大角度多波段紅外高增透膜結構及其制備方法與流程

文檔序號：12646338閱讀：866來源：國知局

本發明屬于紅外高增透膜結構及制備領域，涉及一種關于以ZnS，ZnSe，Ge，Si、IG5和IG6等紅外材料為基底同時對近紅外(激光波長1.064um)和遠紅外(8～12um)超寬波段大角度入射(0～45°)的高增透膜的膜系設計和工藝制備鍍制方法。

背景技術：

高增透膜作為光學薄膜的一種，廣泛應用于各種光學和紅外元器件、激光和光學系統應用、光電探測以及大功率激光等成像系統中。目前已有很多不同類型的高增透膜能滿足光學和紅外技術領域的部分實際應用。這些高增透膜的波段范圍大都比較窄或以單波長為主，入射角度也很小(以0°為主)；而更廣泛的實際應用對高增透膜的波段范圍(從近紅外擴展到遠紅外)和使用入射角度(從0°擴展到45°)等光學指標要求不斷提高。由于對上述光學和紅外成像系統有隱身的要求，這類高增透膜層材料選用又有特別的限制。

由于上述光學波段的高增透膜不僅要求膜層要非常牢固地鍍制覆蓋在紅外材料以ZnS，ZnSe，Ge，Si、IG5和IG6等紅外材料為基底，還要求在近紅外和遠紅外非常寬闊的范圍內透過率要盡可能的高(所有波段透過率都要求達到95％以上)，而且使用波段的入射角指標要求達到0°～45°整個范圍。然而現有技術中凡涉及紅外的寬波段增透膜可選用的紅外膜料品種極少，膜系設計和工藝難度很大。過去常規的可見光和近紅外高增透都是鍍制在硬質材料基底上，膜層的設計層數較少，可用的介質膜料品種很多(可達幾十種)；而本發明要求的高增透膜(因涉及遠紅外)可選用的膜料僅有幾種，其膜系設計的厚度非常厚，其高增透膜牢固度的要求很高、工藝難度很大，非過去常規高增透膜系可比擬，否則其高增透膜產品就無法在野外和空中的惡劣環境中長久使用。

技術實現要素：

(一)發明目的

本發明的目的是：為了克服目前常規高增透膜鍍制技術僅限于在單點波長或狹窄波長范圍鍍制高增透膜的缺陷，本發明提供一種能夠滿足隱身功能的在ZnS，ZnSe，Ge，Si、IG5和IG6等紅外材料基底上鍍制膜層堅硬牢固，隱身性能優良，并能在野外惡劣環境使用長久的大角度范圍并在近紅外和遠紅外超寬光學波段的高增透膜膜系設計和工藝制備方法。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種大角度多波段紅外高增透膜結構，所述增透膜膜系結構為：G/0.3M 0.11L 0.8762H 0.8L5.6713H 8.4L 0.5568H 1.55L 0.1M/A，其中，G為ZnSe、ZnS、Ge，Si、IG5和IG6紅外材料基底，M為Al₂O₃膜料，H為ZnSe膜料，L為YbF₃膜料，A為空氣介質。

其中：所述增透膜所包括的9層膜中，由基底至空氣介質，每層膜的光學厚度對應為：0.3M-34.8nm；0.11L-32.8nm；0.8762H-124.4nm；0.8L-239.2nm；5.6713H-805.3nm；8.4L-2511.0nm；0.5568H-79nm；1.55L-463.4nm；0.1M-11.6nm。

本發明還提供一種大角度多波段紅外高增透膜制備方法，其包括以下步驟：

(1)確定高增透膜膜系結構

膜系結構為：G/0.3M 0.11L 0.8762H 0.8L 5.6713H 8.4L 0.5568H1.55L0.1M/A，其中，G為ZnSe、ZnS、Ge，Si、IG5和IG6紅外材料基底，M為Al₂O₃膜料，H為ZnSe膜料，L為YbF₃膜料，A為空氣介質；

由基底至空氣介質，每層膜的光學厚度對應為：0.3M-34.8nm；0.11L-32.8nm；0.8762H-124.4nm；0.8L-239.2nm；5.6713H-805.3nm；8.4L-2511.0nm；0.5568H-79nm；1.55L-463.4nm；0.1M-11.6nm；

