靠性是影响其空间使用寿命的重要因素，因此需要进行相关的空间环境可靠性模拟试验。附着力测试是评估光学薄膜牢固度的一个重要手段，K. L. Mittal对不同附着力测试方法做了详细介绍^［

14］。在本文的研究工作中，采用最简单的附着力测试方法即胶带快速撕拉法进行附着力测试：采用标准聚酯胶带进行附着力试验，试验时，把胶带的胶面牢牢地贴在分色膜和减反射膜膜层表面，排出气泡，迅速拉起胶带的一端，观察膜层是否被拉脱。按照使用要求还需要对分色片样品进行如下的环境可靠性试验^{［参考文献 15

百度学术}15］：（1）浸泡试验：45 °C水中浸泡8小时，观察膜层无脱落；（2）湿度试验：在45 °C，相对湿度不小于95%的环境中，保持24小时，膜层无脱落。（3）温度交变试验：在45 °C环境中保持30 min，再自然降温，在-100 °C环境中保持30 min，后自然升温到45 °C。完成一个循环。进行3个循环后，膜层无脱落。试验结果证明所研制的分色片样品能够经受住要求的可靠性检验，满足航天产品使用要求。

4 结论

采用在金属膜入射侧叠加非对称等效层对诱导透射膜系在可见近红外波段进行光谱调控的设计方法，使1.35~2.2 μm波段迅速过渡为反射区，实现了0.4~1.05 μm可见近红外波段高效透射，1.35~13 μm高效反射，且透射波长（0.4~1.05 μm）光谱区偏振灵敏度优于4%。所研制的分色片光谱性能和可靠性均满足系统要求，解决了星载红外遥感仪器光学系统中大角度入射窄过渡区超宽光谱分光的关键技术。

References

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低偏振超宽光谱分色膜设计与制备 PDF

摘要

关键词

引言

1 理论分析

1.1　诱导透射原理

1.2　薄膜偏振效应

2 膜系设计与材料选择

3 分色片的制备与性能测试

4 结论

References

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关键词

引言

1 理论分析

1.1 诱导透射原理

1.2 薄膜偏振效应

2 膜系设计与材料选择

3 分色片的制备与性能测试

4 结论

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1.1　诱导透射原理

1.2　薄膜偏振效应