一种深截止红外带通滤光片及其制备方法与流程

本发明涉及光学薄膜，更具体地说，本发明涉及一种深截止红外带通滤光片及其制备方法。

背景技术：

1、红外传感、成像与识别等光电系统的接收端普遍需要一片红外带通滤光片。该滤光片只允许与系统红外光源相对应的窄波段（通常为中心波长λ0=850nm或940nm）通过，而对其余波段、特别是可见光与相邻近红外波段的环境光予以深度截止，以抑制噪声、提高系统信噪比。随着系统在户外强日照等强环境光条件下对探测距离与探测精度的要求不断提高，对截止深度的要求已由光密度od4提高到od5甚至od6，故称为深截止红外带通滤光片。

2、此外，此类系统通常需要接收一定角度范围内的入射光，滤光片须容纳20°~40°的光线入射角。根据多层膜干涉理论，入射角θ下的通带中心波长λθ与垂直入射时的λ0满足λθ=λ0(1-sin2θ/ne2)1/2，其中ne为膜系等效折射率。因此提高ne是减小角度偏移的根本途径。

3、现有技术主要有以下几类：

4、第一类采用二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钽等氧化物作为高折射率材料。这类材料在940nm处的折射率仅为2.1~2.4，膜系等效折射率约2.0~2.2，入射角由0°变为30°时中心波长偏移量达30nm以上，为容纳该偏移不得不加宽通带，进入探测器的环境光噪声随之增大。

5、第二类采用氢化硅作为高折射率材料。氢化硅在800nm~1800nm波段的折射率可大于3.5，膜系等效折射率可达3.2以上，角度偏移显著减小。公开号为cn107841712a的中国专利申请公开了高折射率氢化硅薄膜的制备方法，公开号为cn110737040a的中国专利申请公开了以氢化硅为高折射率层的红外带通滤光片，公开号为cn111736250a的中国专利申请与公告号为cn113075758b的中国专利亦公开了以氢化硅为高折射率层的窄带红外滤光片。

6、然而，采用氢化硅的现有技术在实现深截止时存在一个尚未解决的矛盾。氢化硅的光学带隙随其氢含量（以原子百分数at.%表示，指膜层中氢原子的数目占膜层中全部原子数目的百分比，下同）升高而单调增大，吸收边随之向短波方向移动。氢含量较高（例如18at.%）的氢化硅，其吸收边约在650nm，在940nm处几乎不吸收，有利于获得高的通带峰值透过率；但它在750nm~890nm波段同样近乎透明，该波段仅靠干涉反射难以达到od6，成为深截止的最薄弱波段。反之，若采用氢含量较低（例如6at.%）的氢化硅，其吸收边红移至约780nm，750nm~890nm波段的截止深度大幅改善，但其在940nm处的乌尔巴赫（urbach）吸收尾同时增大，消光系数升至10-3量级，使通带峰值透过率降至87%以下。即截止深度与峰值透过率此消彼长，难以兼顾。

7、为回避上述矛盾，公开号为cn110737040a的中国专利申请采取在基片的另一表面加镀层数不少于15层的截止膜、并在带通膜面引入中折射率层的方案。该方案虽能把od4截止范围拓展到整个可见光波段，但存在以下缺陷：其一，双面镀膜使膜层总数与镀膜工序倍增，制备周期长、成品率低；其二，两个表面膜系的残余应力难以配平，对于厚度0.3mm以下的薄基片易产生翘曲，导致中心波长的面内均匀性变差；其三，背面截止膜的截止边同样随入射角向短波方向移动，在大入射角下会侵入通带短波侧，压缩有效通带宽度；其四，该方案对800nm~890nm波段的截止深度提升仍然有限，难以稳定达到od6。

8、另一方面，氢含量较高的氢化硅膜层中，以si—h2、si—h3形式结合的氢结合能低，受热时易于逸出，膜层随之致密收缩、折射率升高。因而现有氢化硅滤光片在经过260℃回流焊或85℃/85%相对湿度的湿热可靠性试验后，通带中心波长会产生数纳米量级的漂移，批次一致性差。

9、因此，本领域需要一种仅在基片一侧的膜系上即可实现深截止、同时保持高的通带峰值透过率与小的角度偏移的红外带通滤光片及其制备方法；进一步地，还希望这样的滤光片具有良好的热与湿热稳定性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供了一种深截止红外带通滤光片及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种深截止红外带通滤光片，包括基片以及位于所述基片一侧的带通膜系，所述带通膜系包括由高折射率层与低折射率层交替堆叠而成的多个法布里-珀罗腔，每个所述法布里-珀罗腔包括两个反射堆和位于所述两个反射堆之间的间隔层；所述高折射率层为第一氢化硅层或第二氢化硅层，所述第二氢化硅层的氢含量比所述第一氢化硅层的氢含量高5at.%以上；各所述间隔层均为第二氢化硅层，所述第一氢化硅层均位于所述反射堆内。

