一种水下耐压光学窗口增透膜的制备方法与流程

1.本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种水下耐压光学窗口增透膜的制备方法。


背景技术：

2.(海)水下(潜用)光电探测、成像等设备的广泛应用对水下光学窗口的需求越来越高，而改变光学窗口物理特性，提高窗口光学性能的外表面膜系更成为提高光电设备整体性能的关键要素之一。
3.当前水下窗口基底主要为k9和蓝宝石材料等，其未镀膜时窗口透过率分别为92％和86％，为进一步提高光学窗口在可见光、近红外甚至是多光谱波段的透过率，则需要在窗口表面镀制增透膜系。但不同于其他环境使用的光学窗口，水下光学窗口的使用环境更复杂：窗口膜不仅需要通过高低温、湿热，盐雾等环境试验，还需要承受海水的长时间侵蚀和深海的高强度水压，同时能在一段时间内防止水中微生物滋生，以便待到规定的周期内进行维护与更新。
4.根据上述实际要求，窗口膜必须具备以下特征：附着力好，耐摩擦，高致密(减少海水与水汽侵蚀膜层内部，同时降低微生物附着滋生概率)，微观缺陷少(微米量级的缺陷点就会在高强度水压下崩塌，且损伤会慢慢扩散)。针对水下光学窗口增透保护膜的研制，有必要开发出一种新的膜系结构及其制备方法，以解决上述诸多问题并实现工程化应用。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种水下耐压光学窗口增透膜的制备方法，所得增透膜兼顾光学性能的同时，满足水下环境的使用需求；不仅能长时间承受海水侵蚀，承受高强度水压，还有极高的附着力和耐摩擦能力。
6.为达到上述目的，采用技术方案如下：
7.一种水下耐压光学窗口增透膜的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)基片钢化：对待镀膜光学件进行化学钢化，通过表面层的离子交换过程，增强光学件的抗弯强度和抗冷热冲击能力；
9.(2)镀膜前准备：万级洁净环境，室温25℃
±
2℃，湿度40％
±
10％；镀膜工装喷砂处理，清洗后120℃彻底烘干待用；镀膜机护板、腔室、挡板、支架、电子枪坩埚区域清理或更换清洁备件，离子源栅网和中和器清洁后无零件状态运行10分钟以上；sio2和ta2o5膜料均采用99.99％及以上纯度，ta2o5采用穴位坩埚，填料后均预融待用；钢化的光学件用氧化铈抛光液粗略擦拭一遍，然后用有机溶剂精擦，目视检查无残留污染物后装入镀膜工装，再移至镀膜机中；放入光学件前，真空腔室预抽真空待用；
10.(3)电子束蒸发镀制多层增透膜：加热至250℃，并恒温至少80分钟，同时本底真空抽至8
×
10-4
pa；开启离子源轰击镀膜面，加速电压1000v，加速电流1000ma，清洗3分钟；依据膜系结构设计设置各膜层物理厚度，依次镀制高低折射率膜层；
11.(4)后处理：在整个膜系镀制完后，保持真空，降低离子束能量进行膜系表面处理；保持真空降温至100℃，放气取出零件，然后放入高温洁净有氧退火炉中退火处理。
12.按上述方案，步骤(1)所述化学钢化过程具体如下：
13.将熔盐和待镀膜光学件在炉内分别以5℃/min速率升温至440℃，将光学件浸入熔盐恒温50h取出，并以3℃/min速率冷却至常温；熔盐配方为：硝酸钾、硅酸钾、硅藻土按质量比100:5:10。
14.按上述方案，步骤(3)中电子束蒸发镀制高低折射率膜层工艺参数如下：
15.离子源参数为加速电压1000v，加速电流1200ma，抑制电压500v，中和电流2000ma，每层镀制结束后离子束延迟照射5秒；ta2o5膜层沉积速率设置为0.3nm/s，离子源充氧60sccm，氩10sccm，中和器充氩10sccm；sio2膜层沉积速率设置为0.6nm/s，离子源充氧40sccm，氩8sccm，中和器充氩10sccm；
16.按上述方案，步骤(4)中膜系表面处理具体参数为：加速电压500v，加速电流1000ma，抑制电压500v，中和电流1500ma，离子源充氧30sccm，氩12sccm，中和器充氩10sccm，持续时间5分钟；
17.按上述方案，步骤(4)中退火控制程序设置为：从常温经120分钟升至360℃，然后恒温120分钟，再经240分钟降温至100℃以内。
18.按上述方案，还包括步骤(5)试验筛选：
19.通过gjb2485-95规定的高/低温、恒定湿热、盐雾以及附着力测试与重度摩擦试验，再经过6mpa静水压力试验，且试验前后光学性能仍能满足光学技术指标要求则判定为合格产品，其余淘汰。
20.本发明镀膜前准备可定义为实现窗口性能的关键过程，主要目的为减少镀膜过程中引入灰尘，形成膜层中的杂质，最终导致膜层在静水压力下受损。镀膜前准备包括镀膜机和工装清理、膜料更换、镀膜机预抽真空、光学件镀膜前清洗等。
21.本发明高品质氧化物多层膜由电子束蒸发、交替镀制高低折射率氧化物膜层而成，并通过调节离子源参数减少膜层氧缺失，优化各膜层应力，实现整个膜系层膜后的应力最小化与光学性能最优。
22.本发明中，将镀膜前的准备作为重点，从多方面入手，精细化防止外部灰尘等可能造成膜层缺陷的因素引入；在镀膜过程中通过最优化工艺参数，来尽量减少内部缺陷的产生，其目的均为镀制出高品质薄膜。再通过后处理工艺来对膜层表面和内部缺陷进行一定程度上的修补。最终通过试验来对不合格(缺陷严重)的产品进行筛选剔除。