(2)用清洗液清潔被鍍基底，吹干，放入真空室抽真空待鍍；

(3)加溫烘烤基底，在真空環境下，在30℃～200℃范圍內逐漸升溫烘烤；

(4)根據所確定膜系結構，將Al₂O₃、ZnSe和YbF₃三種膜料依次放入旋轉電子槍蒸發源坩鍋中，然后用光學真空鍍膜機完成鍍膜；

(5)在高低溫退火工藝中，將鍍完膜的鍍件在真空室自然冷卻到室溫后進行退火處理。

其中：在步驟(4)中，鍍膜前和鍍膜過程中，采用離子源輔助蒸鍍工藝，用離子源轟擊基底，直至鍍膜完成。

其中：所述步驟(2)中，將基底放入盛有乙醇做清洗液的超聲波清洗機內，清洗1分鐘，再換用丙酮清洗液清洗1分鐘，用高純氮氣吹干，放入潔凈的真空室載盤架并關門抽真空待鍍。

其中：所述步驟(4)中，采用光學膜層粘接打底工藝，將與基底粘接的0.3M層膜料Al₂O₃鍍制在第一層。

其中：所述步驟(4)中，采用光學膜層應力匹配工藝，將H、M、L三種膜料按照其檢測到的應力性質，使壓應力膜料和張應力膜料交替排布。

其中：所述步驟(3)中，在加溫烘烤基底時，當抽真空到10^－3Pa數量級時，從30℃開始加烘烤，緩慢升溫一直升到200℃保溫120分鐘，工件旋轉20轉/分鐘。

其中：所述離子源輔助蒸鍍工藝中，鍍膜前將離子源參數調到：屏極電壓650V，束流90mA，充純度四個9的高純氬氣或氧氣，將真空度控制在1.0×10^－2Pa，用產生的離子束轟擊鍍件基底30分鐘。

其中：所述步驟(5)中，高低溫退火工藝，是將鍍完膜的基底自然冷卻到室溫后，再從真空室轉移到干燥箱進行退火處理：從40℃開始升溫，每升溫10℃再恒溫10分鐘，一直升到130℃，恒溫13小時后降溫，每降溫10℃恒溫10分鐘，降到常溫30℃，取出檢測待用。

(三)有益效果

上述技術方案所提供的大角度多波段紅外高增透膜結構及其制備方法，具有如下有益效果：

(1)用本發明方法制備的高增透膜有很寬的多波段范圍。

現有增透射膜(反射率T≥95％)通常鍍制于單點波長(如532nm或1064nm)，或幾百納米(＜1um)波段范圍。本發明的高增透膜(反射率T≥95％)波段范圍超過了四千納米(＞4um)且兼顧了近紅外(1.064um)和遠紅外(8～12um)波段,解決了現有技術高增透膜波段范圍窄而不能推廣到遠紅外波長范圍的不足。

(2)本發明方法的高增透膜有很大的使用角度范圍。

現有T≥95％高增透膜通常為0°入射，或使用角度較小(一般0°～15°)，本發明方法的高增透膜使用角度為0°～45°，實際可推廣到45°～60°；且0°～45°兼容，即0°～45°都具有T≥95％的高透過率。

(3)本發明解決了遠紅外波段超級厚度的高增透膜牢固性的工藝難題。

現有技術高增透膜由于范圍不寬，則膜系設計相對層數較少，膜層不太厚(一般＜1um)。鍍膜工藝制備時間較短(一般1小時左右)，因而鍍制的高增透膜牢固性比較容易解決。本發明的高增透膜覆蓋遠紅外波段8～12um并兼顧近紅外波段1.064um，其膜系設計厚度非常厚，達到4um以上，其鍍膜工藝制備時間高達2小時以上。這樣超級厚度的高增透膜要解決鍍制工藝過程中的高透過率，以及產品在惡劣環境中使用的牢固性都是目前光學薄膜技術的著名難題。

本發明采用的A、超聲波清洗基底工藝；B、考夫曼離子源輔助蒸鍍工藝；C、光學膜層張應力和壓應力匹配工藝；D、特殊膜層粘接打底工藝；E、高溫預熱工藝和退火工藝等專門工藝技術，解決了上述遠紅外兼顧近紅外超級膜厚度的高增透膜膜層牢固性的工藝難題。

