检测CO2气体用窄带滤光片设计与制备

摘要

窄带滤光片是指相对带宽（半宽度与通带中心波长之比）小于0.05的滤光片，其作用对特定波段的光谱进行选择，使特定波段的光通过，截止其余波段的光。目前它主要应用于气体探测器、医疗等精密光学系统。近年来温室效应愈发严重，温室气体使全球地表平均气温逐渐升高，对气候变化预测的难度进一步加大，有必要准确掌握大气中CO2浓度和空间分布。同时，在冶金、家电、农业、医疗、环保等方面，都需要对CO2进行实时的浓度检测与控制，且许多情况下应用环境十分恶劣。因此，开发出矩形度好、窄带透射率高、半高宽窄、截止带宽、光学性能优良的检测 CO2用窄带滤光片，以及稳定性和选择性好、小型化、便携式灵敏度高的CO2气体探测器，具有很高的实用价值。
　　本研究主要内容包括：⑴在窄带滤光片设计中，为了获得较好性能的窄带滤光片，一般会调整以及优化一些设计参数，但制备结果往往会在一定程度上与优化后的设计不同。利用光学薄膜设计软件Essential Macleod，对窄带滤光片膜系中的高或低折射率间隔层、反射层层数、干涉级次和腔数进行模拟实验，揭示其对窄带滤光片敏感度和光学特性的影响关系，并得到其影响规律。⑵针对二氧化碳（CO2）气体在4.26μm处的特征吸收，设计并制备了检测CO2用单通道窄带滤光片。利用相对敏感度分析和法布里-珀罗滤光片设计原理相结合的方法，使4.26μm透射窄带具有高截止深度、透射率、矩形度和低敏感度；同时运用叠加不同中心波长的多层高反射周期膜的方法以展宽截止带带宽。以单晶Si为基片，Ge和SiO为高低折射率材料，分别采用电子束和电阻加热物理气相沉积方法；制备出通带4240-4280nm波段平均透过率T≥80%，半高宽为100±2 nm，截止区1500-4180 nm和4350-8000nm波段平均透过率T<0.05%，截止深度达5×10-4以下，薄膜层数为62层，具有超宽截止带的4.26μm窄带滤光片。⑶CO2特征吸收峰并不仅在4.26μm处，同时在2.78μm和14.95μm处均具有很强的吸收峰，由此设计出检测CO2用双通道窄带滤光片，2000?2700nm、3850?4100nm、4400-8500nm波段平均透射率分别为T≈0.22%、T≈0.11%和T≈0.02%，2750?2800nm波段平均透过率T≈99.13%，半宽度约为74±2 nm，4200Ⅻ4300 nm波段平均透过率T≈99.60%，半宽度约为148±2nm，膜层共55层。同时，对两组膜系进行设计及制备过程中误差分析，验证了上述检测CO2用双通道窄带滤光片在制备过程中的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1光学薄膜分类、应用

1.2窄带滤光片发展过程及研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 论文研究的主要内容

第二章 光学薄膜特性计算及设计理论

2.1 光学薄膜的特性计算

2.2 窄带滤过片设计理论

2.3 高反膜系设计理论

第三章 窄带滤光片的膜系设计及优化

3.1 基片和镀膜材料的选取

3.2 窄带滤光片设计中敏感度的影响因素研究

3.3 单通道窄带滤光片膜系设计及优化

3.4 双通道窄带滤光片膜系设计及优化

3.5 本章小结

第四章 单通道窄带滤光片的制备

4.1 真空镀膜原理

4.2 实验设备及组成

4.3 制备中的工艺参数

4.4 工艺流程

4.5 镀制结果

4.6 本章小结

第五章 窄带滤光片性能测试及误差分析

5.1 单通道窄带滤光片性能测试及误差分析

5.2 双通道窄带滤光片膜系误差分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

在读学位期间发表的论文