4、优选地，所述第一氢化硅层的氢含量为4at.%~8at.%、在850nm处的消光系数为5×10-3~5×10-2；所述第二氢化硅层的氢含量为13at.%~22at.%、在850nm处的消光系数不大于5×10-4。

5、优选地，每个所述反射堆中最靠近所述间隔层的高折射率层为第二氢化硅层，所述反射堆中其余的高折射率层为第一氢化硅层；所述带通膜系中全部第一氢化硅层的总物理厚度为全部第二氢化硅层总物理厚度的0.25倍~1.5倍。

6、优选地，所述带通膜系背离所述基片的最外层为氢阻挡层，所述氢阻挡层为厚度15nm~50nm的氮化硅层或氧化铝层；所述低折射率层为二氧化硅层。

7、优选地，所述带通膜系还包括长波截止堆，所述长波截止堆位于所述多个法布里-珀罗腔背离所述基片的一侧，由第二氢化硅层与低折射率层以通带中心波长λ0的1.15倍~1.28倍为参考波长交替四分之一波长堆叠而成，层数为7层~13层。

8、优选地，所述间隔层的光学厚度为通带中心波长λ0的四分之一的4倍、6倍或8倍，所述法布里-珀罗腔的数量为3个~7个，所述带通膜系的层数为40层~75层，所述基片的另一侧设有增透膜系。

9、优选地，所述通带中心波长λ0为930nm~950nm，且所述滤光片在0°入射角下，在400nm~890nm波段的光密度不小于6，在990nm~1150nm波段的光密度不小于5，在930nm~950nm波段的平均透过率不小于92%；入射角由0°增大至30°时通带中心波长的偏移量不大于11nm。

10、本发明还提供一种深截止红外带通滤光片的制备方法，用于制备上述深截止红外带通滤光片，包括以下步骤：

11、s1、对基片进行清洗与预处理；

12、s2、采用硅靶反应磁控溅射，以氢氩流量比r1沉积第一氢化硅层，并与低折射率层交替沉积，氢氩流量比为溅射时通入的氢气流量与氩气流量之比；

13、s3、以氢氩流量比r2沉积第二氢化硅层，并与低折射率层交替沉积，r2-r1≥7%；

14、s4、按照带通膜系的膜层顺序执行并重复步骤s2与步骤s3，得到带通膜系；

15、s5、沉积氢阻挡层；

16、s6、于真空中经至少两个温度平台进行阶梯退火。

17、优选地，所述磁控溅射采用中频电源，中频电源的功率为6kw~12kw、频率为20khz~60khz；r1为2%~5%，r2为12%~22%；溅射工作气压为0.2pa~0.8pa；沉积过程中基片温度不高于80℃；在沉积第一氢化硅层与沉积第二氢化硅层相互切换时，在5s~40s内将氢气流量连续调节至目标值。

18、优选地，所述阶梯退火为：以1℃/min~5℃/min的速率升温至150℃~180℃并保温30min~90min，再以1℃/min~5℃/min的速率升温至220℃~260℃并保温60min~180min，然后以不大于2℃/min的速率降至室温；所述阶梯退火时的炉内压强不高于5×10-3pa。

19、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

20、1.仅在基片一侧的单面膜系上即实现深截止：400nm~890nm波段的光密度不小于6，990nm~1150nm波段的光密度不小于5；其中现有氢化硅膜系最薄弱的800nm~890nm波段的最小光密度由约3.6提高到6.4以上。

21、2.通带峰值透过率高：930nm~950nm波段的平均透过率不小于92%，实测达93.6%，比全部采用低氢含量氢化硅的方案提高约7.4个百分点。

22、3.角度偏移小：入射角由0°增大至30°时通带中心波长偏移量不大于11nm，增大至40°时不大于19nm。

23、4.过渡带窄：由90%透过率至od5的短波侧过渡带宽度不大于6nm。

24、5.膜层总数与总物理厚度少：无需在基片另一面加镀截止膜，实施例1的带通膜系仅53层、总物理厚度约7.2μm，镀膜工序与镀膜时间显著缩短，成品率提高。

25、6.热与湿热稳定性好：经260℃、10s回流焊三次后通带中心波长漂移不大于1nm，经85℃/85%相对湿度、500h湿热试验后漂移不大于0.6nm。

26、7.膜系应力小：膜系总应力绝对值不大于50mpa，厚度0.21mm的基片翘曲不大于8μm，中心波长的面内均匀性好。