具體實施方式

為使本發明的目的、內容和優點更加清楚，下面結合實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。

實施例1

首先，以經過光學加工的ZnSe或ZnS為基底在其表面鍍膜，用膜系設計公式：G/0.3M 0.11L 0.8762H 0.8L 5.6713H 8.4L 0.5568H1.55L 0.1M/A，計算每層膜的光學厚度值并按順序列格。式中G代表ZnSe或ZnS基底(折射率N_G＝2.42或2.3)，M是折射率N_M＝1.60的Al₂O₃膜料,H是折射率N_H＝2.45的ZnSe膜料，L是折射率N_L＝1.45的YbF₃膜料，A為折射率N_A＝1的空氣介質，膜系參考波長λ_c＝800nm，入射角為0°～45°@1.064um&0°～45°@8～12um；將上述M、H、L膜料依次放入鍍膜機真空室的電子槍蒸發源坩鍋內備用。(以上M、H、L均為純度99.9％的顆粒狀膜料)

該膜系從里到外可以是由9層膜組成，按上述公式計算設計的9層膜各層的光學厚度值見表1：

表1(實施例1實際鍍制ZnSe或ZnS基底9層膜光學厚度理論平均值列表)

注：沒有取個位小數點之后的值，因精度已足夠達到設計方案。

膜系設計公式說明：

(1)表1是取ZnSe或ZnS基底折射率的平均值并根據膜系設計公式計算的9層膜光學厚度理論值列表。由于基底材料折射率接近對高增透膜幾乎不產生影響，故本膜系對兩種材料可以采用相同設計，技術指標均達到要求。

(2)為了保證膜層牢固性，本膜系設計公式中三種膜料M、H、和L的排布順序，應符合“光學膜層粘接打底工藝”和“光學膜層應力匹配工藝”等工藝的技術要求。光學膜層粘接打底工藝是將與ZnSe或ZnS基底粘接的0.3M層膜料(Al₂O₃)鍍制在第一層，可以對整個膜層牢固性起到關鍵作用。光學膜層應力匹配工藝是：在膜系設計和膜料排布上，將上述H、M、L三種膜料按照其應力性質，使壓應力膜料和張應力膜料交替排布(應力匹配)可以對整個膜層牢固性起到重要作用。

完成表1的工藝，可用普通的國產真空鍍膜設備完成(比如：成都現代南光廠生產的ZZ800型箱式真空鍍膜機)，其主要工藝條件包括：

光學鍍膜的專用設備：真空鍍膜機，使用時可以用真空泵將真空室抽真空至10^－2～10^－3Pa數量級，預先放入真空室的坩鍋內的各種膜料在電子槍(產生高壓、高溫的電子束)作用下，形成蒸氣分子，按設計要求依次附著(生長)在光學零件基底表面。

光控，即光學膜厚控制系統，作為真空鍍膜機的關鍵配件，“光控”儀器根據光的干涉原理，將鍍膜的光信號轉換成電信號，準確識別記錄光學鍍膜的厚度值。

晶控，即石英晶體振蕩膜厚控制系統。“晶控”儀器根據石英晶體的振蕩頻率與不同膜料附著厚度(重量)成正比的原理轉換成光學厚度值，也用于真空室內探測光學鍍膜的幾何厚度值。

離子源，可選用考夫曼型離子源輔助沉積裝置。在真空室內鍍膜過程中，該裝置可產生高能量離子束，輔助膜料分子快速且高能量地沉積在基底表面。它是提高膜層牢固度的重要手段。

電子槍，是e型電子束蒸發源。是最常用的一種圓形多孔蒸發膜料的銅質坩鍋，高壓燈絲發射的電子束以270°角度打到膜料上，使膜料蒸發。

烘烤，可以用加熱烘烤裝置來實現。可選用普通的電阻絲或石英管通電加熱裝置，用于真空室(包括鍍膜基底)的溫度升溫。

鍍制工藝步驟如下：

(1)清潔真空室并裝填膜料。在鍍膜機真空室內完成大清潔后，將上述膜系設計公式中三種膜料：M為Al₂O₃，H為ZnSe，L為YbF₃，均為純度99.99％的顆粒狀晶體膜料，依次放入可旋轉的電子槍蒸發源坩鍋中，等待后面鍍膜蒸發時使用。

