[发明专利]一种以蓝宝石为基底的可见光近红外波段狭缝保护片

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术，具体指一种以蓝宝石晶体为基底的可见近红外(VNIR)狭缝保护片，通过在蓝宝石基底入射面上制备光谱选择与能量调控多层膜、基底背面制备宽光谱减反射膜，实现对480-700nm波段的中性分光，同时对400-440nm、800-1100nm的宽光谱波段实现高透。

技术背景

可见短波红外高光谱相机由于其较小的F数而采用了基于高效率凸面光栅改进型的OFFNER系统，突破了双狭缝、大面视场和平场度光谱仪的关键技术。由于狭缝长度达到了60mm，而狭缝宽度仅为30μm，在装校过程中狭缝洁净度的保护是一个难点，同时由于光栅衍射效应而引起的光学效率不均衡也需要进行调整，因此通过设计一种VNIR狭缝保护片，使之既能对狭缝进行洁净度保护，又能进行光谱和能量的调控。考虑到狭缝保护片形变等对光谱仪的影响，以及狭缝保护片本身的可靠性等方面，设计上采用蓝宝石作为基底材料，膜层材料选用在工作波段(尤其是400-440nm)吸收较小的Ta₂O₅作为高折射率材料。该狭缝保护片对于高光谱分辨率光谱仪具有重要意义，而该保护片的光谱与能量调控功能对于其他航空遥感仪器中的类似应用具有重要的参考价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种以蓝宝石晶体为基底的可见光近红外波段(VNIR)狭缝保护片，实现对480-700nm波段的中性分光，同时对400-440nm、800-1100nm的宽光谱波段实现高透射，以满足可见短波红外高光谱相机OFFNER光栅分光系统中的狭缝清洁保护以及能量和光谱调控需求。

本发明的技术方案是：在蓝宝石基底入射面上制备光谱选择与能量调控多层膜、基底背面制备宽光谱减反射膜。

光谱选择与能量调控多层膜在设计时既要考虑中间波段的中性分光，还要考虑两端的高透射要求，因此膜系采用负滤光片加多层分光膜的膜系设计方法辅以等效匹配层。为了展宽带宽，非对称等效层理论及交替折射率膜系设计方法用来作为解决方案，最后通过软件优化获得可用的膜系，同时通过局部优化控制极个别关键层的厚度，实现准确的光谱选择与能量调控。而背面的宽光谱减反射膜同样遵循了这样的设计原则。

根据以上分析，该VNIR狭缝保护片的实现包括以下步骤：

1.膜系的结构

光谱选择与能量调控多层膜(1)的膜系结构为：

基底/3.069H1.805L.293H1.316L(.293L.993H.824L)² 2.874H 1.505L/空气

宽光谱减反射膜(3)的膜系结构为：

基底/.489H.233L.984H.295L.497H 1.249L/空气

式中各符号的含义分别为：n_s为基底；n₀为空气；L表示光学厚度为λ₀/4的SiO₂膜层；H表示光学厚度为λ₀/4的Ta₂O₅膜层。λ₀为中心波长；H、L前的数字为λ₀/4光学厚度比例系数乘数；指数2表示膜堆周期数。

2.膜层制备方法

膜层制备是在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备上进行的，H、L均采用电子束蒸发沉积，全过程采用离子束辅助沉积，离子源为MarkII，具体参数为：阳极电压200～230V，阴极电流12～16A。通过膜层材料试验结果分析表明：基底温度控制在250℃时，膜层具有很好的牢固度；在该温度下，电子束蒸发沉积所得的Ta₂O₅膜层具有更加致密的结构，因此在400-440nm光谱范围的吸收也随之减小。离子束辅助沉积对于增加膜层致密度，提高膜层可靠性也具有积极的作用。本发明的有益效果如下：

1.本发明提供了一种以蓝宝石晶体为基底的可见近红外(VNIR)狭缝保护片，是采用凸面光栅分光的可见短波高光谱相机光学系统中必不可少的光学元件，对装校时的双狭缝清洁保护以及光谱选择和能量调控具有重要意义。

2.本发明采用了特定工艺，提高了膜层的致密度，减小了材料的吸收以及光谱漂移，保证了光谱的准确定位和能量的精确调控，以及空间可靠性。

3.本发明的技术方案合理可行，产品性能稳定，可广泛应用于采用光栅分光的高光谱相机系统中。

附图说明

图1是VNIR狭缝保护片的膜层结构示意图，图中：

1—光谱选择与能量调控多层膜；