23.相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
24.通过以上步骤，所制备的光学窗口不仅大幅提升了抗冷热温度冲击和静水压力能力，其光学膜层的微观缺陷也有效减少(可对比缺陷较多的膜层在较高静水压力下会呈现出满面明显的白色点状物，为膜层中微观缺陷在水压下坍塌破裂所致)，提升了光学窗口在(海)水下环境的适应性，
附图说明
25.图1：k9基底水下耐压窗口膜反射光谱曲线；
26.图2：蓝宝石基底耐压窗口膜反射光谱曲线。
具体实施方式
27.以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
28.本发明所涉及的一种水下耐压光学窗口增透膜是在新柯隆mic-1350型真空镀膜机上实现的。该设备配置有nis-175型大口径射频离子源及中和器、polycold冷阱、xtc/3s水晶式膜厚仪、上烘烤式加热系统以及opm-z1光学式膜厚计等。
29.实施例1
30.k9水下耐压光学窗口可见光增透膜，轮廓尺寸216mm
×
96mm
×
26mm。技术要求如下：
31.t
avg
≥98％@425nm-675nm，aoi＝0-15
°
；
32.镀膜样片一次性通过gjb2485-95规定的高/低温、恒定湿热，盐雾以及附着力测试与重度摩擦试验，且环境试验前后光学性能仍能满足光学技术指标要求；
33.样件可承受6mpa(含)以下静水压力，膜层无损伤。
34.首先，根据上述技术要求进行膜系结构优化设计，结果如下：
35.sub|ah/bl/ch/dl/air
36.其中，h和l分别为高低折射率层，其中h为ta2o5，l为sio2；a～d分别为膜系物理层厚度，依次为：
37.a-13.7nm；b-33.9nm；c-123.2nm；d-85.4nm
38.制备过程具体实施过程如下：
39.基片钢化：对待镀膜光学零件进行化学钢化，通过表面层的离子(k
+
、na
+
)交换过程，增强光学件弹性模量以强化抗热冲击能力。
40.镀膜前准备作为控制膜层质量的关键过程主要包括以下几点：
41.环境要求：万级洁净环境及以下，室温25℃
±
2℃，湿度40％
±
10％。
42.镀膜工装喷砂处理，清洗后120℃彻底烘干待用。
43.镀膜机护板、腔室、挡板、支架、电子枪坩埚区域清理或更换清洁备件，离子源栅网和中和器清洁后无零件状态运行10分钟。
44.sio2和ta2o5膜料均采用99.99％及以上纯度，ta2o5采用穴位坩埚，填料后均需预融待用。
45.放入光学件前，真空腔室需预抽真空待用。
46.光学件用氧化铈抛光液粗略擦拭一遍，然后用专用无水混合有机溶液精擦，目视检查无残留污染物后装入镀膜工装，再移至镀膜机中。
47.电子束蒸发镀制多层增透膜：加热至250℃，并恒温至少80分钟，同时本底真空抽至8
×
10-4
pa。开启离子源轰击镀膜面，加速电压1000v，加速电流1000ma，清洗3分钟。依据上述膜系结构设计结果设置各膜层物理厚度，依次镀制高低折射率膜层：离子源参数为加速电压1000v,加速电流1200ma，抑制电压500v，中和电流2000ma，每层镀制结束后离子束延迟照射5秒；ta2o5膜层沉积速率设置为0.3nm/s，离子源充氧60sccm，氩10sccm，中和器充氩10sccm；sio2膜层沉积速率设置为0.6nm/s,离子源充氧40sccm，氩8sccm，中和器充氩10sccm。
48.后处理：膜系表面离子束后处理，在整个膜系镀制完后，保持真空，降低离子束能量进行膜系表面处理，具体参数为：加速电压500v，加速电流1000ma，抑制电压500v，中和电
流1500ma，离子源充氧30sccm，氩12sccm，中和器充氩10sccm，持续时间5分钟。
49.保持真空降温至100℃，放气取出零件，然后放入高温洁净有氧退火炉中，加热控制程序设置为：从常温经120分钟升至360℃，然后恒温120分钟，再经240分钟降温至100℃以内。
50.试验筛选：通过gjb2485-95规定的高/低温、恒定湿热，盐雾以及附着力测试与重度摩擦试验，再经过6mpa静水压力试验，且试验前后光学性能仍能满足光学技术指标要求则判定为合格产品，否则任何一种试验中出现膜层损伤问题均判定为不合格产品而淘汰。
51.本实施例所得k9基底水下耐压窗口膜反射光谱曲线见图1所示。
52.实施例2
53.蓝宝石水下耐压光学窗口可见光增透膜，尺寸同实施例1。技术要求如下：
54.t
avg
≥98％@425nm-675nm，aoi＝0-15
°
；
55.镀膜样片一次性通过gjb2485-95规定的高/低温、恒定湿热，盐雾以及附着力测试与重度摩擦试验，且环境试验前后光学性能仍能满足光学技术指标要求；
56.样件可承受6mpa(含)以下静水压力，膜层无损伤。
57.首先，根据上述技术要求进行膜系结构优化设计，结果如下：
58.sub|ah/bl/ch/dl/air
59.其中，h和l分别为高低折射率层，其中h为ta2o5，l为sio2；a～d分别为膜系物理层厚度，依次为：
60.b-24.5nm；c-31.8nm；d-169.8nm；e-37.6nm；f-42.5nm；g-52.8nm；h-43.7nm；
61.i-61.8nm；j-21.7nm；k-310.4；l-20.5nm；m-48.5nm；
62.制备过程具体实施过程与实施例1相同。所得蓝宝石基底耐压窗口膜反射光谱曲线见图2所示。