(2)清潔被鍍基底，將ZnSe或ZnS放入盛有乙醇(純度≥99.5％的分析純)作清洗液的超聲波清洗機內，用中檔位清洗1分鐘；再換用丙酮(純度≥99.5％的分析純)清洗液清洗1分鐘，用高純氮氣吹干，放入潔凈的真空室載盤架并關門抽真空待鍍。

(3)加溫烘烤基底，當抽真空到10^－3Pa數量級時，開啟加熱烘烤裝置。從30℃開始加溫烘烤，緩慢升溫，可確保升溫均勻和ZnSe或ZnS基底不炸裂，一直升到200℃保溫90～120分鐘，整個升溫過程中，裝置ZnSe或ZnS基底的載盤按20轉/分鐘速率均勻旋轉。

(4)離子源鍍前轟擊基底：正式鍍膜前，將考夫曼型離子源輔助沉積裝置的離子源參數調到：屏極電壓650V，束流90mA，充純度四個9的高純氬氣Ar或氧氣O₂，用充氣和真空控制系統將真空度控制在1.0×10^－2Pa之間，讓離子源產生的離子束轟擊ZnSe或ZnS基底20分鐘。

(5)按順序完成膜料蒸發：根據前述膜系設計公式從第1到第45層的順序和表格計算出的各層膜的光學厚度值開始鍍膜。光學厚度值的判斷以“光控”顯示的各層光學厚度值為準，“晶控”顯示的各層膜幾何厚度值為計算光學厚度值的參考，公式各層膜前的系數是“光控”走四分之一波長極值的倍數值。期間，考夫曼型離子源輔助沉積裝置一直處于工作狀態，參數與上述步驟(4)完全一樣。在整個膜料蒸發過程中，鍍膜機的真空室內真空度為1.0×10^－2Pa，“電子槍”蒸發速率為：Al₂O₃0.15～0.3nm/s,ZnSe 1～1.5nm/s,YbF₃0.8～1.0nm/s；ZnS或石英基底膜片載盤工件旋轉速率為100～120轉/分鐘。在緊接的整個鍍膜過程中，保持上述離子源參數不變，一直讓其產生的離子束轟擊基底到鍍膜完成，并且鍍膜完成后再繼續用離子束轟擊基底7分鐘，再恒溫60分鐘后從200℃開始降烘烤溫度，關閉高真空閥門停止擴散泵自然冷卻到室溫。整個降溫過程中，裝置ZnSe或ZnS基底的載盤按20轉/分鐘速率均勻旋轉。

(6)退火處理：鍍完膜的ZnSe或ZnS基底在真空室自然冷卻到室溫后，充高純氮氣進入真空室，打開門后取出轉移到普通干燥箱開始退火處理。從40℃開始升溫，每升溫10℃再恒溫10分鐘，一直升到130℃，恒溫13小時后開始降溫，每降溫10℃后恒溫10分鐘，一直降到常溫40℃可取出檢測待用。

實施例2

按上述表1中計算設計的9層膜各層的光學厚度值重復實驗實施例1的方法，采用本發明的最優化膜系公式和表1的各層光學厚度，在鍍膜工藝步驟中：

(1)重復實施例1中工藝步驟(1)；

(2)重復實施例1中工藝步驟(2)；只是將鍍膜基底固定為放置ZnSe基底。

(3)重復實施例1中工藝步驟(3)；只是將加溫烘烤基底的溫度最后固定保溫90分鐘。

(4)重復實施例1中工藝步驟(4)；參數方面正式鍍膜前將離子源參數調到屏極電壓固定為650V,速流固定為90mA，充純度四個9 的高純氬Ar，將真空度控制固定在1.0×10^-²Pa，產生的離子束轟擊ZnSe基底20分鐘。

(5)重復實施例1中工藝步驟(5)；參數方面：蒸鍍時真空度為固定8.5×10^－3Pa，蒸發速率固定為：Al₂O₃0.15nm/s,ZnSe 1nm/s,YbF₃0.8nm/s；工件旋轉速率固定為100轉/分鐘。

鍍膜完成后記錄的各層膜實際光學厚度見表2：

表2(實施例2實際鍍制ZnSe基底9層膜光學厚度理論平均值列表)

注：沒有取個位小數點之后的值，因精度已足夠達到設計方案。

(6)退火處理：重復實施例1中工藝步驟(6)，只是退火升溫到130℃后，固定恒溫13小時后開始降溫。