硅或锗基底中红外光学波段宽角度入射增透膜的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明是关于镀制光学薄膜的方法，更具体地说，本发明是一种硅或锗基底中红 外3um?5um光学波段宽角度范围入射增透膜的镀制方法。
【背景技术】
[0002] 增透膜作为光学薄膜的一种，广泛应用于各种光学和红外元器件、太阳能电池以 及大功率激光系统中，增透膜不单可用于纯光学器件中，在现代科学技术中，特别是信息 光学成像技术和激光技术的发展，也可在光电、光通信器件上得到广泛应用。目前已有很多 不同类型的增透膜能满足光学和红外技术领域的部分实际应用。而更广泛的实际应用对增 透膜综合性能的要求不断提高。目前公知的应用非常广泛的增透膜，当前应用比较简单的 是单层增透膜，应用比较普遍的则是双层增透膜和单层增透膜。比如玻璃加工技术中，通过 增透膜来提高太阳电池的功率，较比单层增透膜来说双层增透膜的提高率更大。增透膜按 照工作波段可分为：红外增透膜、可见光增透膜、紫外增透膜以及射线增透膜等等。按照薄 膜材料可分为：金属、半导体、介质增透膜；按照薄膜的性质可以分为：非均匀介质与均匀 介质增透膜。由于红外使用条件所限，因此不能直接应用于激光和红外制导技术等特殊要 求的光学设计，不能满足激光高质量宽角度范围入射高透射的要求。
[0003] 由于上述光学波段的增透膜不仅要求膜层要非常牢固地镀制覆盖在一个硅或锗 材料基底上，还要具有防止在空气中继续潮解的保护功效，而且使用波段的入射角指标要 求达到0°?60°。然而现有技术中凡涉及红外的宽波段高增透膜可选用的红外膜料品种 少，膜系设计和工艺难度很大。且目前现有的红外光学镀膜技术只能选用诸如：ZnS、ZnSe、 YbF3、ThF4、MgF2、LiF、CaF2、Si和Ge等材料做镀膜材料，才能保证膜层牢固。常规膜层在潮 湿环境中使用和放置，表面与空气水分的接触，高增透膜的透过率和抗水能力会逐渐下降， 膜层的抗激光损伤能力逐渐降低，不能在野外恶劣环境长久使用。
[0004] 现代空间技术的迅速发展，使得红外光学仪器的应用越来越广泛，如红外成像传 感器、红外激光器等。3um?5um波段是重要的大气窗口，也是红外探测器的主要工作区域， 该波段激光对烟尘等恶劣环境穿透能力较强，因而红外光学薄膜对控制红外探测器的性能 非常重要。红外光学薄膜的透过率/反射率和抗激光损伤阈值是系统设计的重要指标，因 此，改进薄膜制备工艺，提高3um?5um波段透过率/反射率、抗激光损伤阈值和膜层牢固 度是目前亟待解决的关键问题。
【发明内容】
[0005] 为了克服目前常规主要采用BaF2、YF3、LiF、ThF 4、CaF2、MgF2、YbF3等氟化物作为低 折射率材料，Ge、Si、ZnS、ZnSe等高折射率材料镀制红外波长范围高增透膜的缺陷，本发明 提供一种膜层坚硬牢固，致密度高，耐温度冲击及抗潮解性，抗激光损伤能力强，野外恶劣 环境使用长久的中红外光学波段宽角度范围入射增透膜的制备方法。
[0006] 本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：本发明提供的一种硅或锗基底中红 外光学波段宽角度范围入射增透膜的制备方法，其特征在于包括如下镀制工艺步骤： (1) 以硅或锗材料为基底和以绝隔硅或锗材料表面与空气水分接触的硬质防潮膜层， 用膜系设计公式：G/0. 2L(5H5L)~50. 2L/Air计算每层膜的光学厚度值，并按顺序列表格， 其中，G为石英玻璃材料基底，L为Al2O 3膜料，H为ZnS膜料，Air为折射率Na= 1的空气 介质，膜系参考波长λ。