引　言

红外探测技术广泛应用于军事、医疗、航空航天等领域^[1-2]，滤波器作为红外探测技术中的一个重要光学元件，起着非常关键的作用^[3-4]。由于红外单通道滤波器易受目标相邻波段的干扰，为了获得更多有效的信息，往往需要用到特定波段的双通道滤波器，而红外双通道滤波器可以同时透过两个特定的光学波段，可进一步增强获取信息的能力及提高探测目标的信噪比和准确性^[5-7]。

制备双通道滤波器的方法有很多，但主要是围绕长短波截止膜系拼接和多半波膜系组合，或者依据法布里-珀罗（Fabry Perot, F-P）膜系进行优化叠加^[8]的方法。陈友华等^[9]通过长波通和短波通截止膜系构成一个通带，通过增加不同中心波长的双半波膜系，构成另一个通带，借助膜系设计软件自动优化技术，适当调整膜系中个别膜层的厚度，实现了5.9～6.2 μm和11.9～12.2 μm的宽截止双通道带通滤波器的镀制，总共56层，总膜层厚度约38.0 μm；王松林等^[10]在基底两面分别镀制长短波截止膜系组合的中波红外带通滤光膜系和负滤光膜系的方法，得到了中波红外双通道带通滤波器，总共77层，总膜层厚度约24.0 μm；蔡渊等^[11]通过在基底两面分别镀制不同中心波长的四半波F-P膜系，得到了两个通道的相对带宽均为9%的双通道带通滤波器，总共38层，总膜层厚度约16.3 μm。上述方法中负滤光膜系和多半波膜系的设计较为复杂，需要用过渡层进行匹配，而且总膜层厚度也往往比较厚，最薄的也有24.0 μm。若按照两面镀制四半波膜系设计要求，虽然减少了膜层数，但是总膜层厚度也达到16.3 μm，镀制起来非常困难，并且膜系过厚会将各膜层之间因位错、缺陷等结构产生的内应力叠加。在不同温度下工作时，膜层与衬底的热膨胀系数失配产生热应力，同时会受外界环境影响，吸收空气中的水分产生外应力，使膜层出现开裂、脱膜等问题^[12-14]。

为了快速设计出特定波段的双通道膜系，减少膜系总厚度并有效消除脱膜、裂膜等问题，本文采用多个截止膜系拼接的方法镀制双通道带通滤波器。该方法具有很好的灵活性，可根据要求选取合适的截止膜系，依据膜系设计软件的自动优化调整每层的物理厚度，快速地设计出指定波段透过，并且矩形度较好的双通道膜系，具有广泛的应用前景。

1 中红外双通道滤波器膜系的设计与制备 1.1 镀膜材料的选择

红外波段常用的镀膜材料有Ge、Si、MgF₂、ZnS、SiO等。Ge为半导体材料，价格较贵，无毒无放射性，折射率为4.40（2 μm），透过率随温度变化明显，广泛用作红外窗口、透镜等，Ge与ZnS的结合比较好，其镀膜温度以不超过150 ℃为宜。Si的熔点为1 414 ℃，折射率为3.40（3 μm），其机械强度、硬度和抗热冲击性能比Ge好得多，最高镀膜温度达325 ℃，在红外波段的应用非常广泛。MgF₂是常用的低折射率材料，折射率只有1.35（2 μm），可用电子枪或者钽舟蒸镀，其填充密度和基底的温度有关，在一定的温度范围内，基底温度越高，填充密度越大，而且MgF₂薄膜有很高的张应力，其镀膜厚度不能超过2 μm。ZnS折射率为2.20（2 μm），可用电子枪或者钽钼舟蒸发，高温极易升华，蒸发时会分解为Zn和S，再沉积到基底上结合成ZnS，若基底温度过高，会导致Zn和S结合不好，因此ZnS蒸镀时的温度不宜超过150 ℃。SiO熔点较低，为易升华材料，可用钼舟蒸镀，折射率为1.50～1.85（2 μm），主要在中红外区和Ge、Si搭配镀制各种多层膜滤光片^[15]。综合比较上述材料特性，以Si和SiO之间的粘附性最佳，膜层之间匹配良好，因此本文选择Si-SiO作为红外镀膜材料。

1.2 中红外双通道滤波器带通膜系的设计

截止带的膜系通常为Sub/（0.5H L 0.5H）^{^S}/Air和Sub/（0.5L H 0.5L）^{^S}/Air^[16]，其中：H和L分别表示光学厚度为λ₀/4的高折射率膜层和低折射率膜层；λ₀表示中心波长；S表示对称膜系的周期数。S越大，膜系的截止深度越好，但是相应的膜层厚度会增加，膜系截止带宽只与镀膜材料的高低折射率差值有关，差值越大，截止宽度越大。

