低温对中波红外带通滤光片光谱特性的影响

陈凤金，马胜昔，苏现军，2，经 凌

前言

带通滤光片是指在一定的波段内，只有中间一小段是高透射率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。带通滤光片作为常用的光学元件，已经在光学、光谱学、激光、天文物理学等各个领域得到了广泛应用［1］。中波红外带通滤光片在航天、气象、遥感等领域也有着重要的应用［2］。用于红外制导探测器的滤光片常选择某个波段高透射率的带通滤光片，很多红外探测器需要在液氮温度下（77K）使用。随着红外探测技术的发展，除滤光片本身光学性能的要求越来越高之外，也有越来越多的探测器应用于特殊的相对恶劣的环境当中，恶劣环境中的使用也给探测器的可靠性提出了新的要求。文献［3］针对湿热环境对减反射膜可靠性影响进行了研究，指出Ge基中波减反射膜在湿热环境中持续时间越长，其透过率逐渐降低的现象。滤光片等光学元件和光学薄膜在使用过程中，能否经受低温对它的影响，直接决定了器件或光学系统能否满足使用要求，低温对滤光片光谱特性的影响，甚至可能导致系统失效。所以，研究低温对中波红外带通滤光片光谱特性的影响具有十分重要的意义。某些滤光片在低温条件下不同程度地出现中心波长漂移、透过率降低、膜层附着度差等现象［4］；对于滤光片的低温特性，国内外已有相应的研究，张麟［4－5］等人采用 Pb－GeTe材料作为膜系中心间隔层，镀制出的10.8μm长波红外低温滤光片，使其在低温下具有更好的光学性能及更强膜层附着力；李斌［6］等人研究了利用材料的异常性质改善红外光学薄膜器件在深低温环境下的稳定性和可靠性；蔡渊［7］等人分别采用Ge和SiO作为高低折射率膜层材料，研制了3.5μm～4.0μm低温光谱带通滤光片，并测试得到92K的光谱曲线相对室温要向短波方向移动约45nm；FengWeiting［8］等人研究了多层滤光膜在低温条件下的光学特性，指出在低温条件下随着温度的降低，透过率曲线截止区有向长波方向漂移的趋势；许荣国［9］等人提出了一种测量变温条件下光学材料透过率温度特性的方法，可用于测量光学材料从常温到700℃高温条件下变化的透过率温度特性，但该方法能否用于测量低温条件下其透过率温度特性未作阐述。

本文分别以宝石片和单晶Ge为基底，用Ge和SiO作为高低折射率膜层材料，用美国Danden公司的APS 1104型镀膜机蒸镀膜层，制备了带通滤光片，研究了2种基底的带通滤光片在低温77 K条件下持续不同时间后的光谱特性。

1 实验部分

1.1 中波带通滤光片的镀制

采用macload膜系设计软件设计中波带通滤光膜膜系，分别以规格为φ4mm×0.3mm的宝石片和锗片为基底（基底双面抛光）用美国Danden公司的APS 1104型镀膜机镀制中波带通滤光片。

1.2 中波带通滤光片的低温及光谱特性测试实验

用专用容器盛取液氮，分别将镀制好的中波带通滤光片放入氟塑料制作的小提篮内，把小提篮放入准备好的液氮内，在液氮内充分冷却，持续时间分别为 5min、15min、25min、35min。用Perkin Elmer公司的spectrum GX型分光光度计分别测试中波带通滤光片在液氮中持续不同时间后的光学特性，得到透过率曲线。

1.3 中波带通滤光片的粘接试验。

按GJB2485－95《光学膜层通用规范》中的粘接试验方法实施粘接试验，用2cm宽剥离强度不低于2.74N／cm的透明胶带纸一端牢牢地粘在膜层表面，滤光片固定，另一端长度超出滤光片表面3 cm～5cm便于手持，以垂直于膜层表面方向迅速拉起胶带纸，观察滤光片的膜层是否被胶带纸粘上而脱离基底，以验证中波带通滤光片在液氮中持续不同时间后膜层是否脱落。

