专利名称：：三光合一超宽波段高增透膜的制备方法
技术领域：
：本发明是关于镀制光学薄膜的方法，更具体地说，本发明是关于三光波段(电视、激光和红外)光学系统宽波段高增透膜的镀制方法。
背景技术：
：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。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高增透镀膜，一般只能在比较窄的波段范围(比如可见光延伸波段0.71.0um或者单点波长1.064um)镀制平均透过率^98%99%的高增透膜。这种高增透膜一般是在一个镀膜基底上镀制一个单点光学波长(如近红外1.064um)或者一个光学波段(如中红外3.74.8um)，最多两个光学波段(如可见光和近红外，O.53um和1.064um)范围内的增透膜，就是说目前制备的高增透镀膜只能在可见光、近红外和中红外三个光学波段中选择一个，或最多两个光学波段镀制。由于其高增透波长范围不宽，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，不能满足激光和红外制导中昼夜型三光(电视、激光和红外)光学系统可见光延伸波段(0.71.Oum)、近红外(1.064um)和中红外(3.74.8um)的超宽波段范围高增透要求。由于上述三个光学波段的高增透膜不仅要求膜层要非常牢固地镀制覆盖在一个光学基底上，对易潮解软晶体基底(LiF和BaF》还要具有防止在空气中继续潮解的保护功效，而且各波段的单面平均透过率指标要求达到^98%99%。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。且目前现有的光学镀膜技术只能选用诸如石英、K9玻璃，Si和Ge等硬质材料做镀膜基底，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，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。
发明内容为了克服目前常规高增透镀膜技术仅限于在硬质材料基底上镀制单点或波长范围比较窄的高增透膜的缺陷，本发明提供一种能够满足可见光、近红外到中红外三光系统超宽波段范围要求，膜层坚硬牢固，防潮性能优良，抗激光损伤能力强，野外恶劣环境使用长久的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法。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三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，该方法包括由以下镀制工艺步骤组成，步骤如下(1)以氟化锂(LiF)或氟化钡(BaF2)晶体材料为基底，用膜系设计公式G/4M6H2LM0.6L0.3M/A，计算每层膜的光学厚度值并按顺序列表格，其中，G为LiF或BaF2晶体材料基底，M为A1203膜料，H为SiO膜料，L为MgF2膜料，A为折射率NA=1的空气介质，膜系参考波长A。=860nm;将上述M、H、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镀；(3)加温烘烤基底，在真空环境下，在30°C15(TC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A1203，SiO和MgF2三种膜料依次放入旋转速率为100120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LiF和BaF2晶体在真空室自然冷却到室温后进行退火处理。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增透膜有很宽的多波段范围。本发明以LiF和Ba&为基底完成的从可见光、近红外到中红外三光系统宽波段高增透膜的最优化膜系设计和镀制的覆盖三个不同光学波段(长)的高增透膜，不仅膜层牢固，并在这三个光学波段(长)同时达到膜层单面平均透过率>98%99%，整个宽波段范围透明无吸收。解决了现有技术只能在一个光学波段(最多二个光学波段)，比较狭窄的波段范围镀制高增透膜的不足。(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%。(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。解决了潮解软晶体红外材料LiF和BaF2上镀制多层宽波段高增透膜的膜层牢固度工艺难题。产品通过+70_551: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。