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随着人们对探索太空需求的提升, 对航天遥感仪器的光学指标提出越来越严格的要求, 有时需要对光学仪器进行全系统偏振控制。金属膜反射镜作为光学系统中的主要光学器件, 其偏振特性对系统的偏振灵敏度控制有着重要影响。金属银(Ag)膜具有反射光谱范围宽和偏振性能优良的特点, 所以Ag膜反射镜在航天光学遥感仪器中有着广泛的应用。同时由于倾斜入射时偏振效应小, Ag膜成为低偏振依赖金属反射膜的良好选择[1-2]。此外, 航天光学遥感仪器在空间轨道工作时, 受到太阳光的照射、地球的反射光、以及红外辐射等方面的影响, 还有仪器材料的光热吸收等因素的综合作用[3-4], Ag膜反射镜可能面临一定的温度波动, 即使采取了温度控制措施也无法完全避免。因此, 制备具有光学性能稳定的Ag膜反射镜, 并研究温度变化对其偏振等光学特性的影响, 对于空间光学有效载荷的实际应用具有重要意义。
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单层Ag膜的质地较软, 机械强度不够, 与基底之间的附着力较弱, 通过镀制Ni-Cr金属膜层来增强其与基底的结合力。Ag膜的环境稳定性也较差, 长期暴露在空气中, 容易受空气中的硫化物和卤化物的腐蚀而导致反射率等光学性能退化[5-6], 需要在其表面镀制适当的保护膜。有研究人员用氧化硅(SiO2)膜层保护Ag膜, 来提高其抗腐蚀能力[7]。我们在Ag膜和SiO2之间添加了一层氧化铝(Al2O3)膜层, 以增加膜层间的结合力。单层Ag薄膜和Ag膜反射镜样品采用牌号JGS-1的光学石英玻璃为基底, 膜层在高真空(1~3×10-3 Pa)环境中蒸发沉积得到, 薄膜沉积时基底温度控制在30~60 ℃范围。反射镜样品的膜层厚度依次为:Sub.//Ni-Cr 10 nm/Ag 120 nm/Al2O3 20 nm/SiO2 55 nm//Air, 膜层厚度误差在1 nm以内。
样品的偏振特性测量采用美国J.A.Woollam公司的VB-400型可见近红外波段偏振光谱仪。为此仪器配置了变温样品台, 可以实现常温到300 ℃范围的温度变化, 控温精度达±0.5 ℃, 设定温度稳定10 min后再测量偏振数据。
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Rothen A.最早提出了椭偏仪并发展至今[8], 实验用椭偏仪测量原理如图 1所示。当一束线偏振光以某一特定入射角度入射到样品上, 经样品反射, 线偏振光会分解为s光分量和p光分量, 变成椭圆偏振光, 将p光和s光的反射系数rp和rs之比定义为ρ。
图 1 椭圆偏振仪温控测量原理图
Figure 1. Schematic diagram of temperature control measurement for ellipsometer
金属膜层选择用Born和Wolf的复折射率表达方法, 即介质膜层的复数折射率N1。根据菲涅尔公式, 当光束倾斜入射时, 得到s光和p光的菲涅尔反射系数[9]分别为:
(1) (2) (3) (4) 式中, ψ和Δ为仪器能够测量的样品椭偏参数, tanΨ为p光与s光的振幅比的变化值, Δ为相位差。通过菲涅尔公式(2)、(3)和(4)可以看出, 对于某一特定波长的椭偏参数变化和入射角度有关, 同时与薄膜的折射率n值和消光系数k值有着密切关系。
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利用J.A.Woollam公司VB-400型椭圆偏振仪对制备的Ag膜反射镜样品进行偏振测量, 测量光线入射角为45°和60°。通过改变样品温控平台的温度, 分别测量了样品在温度为25、75、125和150 ℃时的的椭偏参数值, 图 2和图 3为椭偏测量光谱。对反射镜样品进行升温降温试验, 将样品升温到150 ℃后保持10 min, 再降温至25 ℃的室温, 加热前后测量了样品的椭偏参数, 光谱对比情况如图 4所示。
图 2 不同温度Ag膜反射镜45°入射椭偏光谱
Figure 2. Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag thin film mirror at different temperatures and 45° incidence
图 3 不同温度Ag膜反射镜60°入射椭偏光谱
Figure 3. Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag thin film mirror at different temperatures and 60° incidence
图 4 加热试验前后Ag膜反射镜45°椭偏光谱
Figure 4. Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag film mirror at 25 ℃ and 45° incidence before and after 150 ℃ heating
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为了更好探讨反射镜的偏振特性, 研究Ag膜的光学特性。相对于介质氧化物薄膜, 温度变化对金属膜层的光学特性影响更为明显[10], 金属膜层反射光的振幅变化和相位差变化主要与其折射率和消光系数密切相关[11]。由于银反射镜的振幅比变化很小, 主要考察相位差的变化情况。
根据菲涅尔反射公式(1)和(2)得到, 垂直于入射面的s光和平行入射面的p光的相位变化可以表示[9]为:
(5) (6) 其中
(7) (8) 金属Ag膜在波长600 nm处的折射率NAg=0.06+3.75i, 45°角入射时利用公式(5)和(6)计算得到其反射偏振光s和p的相位差Δ=97.58°。同样求得Al2O3和SiO2膜层产生的相位差分别为15.51°和10.67°, Ag对相位差Δ贡献更大。