根据设计要求：在2.0～5.0 μm波段内，除了所需的两个通道2.7～3.0 μm和4.1～4.4 μm，其平均透过率大于70%，其余波段均截止，截止深度小于1%。选取单晶硅作为基底，中心波长λ₀为3.46 μm，采用三个截止带拼接得到目标膜系，初始膜系为：Sub/0.63（0.5H L 0.5H）^{^7} 0.96（0.5L H 0.5L）^{^6} 1.57（0.5H L 0.5H）^{^6} 0.5L/Air。最后一层采用低折射率材料SiO作为保护层，用TFCal膜系设计软件对目标进行优化，优化后的实际膜系为：Sub/3.527 6H 0.985 2L 0.477 8H 0.594 8L 0.624 0H 0.351 9L 0.713 5H 0.871 1L 0.842 1H 0.763 7L 0.160 0H 0.833 2L 0.832 8H 0.865 9L 0.593 3H 0.208 9L 0.807 2H 0.832 4L 0.619 0H 0.714 3L 1.343 3H 0.976 7L 1.275 2H 0.948 7L 0.893 7H 1.180 9L 0.870 2H 0.675 8L 0.152 8H 2.127 5L 0.714 4H 1.354 4L 1.896 6H 1.327 1L 1.092 4H 1.506 6L 1.978 6H 1.324 6L 1.815 2H 1.720 6L 0.418 0H 0.828 8L/Air。对膜系的每一层进行敏感性分析，结果如图1所示。

在图1（a）中，黑色柱状体越短表明该层敏感性越低，改变其膜层厚度对整体光谱影响较小，可以看出第一层敏感度较小。整个膜系的光谱图如图1（b）所示，虚线表示的是1～42层膜系的光谱图，实线表示的是去掉第一层Si层后的膜系光谱图，通过对比发现，不管有无第一层Si层，整个膜系的光谱图变化不明显，故得到的最终膜系为：Sub/0.985 2L 0.477 8H 0.594 8L 0.624 0H 0.351 9L 0.713 5H 0.871 1L 0.842 1H 0.763 7L 0.160 0H 0.833 2L 0.832 8H 0.865 9L 0.593 3H 0.208 9L 0.807 2H 0.832 4L 0.619 0H 0.714 3L 1.343 3H 0.976 7L 1.275 2H 0.948 7L 0.893 7H 1.180 9L 0.870 2H 0.675 8L 0.152 8H 2.127 5L 0.714 4H 1.354 4L 1.896 6H 1.327 1L 1.092 4H 1.506 6L 1.978 6H 1.324 6L 1.815 2H 1.720 6L 0.418 0H 0.828 8L/Air，总共41层。对最终膜系进行敏感性分析，如图1（c）所示，各膜层的敏感度基本没有变化，膜系总膜层厚度14.8 μm（其中SiO总厚度10.0 μm，Si总厚度4.8 μm），比报导的红外双通道滤波器最薄的16.3 μm^[11]薄9.2%。为得到Si薄膜材料的实际光学参数，使用Code软件中的柯西模型对镀制的Si单层的透射光谱进行拟合，得到Si实际的折射率和吸收系数，拟合结果如图2所示。可以看出，Si在中波1.0～5.0 μm的消光系数为8.7×10⁻⁴。而在硅基底上单面镀制双通道膜系时，透过率最高只有70%的原因是Si材料的吸收和Si基底的反射作用。为满足滤波器的使用要求，在基底另一侧镀制一层SiO增透膜，理论计算结果如图1（d）所示，通带透过率可达到90%。

1.3 中波红外双通道滤波器膜系制备

实验使用的镀膜设备为布勒莱宝ARES1110高真空镀膜机，膜料沉积之前的准备工作如下：

（1）对Si料进行预熔处理；

（2）将腔内温度加热到150 ℃，并恒温保持1 h；

（3）用APS离子源轰击单晶硅基底240 s。

采用电子束蒸发方式沉积Si薄膜材料，电阻器加热蒸发方式沉积SiO薄膜材料，在沉积SiO膜层时采用离子源辅助沉积，此时腔内真空度为10⁻⁴ Pa。在实际镀制Si膜层过程中，Si薄膜材料由于长时间受高温加热导致硅料局部过热，当沉积膜层厚度达到3.0 μm后，易发生喷溅现象。结合镀制硅料膜层的厚度和敏感层分析结果，将整体膜系分为1～26层，27～41层进行两次镀制。在镀膜工艺结束后，待腔体内温度降至80 ℃时再开腔取出样品，并使用傅里叶变换红外光谱仪对其进行光谱测试。

