[发明专利]一种兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜

说明书

本发明提供一种工作于红外波段的、兼具截止和减反特性的金属结构超表面光学膜，包括均匀介质层以及在均匀介质层上方的周期排布的薄金属结构。该光学膜可实现在4‑7微米波段的截止、在8‑14微米波段的减反效果。其中均匀介质层采用传统的单层光学减反介质，金属超表面通过简单的光刻—剥离工艺实现。所述的结构在能够选择透过目标波段的基础上克服原有的多层膜工艺的缺陷并兼顾成本和加工难度，可应用于红外热成像仪等红外成像器件上。

技术领域

本发明涉及红外波段的选择透过超表面光学膜，特别涉及在4-14微米波段具有选择透过性的金属超表面光学膜。

背景技术

任何非绝对零度的物体都在向外辐射能量，这些能量通常以红外线的形式存在。通过对目标物体向外辐射的红外波段的电磁波进行感知，能够实现测温，夜视等具有重要意义的功能。由此发展出的众多红外成像设备也带动了红外窗口的需求。而红外窗口往往需要在工作波段内保持一个较高的透射率，让尽可能多的能量进入光学系统；同时，也会出现需要将某些波段阻挡在光学系统之外的需求。这时就需要同时具备截止和增透功能的光学窗口。

对反射和透射的调控在光学系统的优化中起着重要的作用，传统的方法是通过在器件表面镀上多层膜来实现。然而多层膜方案在材料的折射率和各层膜厚度上有限制。并且随着需要的膜层增多，膜层表面的平整度也越加难以维持，从而影响器件性能。红外窗口的设计制造也面临着同样的难题，急需一种受材料特性限制少、设计自由度高、在制造流程中工艺控制更稳定的结构方案来加以改善。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中对反射和透射的调控时，多层膜的平整难度较大的缺陷，提供一种兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其制备方法为，在基底上镀上一层介质外加一层周期性排列的金属结构，即可实现在8-14微米的减反，并能够高效截止处于大气吸收窗口的4-7微米波段，从而提高红外测温准确性。

在介质表面周期性间隔设置一层金属层，金属结构形成的等效表面与基底-介质界面形成一个类似谐振腔的结构从而达到在中红外波段的选择性透过功能。

所述的基底为工作在传统红外光学基底上，如硅、锗和硫系玻璃等。

所述的介质层为红外减反材料如硫化锌、氟化镁等；所述的金属可采用金、银、铂、钛等。

进一步地，最上层的金属结构为金属层为正方形、圆形或其他易于加工的形状，金属的厚度范围是0.01-0.5微米，介质层的厚度范围是0.1-4微米，单元结构周期范围是2-3微米，金属的单元结构大小范围是0.5微米至1个周期的大小。

进一步地，该光学膜的工作波段为4微米-14微米。

进一步地，该光学膜在4-7微米主要起截止的作用，在8-14微米主要起减反的作用。

本发明的原理在于：周期排布的金属单元改变了材料表面的复折射、透射系数，从而使得整个器件由于金属结构对激励的谐振响应而拥有更强的色散性质，实现在宽波段内的相长或相消干涉。同时由于需要截止的波段和需要减反的波段很接近，仅仅使用干涉相消的方法并不能取得很好的效果。对此的优化方案是：采用合适的周期在截止波段内形成光栅，进一步地减少零级的能量。

所述的结构组合的变量包括均匀介质层的厚度，金属的厚度和单元结构的大小(正方形的边长或圆的半径)，周期的大小。为了得到最佳组合，可以采用各种优化算法进行搜索，其中单元结构的几何外形因为只存在两种情况，在算法搜索之前被先固定下来，然后再进行其他变量的搜索。另外，由于周期结构的大小还起着光栅的作用，所以可以根据光栅方程和需要截止的波段先大致确定周期的范围在2-3微米。其余的参数的优化范围是在由制造工艺大致确定的。