[发明专利]一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法

说明书

本发明公开了一种热辐射可控的光学窗口薄膜，具体涉及一种红外光学窗口长波透明区的热辐射调控方法。其主要特征是：基于碳化锗薄膜和类金刚石薄膜组合，设计出迎风面两层增透保护膜；基于硫化锌薄膜和氟化钇薄膜组合，设计出背风面的减反射薄膜；主要设计思想是背风面的剩余反射率低于迎风面的剩余反射率，最终实现背风面的辐射率小于基底本身的辐射率。本发明可应用于具有热辐射控制需求的长波红外光学成像系统的光学窗口。

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，涉及是有关红外成像系统光学窗口薄膜特性控制技术，尤其涉及一种热辐射可控的一体化结构红外光学窗口薄膜设计方法。

背景技术

随着红外物理与器件技术的发展，基于被动红外的成像与探测技术被广泛应用于科研和国防领域内。光学窗口作为红外成像与探测技术的重要光学组件，在高速飞行的气动加热下产生的气动光学效应，降低光学探测系统对目标探测信噪比，进而减小对目标探测距离，严重时甚至形成“热障”而淹没需探测目标信号。光学窗口所处的环境与飞行高度和速度相关，例如在10km高空3Ma速度飞行可达到350℃。以长波红外探测与成像为主要应用背景，硫化锌材料成为目前光学窗口的最佳选择，一方面即需要提高光学窗口在长波红外的透过率，另一方又要降低窗口在热作用下的向光学系统内辐射的长波红外线。因此如何对红外光学窗口的热辐射率和透过率同步控制成为难题。

为了满足更高的飞行速度和恶劣的飞行环境，人们认为采用窗口制冷的方法可以有效地控制窗口的温度升高，达到抑制热辐射的热应力的问题，提高窗口的光学性能的结构稳定性。目前已经研究的窗口冷却方式主要有薄膜冷却、冲击冷却，内部冷却、被动气动隔热等。然而，由于硫化锌材料的折射率较高(～2.2)，单面剩余反射率达到～14％，因此需要对光学窗口迎风面和背风面进行减反射处理。尽管可以采取制冷的方式对窗口进行冷却，但是由于薄膜的减反射处理带来的窗口辐射率的变化仍需要考虑，具有低发射率的窗口也会产生高的背景辐射通量而导致红外探测系统灵敏度降低，因此如何降低窗口背风方向的辐射是值得关注的问题之一。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：针对工作在7.5-9.7um波段范围的硫化锌光学窗口，通过提供一种迎风面增透保护和背风面减反射的方法，提供一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，用于提高光学窗口的透过率和降低背风方向的热辐射率。本方法设计出的光学窗口薄膜在实际制备中具有较强的可实现性。

(二)技术方案

一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，光学窗口的两个表面分别记为A面和B面，其中A面为迎风面，进行增透保护薄膜处理，B面为背风面，进行减反射薄膜处理。

优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，迎风面的增透保护膜设计方法：选择高折射率材料：选择碳化锗薄膜和低折射率材料：类金刚石薄膜两种薄膜材料，以迎风面的剩余反射率R_front(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，中心波长λ₀＝8μm，获得迎风面的膜系结构为：

Sub/x₂H’x₁L’/Air

其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H’和L’分别代表迎风面的高折射率和低折射率材料，x₁和x₂分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4。

优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，背风面的减反射设计方法：选择高折射率和低折射率材料两种薄膜材料，以背风面的剩余反射率R_rear(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，中心波长λ₀＝8μm，获得背风面的膜系结构为：

Sub/x₃L x₄H/Air