利用前述椭偏光谱仪, 测量了Ag膜样品, 测量时样品温度分别设定25、75、125和150 ℃。金属Ag膜厚度比光的穿透深度大得多, 膜层第二个界面上的反射光可以忽略不计, 故直接引用单界面反射的菲涅尔反射系数公式, 推算后得金属膜层的折射率n和消光系数k:
(9) (10) 式中, n0和θ0分别表示入射介质的折射率和入射角。图 5为Ag膜的折射率光谱曲线, 反射率光谱曲线在图 6中给出。
图 5 不同温度下Ag膜的折射率光谱曲线
Figure 5. Spectral curves of the refractive index of single silver thin film at different temperature
图 6 Ag膜在25 ℃和150 ℃温度下的反射光谱
Figure 6. Reflective spectrum of silver thin film at 25 ℃ and 150 ℃ temperature
为了研究在温度升高至125 ℃后Ag膜表面变化情况, 通过原子力显微镜(AFM)分别观察了在25 ℃和125 ℃时的表面形貌, 如图 7所示。选择同一样品, 温控平台加温至125 ℃保持10 min, 待受热均匀后, 观察125 ℃温度下Ag膜的表面。
图 7 Ag膜在25 ℃和125 ℃时的表面形貌
Figure 7. Surface morphology of Ag film at 25 ℃ and 125 ℃
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比较图 2和3发现, 无论入射角为45°还是60°, 温度从25 ℃到150 ℃依次增加的过程中, 表示振幅比的椭偏参数Ψ变化很小, 变化量可以忽略。相位差Δ的变化则十分明显:当波长小于600 nm时, 随着温度升高Δ值逐渐减小; 当波长大于650 nm时, 随着温度升高Δ值逐渐增大; 在600~650 nm波长范围, 温度对Δ值的影响较小。对于该膜系结构, 温度升高时, 在大部分可见光波段, 反射光中s光与p光的相位差减小; 红外波段中s光与p光的相位差则增大; 同时在600~650 nm波长的红光波段, 出现了一个对温度不敏感的偏振稳定窗口。
从图 4的椭偏光谱可以发现, 样品在先升温到150 ℃再恢复室温后, Ag反射镜的椭偏参数发生了一定的改变, 对比未升温样品在波长200~600 nm区域内反射相位差Δ整体降低, 说明膜层发生了不可恢复的改变。
图 5的测量曲线可以看出, 波长大于350 nm以后, Ag膜的折射率随着温度的增加而增加。从室温升高到125 ℃的过程中, 折射率只有少量的增加; 在温度从125 ℃增加到150 ℃的过程中, Ag膜折射率明显增加, 在波长500~1 200 nm的波段范围内折射率的增量达到50%以上。在这一波段, Ag膜折射率表现为正温度系数。当温度升高时, 金属膜层中自由电子变得活跃, 引起电导率增加, 表现为折射率的升高。在测量过程中发现, 温度低于125 ℃时, Ag膜表面稳定; 高于125 ℃时, 观察到Ag膜的表面开始发生变化, 图 7通过原子力显微镜观测了加温前后Ag膜的表面形貌变化情况。温度升高以前整个薄膜表面较为平整, 极少的突起和凹陷; 温度升高以后, 表面有明显的突起, 且颗粒间高度差变化较大, 起伏变得细碎和陡峭, 表面散射的光线也更多地投向临近的突起结构, 从而增加吸收, 该变化会降低表面的镜像反射率, 当波长增加时表面散射的影响会降低, 这与图 6和变化趋势对应。
从该反射镜膜层结构分析, Ni-Cr金属膜层厚度只有约10 nm, 其光学作用可以忽略[12]; 金属Ag膜层在可见光和近红外波段几乎是不透明的; 保护层SiO2和Al2O3膜层较薄, 在可见光和近红外波段透过率高。金属Ag膜具有复折射率, 其虚部(即吸收系数)对偏振特性具有明显的影响[13], SiO2和Al2O3在该波长区域的消光系数很小, SiO2和Al2O3对偏振特性的影响也较小。温度升高至超过125 ℃, 加速Ag膜与大气中的H2S、SO2、和O2等气氛发生化学反应[14], 破坏光学表面。Ag膜的被腐蚀过程往往产生Ag2S成分, 由于Ag2S其自身的光学特性, 加上反常趋肤效应会引入额外的吸收[15]。综合上述原因, 减少了350~900 nm波长范围的反射率。
对于反射镜而言, 由于保护膜层的存在, 化学反应的贡献不大, 主要贡献为物理作用。当Ag膜反射镜的温度超过125 ℃后, 表面也会变得粗糙, 与Ag膜样品一样能够裸眼观察到表面变化, 改变主要来自Ag层的氧化作用。
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通过测量并分析25~150 ℃不同温度下的Ag膜反射镜的偏振光谱和反射率光谱, 在125 ℃以下的温度环境中, 制备的Ag膜反射镜总体保持稳定; 环境温度高于125 ℃时, Ag膜表面发生变化, 导致Ag膜在350~900 nm波长范围反射率降低。同时在温度升高的过程中, Ag膜反射镜的偏振特性在一定的波长范围出现了不同的变化, 其中偏振特性对温度不敏感的稳定窗口出现在600~650 nm波长范围的红光波段。作为空间遥感有效载荷的金属Ag膜反射镜, 在长期稳定工作中需要得到良好的保护, 需要对环境温度进行控制, 极端温度不应超过100 ℃。
Influence of temperature variation on polarization characteristics of silver thin film mirror