= 800nm ;将上述H和L膜料依次放入镀膜机真空室的电子枪蒸发 源坩锅内备用； (2) 在镀膜基底超声波清洗工艺中，用清洗液清洁被镀基底，吹干，放入真空室抽真空 待锻； (3) 加温烘烤基底，在真空环境下，在30°C?200°C范围内逐渐升温烘烤； (4) 在光学膜层粘接打底工艺和应力匹配工艺中，根据前述膜系设计公式计算出的各 层膜的光学厚度值和表格顺序，将Al2O 3和ZnS两种膜料依次放入旋转速率为100?120转 /分钟的旋转电子枪蒸发源坩锅中，然后用光学真空镀膜机按所述步骤（1)的公式列表顺 序和厚度值完成镀膜； (5) 在离子源辅助蒸镀工艺中，用离子源在镀膜前和镀膜过程中轰击基底，一直让其产 生的离子束轰击基底到镀膜完成； (6) 在高低温退火工艺中，将镀完膜的球罩在真空室自然冷却到室温后进行退火处理。
[0007] 本发明相比于现有技术具有如下有益效果 (1)用本发明方法制备的高质量宽角度范围入射的增透膜有很高的透射率。本发明以 硅或锗材料为基底完成的中红外3um?5um光学波段宽角度范围入射高透射膜的最优化膜 系设计和镀制的中红外3um?5um光学波段大角度入射的高增透膜，不仅膜层牢固，并在中 远红外光学波段0°?60°同时达到膜层单面平均透射率多99%，整个宽波段范围透明无 吸收。解决了现有技术只能使用氟化物+硫化物或硒化物或半导体材料镀制高增透膜不能 兼顾具有膜层坚硬牢固，致密度高，透射率高，耐温度冲击及抗潮解性和抗激光损伤能力强 的不足。
[0008] (2)由于本发明的膜系设计为宽带优化膜系设计，允许镀膜工艺中各层膜厚控制 有5%以内的误差范围，这可使产品的成品率提高到接近100%。
[0009] (3)本发明采用的A:镀膜基底超声波清洗工艺，B:离子源辅助蒸镀工艺，C:光学 膜层粘接打底工艺，D:光学膜层应力匹配工艺，E:高低温退火工艺等专门的工艺技术。解 决了硅或锗材料基底上镀制中红外光学波段大角度入射的高增透膜的膜层牢固度和兼具 致密度高，透射率高，耐温度冲击及抗潮解性和抗激光损伤能力强的工艺难题。产品通过 +70?一 55°C高低温冲击实验和长期野外实验证明，膜层坚硬牢固，抗激光损伤性能良好。 [0010] (4)镀膜对基底具有优良的防潮和保护功效。由于硬质防潮膜层隔绝了硅或锗材 料表面与空气水分的接触，使高增透膜同时具有对硅或锗材料在空气中防止其进一步潮解 恶化的保护功能，为光学系统部件在野外恶劣环境长久使用提供了保证。
[0011] 本发明采用ZnS和Al2O3两种镀膜膜料和工艺镀制技术制备了具有很高膜层牢固 度和宽角度范围入射具有高透过率（T>99%)的增透膜，以及获得了具有从可见光一直到 中红外波段超宽波段的透明范围的最佳匹配镀膜材料。
[0012] 本发明可用于激光制导光学系统的设备仪器，对提高其光学性能，减小仪器的重 量和体积具有重要意义。
【具体实施方式】
[0013] 下面通过实施例进一步说明本发明。在以下实施例中， 实施例1 根据本发明，首先用美国先进的光学薄膜设计软件（TFCalc)设计符合本发明技术指 标要求的最优化膜系。以经过光学加工的硅材料为基底在其表面镀膜，用膜系设计公式： G/0. 2L(5H5L)~50. 2L/Air优化计算每层膜的光学厚度值并按顺序列格。式中G是硅材料的 基底，L是折射率N1= 1. 60的Al 203膜料，H是折射率N H= 2. 20的ZnS膜料，Air为折射 率乂= 1的空气介质，膜系参考波长λ。= 800nm。以上H和L均为纯度99. 9 %的颗粒状 膜料。具体步骤包括： (1) 以硅或锗材料为基底和以绝隔硅或锗材料表面与空气水分接触的硬质防潮膜层， 用膜系设计公式：G/0. 2L(5H5L)~50. 2L/Air计算每层膜的光学厚度值，并按顺序列表格， 其中，G为石英玻