(4)镀膜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LiF和BaF2表面与空气水分的接触，使高增透膜同时具有对易潮解软晶体LiF和BaF2在空气中防止其进一步潮解的保护功能，为光学系统部件在野外恶劣环境长久使用，实施不分昼夜的全天候识别目标提供了保证。本发明可用于电视、激光和红外三光路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。本发明实现了激光和红外制导技术从过去只能在白天，或只能在夜晚识别目标的不足，实现了不分昼夜的全天候自动识别目标的功能转型。具体实施例方式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首先用美国先进的光学薄膜设计软件(TFC)设计符合本发明技术指标要求的最优化膜系。以经过光学加工的氟化锂(LiF)或氟化钡(BaF2)晶体材料为基底(透镜或平片)在其表面镀膜，用膜系设计公式G/4M6H2LM0.6L0.3M/A，计算每层膜的光学厚度值并按顺序列格。式中G是折射率为Ne=1.38或1.45，代表氟化锂(LiF)或氟化钡(BaF2)晶体材料的基底，M是折射率NM=1.60的A1203膜料，H是折射率NH=1.80的Si0膜料，L是折射率Nl=1.38的MgF2膜料，A为折射率NA=1的空气介质，膜系参考波长A。=860nm。(以上M、H、L均为纯度99。9%的颗粒状膜料)该膜系从里到外可以是由6层膜组成，按上述公式计算设计的6层膜各层的光学厚度值见表1:表1(实施例1中根据膜系公式计算的LiF和BaF2晶体6层膜光学厚度理论平均值列表)序号第一层4M第二层6H第三层2L第四层M第五层0.6L第六层0.3M膜层的光学厚度(nm)860129043021512964.5膜系设计公式说明(1)表1是取LiF和BaF2基底折射率的平均值并根据膜系设计公式计算的6层膜光学厚度理论值列表。由于LiF和BaF2折射率接近，本膜系对这两种材料可以采用相同设计，技术指标均达要求。(2)为了保证膜层牢固度，本膜系设计公式中三种膜料M、H、和L的排布顺序，应符合"光学膜层粘接打底工艺"和"光学膜层应力匹配工艺"等工艺的技术要求。光学膜层粘接打底工艺是将与LiF和Ba^基底粘接的4M层膜料(A1203)镀制在第一层，可以对整个膜层牢固度起到关键作用。光学膜层应力匹配工艺是在膜系设计和膜料排布上，将上述H、M、L三种膜料按照其应力性质，使压应力膜料和张应力膜料交替排布(应力匹配)可以对整个膜层牢固度起到重要作用。完成表1的工艺，可用普通的国产真空镀膜设备完成，(比如成都现代南光厂生产的ZZ800型箱式真空镀膜机)，其主要工艺条件包括光学镀膜的专用设备真空镀膜机，使用时，可以用真空泵将镀膜室抽真空至10—210—3Pa量级，预先放入真空室的各种膜料在电子枪(产生高压、高温的坩锅)作用下，形成蒸气分子，按设计要求依次附着(生长)在光学零件基底表面。光控，即光学膜厚控制系统，作为真空镀膜机的关键配件，"光控"仪器根据光的干涉原理，将镀膜的光信号转换成电信号，准确识别记录光学镀膜的厚度值。晶控，即晶振膜厚控制系统。"晶控"仪器根据石英晶体的振荡频率与不同膜料附着厚度(重量)成正比的原理转换成光学厚度值，也用于真空室内探测光学镀膜的几何厚度值。离子源，可选用考夫曼型离子源辅助沉积装置。在真空室内镀膜过程中，该装置可产生高能量离子束，辅助膜料分子快速且高能量地沉积在基底表面。它是提高膜层牢固度的重要手段。电子枪，是e型电子束蒸发源。是最常用的一种圆形多孔蒸发膜料的铜质坩锅，高6压灯丝发射的电子束以270°角度打到膜料上，使膜料蒸发。烘烤，可以用加热烘烤装置来实现。可选用普通的电阻丝式石英管通电加热装置，用于真空室(包括镀膜基底)的温度升温。镀制工艺步骤如下(1)清洁真空室并装填膜料。在镀膜机真空室内完成大清洁后，将上述膜系设计公式中三种膜料M为A1203，H为SiO，L为Mg&，均为纯度99。9%的颗粒状晶体膜料，依次放入可旋转的电子枪蒸发源坩锅中，等待后面镀膜蒸发时使用。(2)清洁被镀基底，将LiF和BaF2晶体放入盛有乙醇(纯度^99.5%的分析纯)作清洗液的超声波清洗机内，用中档位清洗10分钟；再换用丙酮(纯度>99.5%的分析纯)清洗液清洗10分钟，用高纯氮气吹干，放入洁净的真空室载盘架并关门抽真空待镀。(3)加温烘烤基底，当抽真空到10—3Pa量级时，开启加热烘烤装置。从3(TC开始加烘烤，每l(TC恒温10分钟，缓慢升温，可确保软晶体不炸裂，一直升到15(TC保温90120分钟，整个升温过程中，装置LiF和BaF2膜片基底的载盘按20转/分钟速率均匀旋转。