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摘要: 空间遥感应用中的光学有效载荷对系统偏振控制提出了越来越高的要求，作为常用的宽光谱反射镜，金属银(Ag)膜反射镜的偏振特性随着环境温度的改变而变化。本文设计并制备了低偏振灵敏度的Ag膜反射镜，研究了反射镜在45°和60°入射角下，从室温25℃升温到150℃时的偏振特性变化和反射光谱变化情况。随着温度的升高，Ag膜的折射率在350~1 200 nm波长范围内有所增加；Ag膜反射镜的反射光中s和p光的相位差Δ在350~600 nm波长范围内减小，在600~650 nm波长范围内基本稳定，在650~1 200 nm波长范围内增大。温度上升到125℃时，Ag膜和反射镜表面形貌发生改变，增加了表面散射和吸收，导致350~900 nm波段反射率降低，在波长350 nm附近的降低约25%。Abstract: Optical payloads in space remote sensing applications impose increasingly high requirements on system polarization control. As a wide spectral reflector, the polarization characteristics of silver thin film mirror usually changes with the ambient temperature. In this paper, silver thin film mirrors with low polarization sensitivity are designed and fabricated. The changes of polarization characteristics and reflection spectrum of the mirrors with room temperature from 25℃ to 150℃ are investigated at 45° and 60° incident angles. The refractive index of silver thin film increases in spectral range of 350 nm to 1 200 nm with the increase of temperature. The phase difference Δ between the s and p light in the reflected light of the silver film mirror is reduced in the wavelength range of 350 to 600 nm, keep stable in 600-650 nm, and increases in the wavelength range of 650 to 1 200 nm. The surface morphology of the silver film and mirror changes, and the surface scattering and absorption increases when temperature reaches 125℃, resulting in a decrease in reflectivity in the 350-900 nm band and even a decrease of about 25% in the wavelength of 350 nm.
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Key words:
- Ag thin film /
- mirrors /
- temperature variation /
- polarization characteristics /
- reflectance
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图 1 椭圆偏振仪温控测量原理图
Figure 1. Schematic diagram of temperature control measurement for ellipsometer
图 2 不同温度Ag膜反射镜45°入射椭偏光谱
Figure 2. Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag thin film mirror at different temperatures and 45° incidence
图 3 不同温度Ag膜反射镜60°入射椭偏光谱
Figure 3. Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag thin film mirror at different temperatures and 60° incidence
图 4 加热试验前后Ag膜反射镜45°椭偏光谱
Figure 4. Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag film mirror at 25 ℃ and 45° incidence before and after 150 ℃ heating
图 5 不同温度下Ag膜的折射率光谱曲线
Figure 5. Spectral curves of the refractive index of single silver thin film at different temperature
图 6 Ag膜在25 ℃和150 ℃温度下的反射光谱
Figure 6. Reflective spectrum of silver thin film at 25 ℃ and 150 ℃ temperature
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