一种紫外波段超低吸收双面增透膜及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种紫外波段超低吸收双面增透膜及其制备方法，属于增透膜领域。


背景技术：

2.在光学元件中，由于元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损失，常在光学元件表面镀层透明介质薄膜，这种薄膜就叫增透膜。
3.现有的紫外波段的增透膜一直存在膜层吸收较大的问题，使得镜片的使用寿命和使用效果达不到客户的要求。


技术实现要素：

4.本发明提供一种紫外波段超低吸收双面增透膜及其制备方法，通过膜系设计和工艺改进，在基底两侧表面镀制膜系，实现355nm紫外增透，平均透过率大于99.5％，单面反射小于0.15％，抗激光损伤阈值由原先的2j/cm2提高到5j/cm2(激光脉宽10ns)，提高了使用寿命，由原先的1个月到现在6
‑
12个月(依据客户的使用环境)。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种紫外波段超低吸收双面增透膜，其结构为：air/(bilaih)m/sub/(aihbil)m/air；其中，sub代表基底；m为周期数，m为2
‑
6的整数；h代表高折射率膜层，高折射率膜层的折射率为1.5～3；l代表低折射率膜层，低折射率膜层的折射率为1～1.5；ai和bi分别代表各膜层的光学厚度系数，其数值大小和参考波长λ有关，且0≤(aiλ)≤200，0≤(biλ)≤200。
7.申请人经研究发现，膜系温度场及热应力场的分布对高功率激光薄膜的破坏阈值具有决定性的作用，通过膜系优化，在一定程度上控制温度场与热应力场的分布，可以大大提高薄膜的激光破坏阈值；另一方面考虑到镀膜效率及厚膜层所造成的吸收、散射、不牢等多方面因素，本申请使用最少的膜层数以及最小吸收的膜料厚度匹配的得到了光学性能和机械性能均优异的紫外波段超低吸收增透膜，解决了现有紫外波段的增透膜吸收较大的问题，改善了镜片的使用效果，延长了镜片的使用寿命。
8.优选，基底正反面的膜层称对称设置。
9.对于紫外波段来说，膜料在此波段的吸收是第一考虑要素，考虑到吸收、折射率、附着力、耐湿性、耐温性等情况，优选，高折射率膜层所用膜料为二氧化硅(sio2)或者氟化镧(laf3)；低折射率膜层所用膜料为氟化物材料。进一步优选，氟化物材料为氟化镁mgf2、氟化铝alf3或氟铝酸钠na3alf6。
10.上述基底所用材料为折射率1
‑
2的紫外窗口玻璃。优选，基底所用材料为氟化钙、蓝宝石或熔石英等。
11.作为本申请其中一种具体的优选方案，紫外波段超低吸收双面增透膜的结构为：air/lhlhlhlh/sub/hlhlhlhl/air，其中，h代表sio2膜层，l代表mgf2膜层。
12.作为本申请另一种具体的优选方案，紫外波段超低吸收双面增透膜的结构为：air/1.06l0.63h1.27l0.66h/sub/0.66h1.27l0.63h1.06l/air，其中，h代表laf3膜层，l代
表alf3膜层。
13.上述紫外波段超低吸收双面增透膜的制备方法，包括如下步骤：
14.(1)基底加热：镀膜前对基底在抽真空状态下进行烘烤加热，提高基底温度，其中，烘烤温度为100℃～350℃，烘烤时间为1～3小时；
15.(2)离子束清洗：对基底进行离子束清洗，离子清洗时长为1～15min，离子束电压为50～200v，离子束流为1～8a；
16.(3)基底正面膜系镀制：根据膜系设计中的膜系结构，在基底正面依次镀制各膜层；
17.(4)基底反面膜系镀制：正面膜系镀制完成后，取出元件，重复步骤(1)～(3)对反面各膜层依次镀制。
18.上述方法使用电子束蒸发以及何时的烘烤温度等特定的工艺条件，采用双面镀膜方式，可实现5mm厚的紫外窗口玻璃在355nm波段具有良好的透过效果，平均透过率在99％以上；提高了紫外窗口玻璃的光学效率，并保证了光学镜片的抗激光损伤阈值，使得此光学元件在紫外激光应用上使用寿命更长。
19.为了提高膜层附着力，步骤(1)中，烘烤前，用脱脂纱布蘸无水乙醇和乙醚的(2
‑
4):1混合液擦拭基底，然后采用超声波清洗的方式清洗基底。
20.膜层制备时条件的控制，也是非常关键的，各膜层的制备条件不仅影响着单膜层的致密性等性能，还影响着与相邻膜层的结合力以及整体膜层的光学性能，优选，步骤(3)和步骤(4)中，