(4)离子源镀前轰击基底正式镀膜前，将考夫曼型离子源辅助沉积装置的离子源参数调到屏极电压600700V，束流90100mA，充纯度四个9的高纯氩气Ar或氧气02，用充气和真空控制系统将真空度控制在8X10—3Pa9X10—3Pa之间，让离子源产生的离子束轰击LiF或BaF2基底20分钟。(5)按顺序完成膜料蒸发根据前述膜系设计公式从第1到第6层的顺序和表格计算出的各层膜的光学厚度值开始镀膜。光学厚度值的判断以"光控"显示的各层光学厚度值为准，"晶控"显示的各层膜几何厚度值为计算光学厚度值的参考，公式各层膜前的系数是"光控"走四分之一波长极值的倍数值。期间，考夫曼型离子源辅助沉积装置一直处于工作状态，参数与上述步骤(4)完全一样。在整个膜料蒸发过程中，镀膜机的真空室内真空度为8X10—3Pa9X10—3pa，"电子枪"蒸发速率为A120311.2nm/s，Si022.5nm/s，MgF20.60.8nm/s;基底膜片载盘工件旋转速率为100120转/分钟。在紧接的整个镀膜过程中，保持上述离子源参数不变，一直让其产生的离子束轰击基底到镀膜完成。(6)退火处理镀完膜的LiF和Ba&晶体在真空室自然冷却到室温后，充高纯氮气进入真空室，打开门后取出转移到普通干燥箱开始退火处理。从40C开始升温，每升温l(TC再恒温10分钟，一直升到130°C，恒温810小时后开始降温，每降温l(TC后恒温10分钟，一直降到常温4(TC可取出检测待用。实施例2按上述表1中计算设计的6层膜各层的光学厚度值重复实验实施例1的方法，采用本发明的最优化膜系公式和表1的各层光学厚度，在镀膜工艺步骤中(1)重复实施例1中工艺步骤(1)，(2)重复实施例1中工艺步骤(2)，只是将被镀基底固定为放置LiF。(3)重复实施例1中工艺步骤(3)，只是将加温烘烤基底的温度最后固定保温90分钟。(4)重复实施例1中工艺步骤(4):参数方面正式镀膜前将离子源参数调到屏极电压固定为650V，束流固定为90mA，充纯度四个9的高纯氩气Ar，将真空度控制固定在8X10—3Pa，产生的离子束轰击LiF基底20分钟。(5)重复实施例1中工艺步骤(5)，参数方面蒸镀时真空度为固定8X10—3Pa，蒸发速率固定为Al203lnm/s，SiO2nm/s，MgF20.6nm/s;工件旋转速率固定为100转/分钟。镀膜完成后记录的各层膜实际光学厚度见表2:表2(实施例2实际镀制的LiF晶体6层膜的光学厚度值表)序号第一层4M第二层6H第三层2L第四层M第五层0.6L第六层0.3M膜层的光学厚度()867130542521613466注没有取个位小数点之后的值，因精度已足够达到设计方案。(6)退火处理重复实施例1中工艺步骤(6)，只是退火升温到13(TC后，固定恒温8小时后开始降温。实施例3按上述表1中计算设计的6层膜各层的光学厚度值重复实验实施例1的方法，采用本发明的最优化膜系公式和表一的各层光学厚度，在镀膜工艺步骤中(1)重复实施例1中工艺步骤(1)。(2)重复实施例1中工艺步骤(2)，只是将被镀基底固定为放置BaF2。(3)重复实施例1中工艺步骤(3)，只是将加温烘烤基底的温度最后固定保温150分钟。(4)重复实施例1中工艺步骤(4):参数方面，正式镀膜前，将离子源参数调到屏极电压固定为700V，束流固定为100mA，充纯度四个9的高纯氧气02，将真空度控制在固定9X10—卞a，产生的离子束轰击BaF2基底20分钟。(5)重复实施例1中工艺步骤(5)，参数方面蒸发速率固定为A12031.2nm/s，SiO2.5nm/s，MgF20.8nm/s;工件旋转速率固定为120转/分钟镀膜完成后记录的各层膜实际光学厚度见表3:表3(实施例3实际镀制的BaF2晶体6层膜的光学厚度值表)序号第一层4M第二层6H第三层2L第四层M第五层0.6L第六层0.3M膜层的光学厚度()854127941821012562备注没有取个位小数点之后的值，因精度已足够达到设计方案。(6)重复实施例1中工艺步骤(6)，只是退火升温到13(TC后，固定恒温10小时后开始降温。上述实施例镀制膜层的各项特性指标测试结果如下(1)在三个光学波段(长)的单面平均透过率为可见光延伸波段0.71.0um，T>97%近红外波长1.064umT>99%中红外波段3.74.8umT>99%以上三个光学波段(长)平均单面透过率T>98%99%，8(2)膜层牢固性和抗激光损伤测试均满足光学薄膜国家标准规定的要求，并通过航空标准+70-551:高低温冲击实验。(3)膜层防潮性能满足光学薄膜国家标准规定的要求，通过野外使用和水中浸泡等多项实验证明，上述实施例制备的三光合一超宽波段高增透膜对易潮解软晶体材料LiF和BaF2有非常好的防潮保护功效。