新型硫系玻璃在低成本热成像系统设计中的应用

随着非制冷红外探测器价格的不断下降,昂贵的红外光学元件成为限制非制冷红外成像系统成本的重要因素.新型硫系玻璃在3～5μm和8～14μm的大气窗口有着良好的透射性,同时具有价格低、可模压成型、折射率温度系数小等特点,较为适合非制冷红外成像系统.对常用红外材料和新型硫系玻璃的各方面特性进行比较,总结了新型硫系玻璃的优点,并使用新型硫系玻璃分别对两种温度范围的光学系统进行了设计,详细阐述了该材料在低成本热成像系统设计中的使用方法.结果表明:新型硫系玻璃既能满足光学性能,又在一定程度上解决了高成本的问题,可应用于批量生产的红外光学系统之中.     

紧凑型双波段无热化红外光学系统设计

针对红外双波段量子阱探测器,设计了一个可同时工作在4.4~5.4mm(中波段红外)和7.8~8.8mm(长波段红外)波段的仅含3片透镜的紧凑型双波段无热化光学系统,有效焦距为30 mm,f/#为2.1。对比先前报道的双波段无热化红外光学系统,此设计仅采用硫系玻璃材料Ge_(20)Sb_(15)Se_(65)制备的两片镜片和常规红外材料Zn S制备的一片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统在中波红外及长波红外两个波段的无热化设计效果,且不含衍射面,整体结构紧凑,制备难度低。利用硫系玻璃易于精密模压制备非光学球面的特点,仅在一片硫系玻璃镜片上设计一处非球面。设计结果显示,系统在两个红外波段,-40℃~60℃温度范围内像质良好,且光学调制函数(MTF)接近衍射极限。     

光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计

依据光学被动消热差理论,利用硫系玻璃的热稳定性、长波红外透过特性等优点,对长波非制冷双视场光学系统进行了无热化研究,设计了一个大相对孔径、3 倍变焦的双视场长波红外光学系统。其具体参数为:F/# 为1,焦距为50/150 mm,总长240 mm,采用640480 的焦平面探测器,像元大小为17 m17 m,工作波段8~12 m,系统使用了三种长波红外材料:Ge、ZnS、IRG201。在-40~60℃下,其长短焦处像质均接近衍射极限。     

基于硫系玻璃的中波红外光学系统无热化设计

硫系玻璃作为优良的消色差和消热差红外材料,是红外光学系统中关键光学元件的理想候选材料,文中利用硫系玻璃实现中波红外光学系统无热化设计。首先分析了温度变化对红外光学系统的影响;其次分析了常用硫系玻璃的各方面特性,并总结了硫系玻璃的优点;最后利用硫系玻璃,镜筒材料选择最常用的铝合金材料,设计了一个工作于中波红外的二次成像全球面无热化成像系统。设计结果表明:在0～100 ℃温度范围内,光学系统的成像质量优异,具有良好的无热化能力。使用硫系玻璃可实现低成本高性能中波红外光学系统。     

用于产生中红外超连续谱的硫系玻璃色散研究

硫系材料由于具有较长波长的红外透光截止波段,且具有较高的线性折射率和高非线性系数,是产生中红外超连续谱激光的理想非线性介质材料。由于泵浦非线性介质一般多采用波长2 m以下的激光源,所以研究材料的色散很有意义。利用4种不同形式的方程拟合了3种硫系玻璃材料As2S3、As2Se3、Ge33As12Se55的折射率随波长的变化曲线,并计算了材料色散曲线,得到了较为理想的结果,3种材料的零色散波长分别为4.8 m、7.2 m、6.1 m。同时证明了对于硫系玻璃材料,不能只利用短波长下的折射率值拟合计算长波长下的折射率。     

基于硫系玻璃的短中波红外减反膜研制

以硫系玻璃为基底,根据膜系设计理论,结合软件完成了短中波红外减反膜的设计。通过对材料热应力的计算分析,研制了一种混合材料M-11作为连接层,优化了沉积工艺参数,并根据其力学特性修正膜系结构,解决了硫系玻璃的脱膜问题。光谱测试结果表明,该膜层在1.4~2.5μm和3.5~4.5μm波段透过率分别为95.8%、96.7%,满足红外成像系统的使用要求。     