图3为样品测试结果与理论设计的光谱图。从图3（a）1～26层膜系的样品中可以看出，在2.0～4.0 μm波段，实际结果的光谱与理论设计基本吻合，在4.0～5.0 μm波段，实际结果的光谱峰位较理论设计红移0.02 μm左右。从图3（b）27～41层膜系的样品中可以看出，在波长小于4.2 μm的波段，样品的实际结果较理论设计的峰位有所红移，偏移量约0.02 μm。图3（c）和图3（d）分别为一面镀制整体膜系的样品和在另一面镀制了增透膜层的样品，分析实验结果得：在2.5～3.5 μm波段，实际样品的带宽为0.32 μm左右，峰位较理论设计红移0.02 μm；在3.5～5.0 μm波段，实际样品的带宽约为0.30 μm，峰位较理论设计红移0.02 μm。光谱图中部分波段光谱红移的原因是由于膜系的Tooling选取偏小：在膜系实际镀制过程中，每个膜层的实际镀制厚度比理论设计要偏大，并且在非规整膜系中由于个别敏感膜层物理厚度有误差导致之后相邻的膜层自动补偿物理厚度。当样品的另一面镀制增透膜层时，样品在2.7～3.0 μm的平均透过率为73.4%，在4.1～4.4 μm的平均透过率为81.2%，满足设计要求。

图4为镀制的样品实物图，图4（a）为镀制较厚膜系后产生裂膜的样品，图4（b）为使用三个截止带拼接膜系镀制的表面平整且无裂膜、脱膜现象的样品。

2 双通道滤波器关键参数的调控研究

双通道滤波器中每个通道的中心波长和带宽是其关键参数，决定了器件的主要性能。由于整个膜系是由三对截止带拼接而成的，通过调节每个截止带前的参数，可使对应的截止带光谱整体蓝移或者红移，进而调控双通道滤波器的波长和带宽等关键参数。为了研究三对截止膜系对整体膜系光谱图的影响，引入α、β、γ三个常数分别表示三对截止带前的系数，实际膜系如下：α（0.985 2L 0.477 8H 0.594 8L 0.624 0H 0.351 9L 0.713 5H 0.871 1L 0.842 1H 0.763 7L 0.160 0H 0.833 2L 0.832 8H 0.865 9L 0.593 3H）β（0.208 9L 0.807 2H 0.832 4L 0.619 0H 0.714 3L 1.343 3H 0.976 7L 1.275 2H 0.948 7L 0.893 7H 1.180 9L 0.870 2H 0.675 8L）γ（0.152 8H 2.127 5L 0.714 4H 1.354 4L 1.896 6H 1.327 1L 1.092 4H 1.506 6L 1.978 6H 1.324 6L 1.815 2H 1.720 6L 0.418 0H 0.828 8L）。α、β、γ初始值均为1.00，通过控制变量法，改变α、β、γ中的任一数值，同时保证其余两个数值不变（为1.00），发现改变量只有在0.95到1.04之间取值时，通带方能保持矩形形状。

2.7～3.0 μm通带的带宽（full width at half maximum, FWHM）定义为λ₂−λ₁，其中λ₁和λ₂分别表示透过率为峰值一半时2.7～3.0 μm通带左侧和右侧的波长，该通带的中心波长定义为λ_S=λ₁+（λ₂−λ₁）/2；4.1～4.4 μm通带的带宽（FWHM）定义为λ₄−λ₃，其中λ₃和λ₄分别表示透过率为峰值一半时4.1～4.4 μm通带左侧和右侧的波长，该通带的中心波长定义为λ_L=λ₃+（λ₄−λ₃）/2。由于理论设计双通道膜系最高透过率为70%，取光谱透过率T=35%处的波长进行分析，得到两个通带的中心波长和带宽偏差随各截止带参数数值变化的规律，如图5所示。