2 实验结果与分析

用Perkin Elmer公司spectrum GX型分光光度计分别测试以宝石和Ge为基底的中波带通滤光片在液氮中持续时间为5min、15min、25min、35min后的光学特性，图1为以宝石为基底的中波带通滤光片在常温及液氮环境下持续不同时间后的透过率曲线。图中，曲线由上到下分别为曲线A、B、C、D、E，其中曲线A为以宝石为基底的中波红外带通滤光片在低温试验前（常温环境下）的透过率曲线，曲线B、C、D、E分别为该带通滤光片在液氮的低温环境中持续5min、15min、25min、35min后的透过率曲线。

图1 宝石基中波带通滤光片透过率曲线Fig.1 Transmittance of sapphire－substrate MWIR bandpass filter at cryogenic temperature

图2 为以Ge为基底的中波带通滤光片在常温及液氮环境下持续不同时间后的透过率曲线。

图2 Ge基中波带通滤光片透过率曲线Fig.2 Transmittance of Ge－substrate MWIR bandpass filter at cryogenic temperature

图2 中，曲线由上到下分别为曲线1、2、3、4、5，其中，曲线1为Ge基中波红外带通滤光片在低温试验前（常温环境下）的透过率曲线，曲线2、3、4、5分别为该带通滤光片在低温（液氮）环境中持续5min、15min、25min、35min 后 的 透 过 率曲线。

由图1和图2可以看出，中波带通滤光片在液氮温度下持续的时间越长，其透过率越低，透过区域也越窄。在不考虑测试误差的情况下，由图1可知，以宝石为基底的中波带通滤光片透过率曲线的中心波长在波数为2 400cm－1位置，该中波带通滤光片在经不同时间的低温试验后其最大偏移量仅为7nm；图2中，Ge基中波红外带通滤光片透过率曲线的中心波长在波数为2 500cm－1位置，最大偏移量仅为5nm。

2种中波红外带通滤光片在低温环境下，其通带宽度变窄（前后截止带的位置有向中心波长偏移）的倾向，前截止带的最大偏移量为12nm，后截止带的最大偏移量为7nm。由此认为，在不考虑测试误差的情况下，在持续35min以内，液氮环境对2种中波带通滤光片透过率中心波长的影响很小，偏移量为5mm～7nm。当液氮环境持续到300min时，中心波长的偏移量为13nm。在低温条件下，中波红外带通滤光片中心波长的偏移，是由膜层材料折射率温度特性和受冷收缩的特性［9］所致，膜层材料高、低折射率相对变化使中心波长和截止波长的比值发生变化［10］，进而使中心波长位置发生微量偏移。

相比于低温环境对透过率曲线的中心波长和截止点的影响，低温环境对通带透过率的影响更为显著。以宝石为基底的中波红外带通滤光片经持续不同时间的液氮环境后，其通带区透过率逐渐降低，透过率由最初常温下的90%降低到液氮温度持续35min后的75%，当液氮温度持续时间达120min时其平均透过率降至65%，透过率的降幅与低温环境的持续时间呈线性关系，而当液氮环境持续时间达300min后，平均透过率仅为40%。Ge基中波红外带通滤光片在相同的实验条件下，透过率由常温环境下的70%降低到液氮环境35min后的57%，而当液氮环境持续时间达300min后，平均透过率仅为32%。相比较而言，Ge基中波红外带通滤光片从常温环境到液氮环境5min之后，通带区透过率变化较为显著，变化量约为8%，相对于宝石材料而言，Ge材料对温度较敏感。但充分冷却之后，透过率的降幅与低温环境的持续时间也呈线性关系，锗材料的这一特性也常用于低温温度计［11］。

按光学元件可靠性试验中的粘接试验要求对2种带通滤光片实施粘接试验，试验结果表明，经持续时间为300min以内的低温试验后，Ge基中波带通滤光片和宝石基底的中波带通滤光片未出现脱膜现象。

3 结论

对Ge基中波带通滤光片和宝石基底的中波带通滤光片实施了液氮低温试验，研究了低温对其光谱特性的影响，得出：随着低温持续时间越长，中波红外带通滤光片透过率曲线通带区透过率逐渐降低，低温持续时间达300min后，2种带通滤光片透过率均降至其常温状态下透过率的50%；低温环境后，中波带通滤光片透过率曲线中心波长出现5nm～7nm的微小偏移；Ge基和宝石基底的中波带通滤光片液氮低温下未出现膜层脱落现象。

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