权利要求一种三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，该方法包括由以下镀制工艺步骤组成，步骤如下(1)以氟化锂(LiF)或氟化钡(BaF2)晶体材料为基底，用膜系设计公式G/4M6H2LM0.6L0.3M/A，计算每层膜的光学厚度值并按顺序列表格，其中，G为LiF或BaF2晶体材料基底，M为Al2O3膜料，H为SiO膜料，L为MgF2膜料，A为折射率NA＝1的空气介质，膜系参考波长λc＝860nm；将上述M、H、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镀；(3)加温烘烤基底，在真空环境下，在30℃～150℃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Al2O3，SiO和MgF2三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LiF和BaF2晶体在真空室自然冷却到室温后进行退火处理。2.如权利要求1所述的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，所述的镀膜基底超声波清洗工艺，是将LiF和BaF2晶体放入盛有乙醇作清洗液的超声波清洗机内，选用中档位清洗10分钟，再换用丙酮清洗液清洗10分钟，用高纯氮气吹干，放入洁净的真空室载盘架并关门抽真空待镀。3.如权利要求1所述的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，所述的光学膜层粘接打底工艺，是将与LiF和BaF2基底粘接的4M层膜料(A1203)镀制在第一层。4.如权利要求1所述的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，所述的光学膜层应力匹配工艺，是将上述H、M、L三种膜料按照其检测到的应力性质，使压应力膜料和张应力膜料交替排布。5.如权利要求1所述的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，在加温烘烤基底时，当抽真空到10—3Pa量级时，从3(TC开始加烘烤，每l(TC恒温10分钟，缓慢升温一直升到15(TC保温120分钟，工件旋转20转/分钟。6.如权利要求1所述的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，所述的离子源辅助蒸镀工艺，是在镀膜前将离子源参数调到屏极电压600700V，束流90100mA，充纯度四个9的高纯氩气Ar或氧气02，将真空度控制在8X10—3Pa9X10—3Pa之间，用产生的离子束轰击LiF或BaF2基底20分钟。7.如权利要求1所述的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，高低温退火工艺，是将镀完膜的LiF和BaF2膜片自然冷却到室温后，再从真空室转移到干燥箱进行退火处理从4(TC开始升温，每升温l(TC再恒温10分钟，一直升到130°C，恒温810小时后降温，每降温l(TC恒温10分钟，降到常温4(TC，取出检测待用。8.如权利要求1所述的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，所述的膜系是从里到外由6层膜组成，按上述步骤(1)公式计算设计各层膜的光学厚度值。9.如权利要求8所述的三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，其特征在于，所述的各层膜的光学厚度值如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>全文摘要本发明公开的一种三光合一超宽波段高增透膜的制备方法，利用本方法可以实现可见光、近红外和中红外多个光学波段超宽范围的高增透镀膜的设计和镀制。提高膜层的防潮性能和抗激光损伤能力，及野外恶劣环境的使用寿命。本发明通过下述技术方案予以实现(1)以氟化锂或氟化钡晶体材料为基底，用膜系设计公式G/4M6H2LM0.6L0.3M/A，计算每层膜的光学厚度值；(2)清洁被镀基底；(3)温烘烤基底；(4)用离子源在镀膜前和镀膜过程中轰击基底；(5)将Al2O3，SiO和MgF2三种膜料放入旋转电子枪蒸发源坩锅中，根据上述(1)的公式顺序和厚度值用光学真空镀膜机完成镀膜；(6)退火处理。本发明解决了在潮解软晶体材料上镀膜不牢的工艺难题。文档编号G02B1/10GK101738652SQ20091026340公开日2010年6月16日申请日期2009年12月15日优先权日2009年12月15日发明者于清,代礼密,刘琼,周九林,周欢,安晓强,张玉东,方黎明,王平秋,范卫星,薛锦,贺祥清申请人:西南技术物理研究所