中红外硫系光子晶体光纤参量放大特性模拟研究

硫系玻璃具有良好的红外透过性能（可达25m）,极低的声子能量（350 cm-1）,较大的玻璃形成区和极高的非线性折射率n2（为石英材料的100~1 000倍）。硫系玻璃光子晶体光纤因其优良的非线性特性在红外波段具有众多的潜在应用价值。设计一种高非线性特性的无As环保型的Ge20Sb15Se65硫系玻璃光子晶体光纤,利用平面波展开法对结构参数进行优化,获得了具有高非线性和宽带色散平坦的光纤结构参数,研究了其光学参量放大过程。数值模拟发现,通过调整光纤的色散零点,利用3.4 m激光泵浦,可对3.3~3.5 m波段信号光实现有效放大。     

双波段消热差红外鱼眼光学系统设计

双波段鱼眼红外光学系统可以获取中波和长波两波段的图像信息,同时由于其大视场的特性,可以大大增加目标信息获取范围。根据光学系统的设计要求对光学系统进行了设计,全视场196,4.4~5.4 m/7.8~8.8 m波段内清晰成像,考虑到冷光栏的制冷效应,F#严格与冷光栏匹配,达到100%的冷光栏效应。推导了大视场被动消热差公式,通过对玻璃材料的优化选择,达到了双波段消热差,所设计的光学系统结构相对简单,成像质量较好,系统各个波段在-40~60 ℃的工作温度下实现了消热差,满足使用需求。     

制冷型红外双波段广角无热化光学系统设计

设计了用于制冷型红外双波段探测器的、广角光学系统,并进行了被动式消热差设计。镜头由6片透镜组成,通过不同镜片材料搭配来进行消色差设计,实现在环境温度-40～70℃范围内被动式消热差。光学系统采用中长波共焦面设计,设计波段为3.5～4.9μm和7.5～9.5μm,焦距为11 mm, F数为1.6,全视场角150°。结果表明,此光学系统工作范围大、结构简单、透过率高,能够实现在全工作温度范围内成像质量良好。     

折反射中波红外探测无热化成像系统设计分析

系统研究分析了红外光学系统中各个光学参数随温度变化的影响情况,根据红外硫系光学材料折射率温度系数较小的特点,并结合折反射结构良好的消热差特性,应用Code-v光学设计软件设计了一种折反式中波红外探测无热化成像系统,系统工作波段为3.7～4.8 m,焦距为109.7 mm,全视场角为6.4,F/#为2.0,满足100%冷光阑效率,采用锗、硫化锌和硫系玻璃AMTIR1三种红外材料,设计结果表明,该系统在低温-40 ℃、高温60 ℃时的成像质量和常温20 ℃的成像质量变化不大,取得了良好的成像性能,可匹配像元尺寸为30 m,像元数320256的凝视型焦平面阵列中波红外探测器。     

基于Ge-As-Se硫系玻璃的高灵敏度光纤光栅温度传感器

采用真空熔融淬冷法制备了Ge₃₃As₁₂ Se₅₅和Ge₂₂As₂₀Se₅₈硫系玻璃,测试结果表明该玻璃在中红外 波段具有宽红外透过范围、高折射率和高折射率温度系数。以此材料为基质,设计了在中红 外波段的硫系 光纤光栅温度传感器。采用传输矩阵法和耦合模方程模拟计算了光纤光栅透射谱和温度传感 特性。研究发 现,设计的光纤光栅温度传感器的中心波长漂移量与温度变化有良好的线性关系。当工作波 长从近红外增 加到中红外波段后,光纤光栅的温度传感灵敏度可以得到极大的提升。计算结果表明,Ge- As-Se硫系布拉 格光纤光栅和长周期光纤光栅在1.55μm的温 度传感灵敏度分别达到了0.123nm/℃ 和0.292nm/℃,是石英基质光纤光栅在该波段的10和 24倍。     

Ge基底7.5～11.5μm波段高性能红外增透膜的研制

为了提高Ge基底的红外光能量的透过率和膜层的机械强度,对Ge基底上高性能的红外宽带减反射膜的设计与制备工艺进行了研究.介绍了红外宽带减反射膜的合理的膜料选择、膜系设计和优化方法以及采用离子束辅助沉积技术沉积该膜系的过程.给出了离子束辅助沉积技术各工艺参数,以及在最佳参数条件下制备的7.5～11.μm波段宽带减反射膜单双面增透实测光谱曲线,其峰值透过率高达99.2%,在设计的波段范围内,平均透过率大于98%,膜层附着性能好,光机性能稳定,重复性好,能够通过GJB2485-95所规定的各项环境测试,并且光学性能没有明显的变化,这对于红外光学系统的应用具有十分重要的意义.     