理论设计膜系双通道的中心波长分别是2.85 μm和4.25 μm，带宽均为0.31 μm。当只改变α数值时，如图5（a）和（b）所示，短波通道的中心波长先减小再增大：在α取值0.95时，短波通道中心波长为2.84 μm，较理论设计蓝移了约0.01 μm；随着α值逐渐增大至0.97时，中心波长也逐渐蓝移至2.83 μm；当α值依次增加到1.04时，中心波长变为2.90 μm，较理论设计红移0.05 μm；长波通道中心波长随着α值的增加缓慢向长波方向偏移，从4.24 μm（α=0.95）增加到4.26 μm（α=1.04）。长短波通道的带宽随着α值的增加均先增大后减小，在α=1.04时取最小值，短波通道带宽为0.22 μm，长波通道带宽为0.29 μm。当α值在0.95～1.04内变化，短波通道的中心波长变化为2.83 ～2.90 μm，带宽变化为0.22 ～0.32 μm。长波通道的中心波长变化为4.24 ～4.26 μm，带宽变化为0.29 ～0.31 μm。

当只改变β数值时，如图5（c）和（d）所示，短波通道和长波通道的中心波长均随着β值的增大而增大：当β=0.95，短波通道的中心波长为2.77 μm，较理论设计蓝移0.08 μm，长波通道的中心波长为4.15 μm，较理论设计蓝移了0.10 μm；当β=1.04，短波通道的中心波长为2.91 μm，同理论设计相比红移了0.06 μm，长波通道的中心波长为4.32 μm，同理论设计相比红移了约0.07 μm。长短波通道带宽的变化趋势正好相反，随着β值的增大，短波通道带宽从0.29 μm（较理论设计减小0.02 μm，β=0.95）逐渐增大到0.33 μm（较理论设计增大0.02 μm，β=1.04），长波通道带宽从0.35 μm（较理论设计增大0.04 μm，β=0.95）逐渐减小到0.26 μm（较理论设计减小0.05 μm，β=1.04）。

只改变γ数值时，如图5（e）和（f）所示。短波通道中心波长随着γ值的增加先从2.79 μm（较理论设计蓝移0.06 μm，γ=0.95）增大至2.87 μm（较理论设计红移0.02 μm，γ=1.02），然后缓慢减小至2.86 μm（γ=1.04）；长波通道中心波长随着值的增加而增大，当γ=0.95时，中心波长为4.14 μm，同理论设计相比蓝移0.11 μm，从γ=0.97开始中心波长随着γ值的增加线性增大，最大值为4.34 μm（γ=1.04），较理论设计红移了0.09 μm。长短波通道带宽的变化趋势与之相同：短波通道带宽先从0.19 μm（较理论设计减小了0.12 μm，γ=0.95）增大至0.32 μm（较理论设计增大了0.01 μm，γ=1.02），然后减小到0.29 μm（γ=1.04）；长波通道带宽在γ=0.95时为0.11 μm，较理论设计减小了0.20 μm，并随着γ值的增加快速增大，从γ=0.97开始呈线性规律变化，最大值为0.36 μm（γ=1.04），较理论设计增大了0.05 μm。

通过以上分析可以得出：α变化时对短波通道影响较大，中心波长变化大小为0.07 μm，带宽变化大小为0.10 μm；β变化对长短波通道的影响都很大，短波通道中心波长变化大小为0.14 μm，带宽变化大小为0.04 μm，长波通道中心波长变化大小为0.17 μm，带宽变化大小为0.09 μm；γ变化对长波通道的影响较大，中心波长变化大小为0.20 μm，带宽变化大小为0.25 μm。

由以上不同截止带膜系前系数取值的变化规律可得：当α=β=1.03、γ=1.00时，理论设计的通带峰位和样品测试结果基本吻合，如图6所示，由于镀制完1～26层后腔内环境发生了改变，使镀制的27～41层膜系的实际峰位红移了0.02 μm。通带内的干涉条纹是因为非规整膜系对敏感膜层的物理厚度要求比较高，每一膜层的物理厚度误差累积起来会造成实际结果与理论设计有偏差。

3 结　论

用三对截止带膜系拼接的设计方法，结合TFCal膜系设计软件优化膜层厚度设计了2.7～3.0 μm及4.1～4.4 μm的双通道带通滤波器。本文使用匹配性能最佳的Si-SiO作为膜系材料，替代了价格昂贵的Ge薄膜材料，降低了镀膜成本。使用本文方法设计膜系可以有效减少镀膜总厚度，总膜厚比已有报导的最薄设计还薄9.2%，并提高了镀膜效率。研究结果表明：第一对截止带膜系对短波通道影响较大，通过改变α值可以有效调节短波通道位置和带宽；第二对截止带膜系对两个通道均影响较大，通过改变β值可以有效调节长短波通道位置及带宽；第三对截止膜系对长波通道影响较大，通过改变γ值可以有效调节长波通道位置和带宽。