用溶胶—凝胶法制备梯度折射率玻璃及其光学特性

引言梯度折射率(GRIN)玻璃是一种在光学中有极大价值的材料。其传统制备方法是通过在熔融玻璃中进行离子交换来获得。二十世纪八十年代末期,在专业文献中出现了使用溶胶—凝胶法来制备这种材料的报道。本文就是在氧化物系统SiO_2-TiO_2和SiO_2-BiO_2。中产生GRIN玻璃及其光学性质方面的研究。     

1.3～2.7 μm带通滤光膜研制与分析

光学薄膜技术广泛应用于几乎所有的光学系统、光电系统和光电仪器。新型探测器的发展对1～3 μm近红外波段附近的能量响应提出了滤波的要求。从电磁场理论和麦克斯韦方程出发,介绍了光学薄膜的设计理论,论述了带通滤光膜的设计方法。基于Optilayer软件,以氧化铝为基底,设计了一种工作波段为1.3～2.7 μm的近红外带通滤光膜。考虑到镀膜材料的匹配性问题,选择硫化锌和氟化镱作为高、低折射率材料。采用长波通与短波通相结合的设计方法,并用Optilayer软件完成了膜系的计算和优化。在氧化铝基底双面镀制膜,用电子束蒸发和离子束辅助沉积的制备工艺完成了膜系镀制。用分光光度计对制备样品进行了透过率测试。结果表明,在1.3～2.7 μm设计波段,样品的平均透过率大于95%,符合带通滤光膜的设计要求。     

基于硫系玻璃的大视场红外光学系统无热化设计

在大视场红外光学系统中,基于普通红外光学材料实现的光学被动无热化系统存在透镜数量多且不易实现轻量化、小型化的技术问题。为解决这个问题,采用硫系玻璃与常用红外材料组合来实现光学被动无热化,并设计了一种视场为40°×32.5°、工作波段为8~12 μm、F数为1.0、工作温度范围为-55℃~+70℃的小型化非制冷红外成像光学系统。设计结果表明,该系统结构简单紧凑、成像性能良好,在空间频率42 1p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.3,能够满足实际工程应用的需求。     

基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为3~5¼m及8~12¼m,焦距为45 mm,F/#为2,双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题,解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差,使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像,使用较少光学元件,校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展,双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。     

基于自由曲面的离轴三反光学系统研制

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求,采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面,研制了一套基于640×512@24μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统,该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点,具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm,工作波段8～12μm,F数2,视场5.5°×4.4°,主镜和次镜均为二次曲面,三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明,系统波像差全视场平均值0.067λ(λ=9.11μm),具有较好的成像质量。     

As2Se3硫系玻璃非球面镜片的精密模压成型

硫系玻璃镜片是新型温度自适应红外光学系统的重要组件之一。随着红外热成像民用市场的日益成熟,对硫系玻璃镜片的产业化技术需求越来越迫切。文中进行了As2Se3硫系玻璃非球面镜片的精密模压实验,研究并优化出口径21 mm硫系镜片的模压工艺参数。通过模具的补偿修正,获得了完全满足镜片设计要求（PV值小于0.7 m）的模压镜片。此外,研究了模压处理对As2Se3玻璃物理性质的影响,发现模压后As2Se3玻璃的密度、硬度和玻璃转变温度Tg降低,最大透过率提高。通过拉曼光谱测试,分析并讨论了造成这种反常现象的微观结构原因。为今后较大口径非球面硫系镜片的批量制造提供了科学数据和参考。     

红外双波段双层衍射定焦光学系统设计

通过对多层衍射光学元件在中、长波红外波段的设计分析与计算,设计了一种焦距为200 mm的红外光学系统,在中波红外和长波红外两个波段的透过率均大于80%,成像效果良好并且满足无热化设计要求。其采用了双层衍射技术,选用锗、硒化锌和硫化锌等材料,高效率地实现了衍射目的,提升了两个波段的光学透过率。采用了二次成像的光学系统结构,实现了光学小口径设计,其光学传递函数能够在-55℃至+71℃环境下实现无热化成像的要求,达到了设计目的。     

用于红外激光传输的硫系玻璃光纤研究进展

随着红外光学的不断发展,国防安全、生物医疗、先进制造等领域对红外激光传输的需求越来越迫切,基于非氧化物玻璃的红外传能光纤日益受到重视。硫系玻璃作为一种优秀的红外材料,具有透过范围广、物化性能稳定、易于成纤等特点,是制备红外传能光纤的理想材料之一。介绍了国内外有关红外激光传输用硫系光纤(包括阶跃型光纤和微结构光纤)的最新研究进展,分析了目前存在的问题,指出了下一步的发展方向。