21.sio2膜层镀制：将sio2膜料放到坩埚中，采用电子束蒸发的方法进行镀制，其本底真空度高于1.5
×
10
‑3pa，沉积速率为0.1nm/s；
22.mgf2膜层镀制：将mgf2膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于1.5
×
10
‑3pa，沉积速率为0.08
‑
0.09nm/s；
23.laf3膜层镀制：将laf3膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于1.5
×
10
‑3pa，沉积速率为0.05
‑
0.1nm/s；
24.alf3膜层镀制：将alf3膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于1.5
×
10
‑3pa，沉积速率为0.05
‑
0.1nm/s。
25.上述通过膜系设计和工艺改进，在5mm厚紫外窗口玻璃基片两侧表面镀制膜系实现355nm紫外增透，减少了吸收，提高了透过率，平均透过率大于99.5％，单面反射小于0.15％。
26.本底真空度是指在真空镀膜中利用真空抽气系统使在一定的空间内的气体达到一定的真空度，而这一真空度恰能满足该种被镀物品沉积时所要求的真空度(不同货品对本底真空度有不同的需求)。
27.本发明未提及的技术均参照现有技术。
28.本发明紫外波段超低吸收双面增透膜，膜系设计和工艺改进，在5mm厚紫外窗口玻璃基片两侧表面镀制膜系实现355nm紫外增透，减少了吸收，提高了透过率，平均透过率大于99.5％，单面反射小于0.15％，提高了抗激光损伤阈值，提高了寿命。
附图说明
29.图1为本发明实施例1紫外波段超低吸收增透膜的结构示意图；
30.图2为本发明实施例1紫外波段超低吸收增透膜的设计曲线；
31.图3为本发明实施例1紫外波段超低吸收增透膜的反射镀膜曲线；
32.图4为本发明实施例1紫外波段超低吸收增透膜的透过镀膜曲线
33.图5为本发明实施例2紫外波段超低吸收增透膜的结构示意图；
34.图6为本发明实施例2紫外波段超低吸收增透膜的设计曲线；
35.图7为本发明实施例2紫外波段超低吸收增透膜的反射镀膜曲线；
36.图8为本发明实施例2紫外波段超低吸收增透膜的透过镀膜曲线；
具体实施方式
37.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
38.薄膜的制备是在光驰otfc
‑
1300真空箱式镀膜机上完成的，膜厚采用光控+晶控控制系统。此镀膜机配备电子束和热阻蒸发双种蒸发源方式，冷凝泵确保设备内无油无水。
39.实施例1
40.如图1所示，一种紫外波段超低吸收双面增透膜，其结构为air/lhlhlhlh/sub/hlhlhlhl/air，其中，h代表sio2膜层，厚度为63mm，l代表mgf2膜层，厚度为60mm，sub代表基底，基底厚度为5mm，材料为熔石英。
41.上述增透膜的制备方法，包括如下步骤：
42.(1)基底加热：用脱脂纱布蘸无水乙醇和乙醚的3:1混合液擦拭基底，然后采用超声波清洗的方式清洗基底，再对基底在抽真空状态下进行烘烤加热，提高基底温度，其中，烘烤温度为160℃～170℃，烘烤时间为1.5小时；
43.(2)离子束清洗：对基底进行离子束清洗，离子清洗时长为2min，离子束电压为100v，离子束流为4a；
44.(3)基底正面膜系镀制：根据膜系设计中的膜系结构，在基底正面依次镀制各膜层；
45.(4)基底反面膜系镀制：正面膜系镀制完成后，取出元件，重复步骤(1)～(3)对反面各膜层依次镀制；
46.步骤(3)和步骤(4)中，sio2膜层镀制：将sio2膜料放到坩埚中，采用电子束蒸发的方法进行镀制，其本底真空度高于1.5
×
10
‑3pa，沉积速率为0.1nm/s；mgf2膜层镀制：将mgf2膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于1.5
×
10
‑3pa，沉积速率为0.08nm/s；
47.使用白俄罗斯rt分光光度计进行指标检测，由图3图4可见，单面反射小于0.15％，双面透过率大于99.5％，抗激光损伤阈值由原先的2j/cm2提高到5j/cm2(激光脉宽10ns)，提高了使用寿命，由原先的1个月到现在6
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12个月(依据客户的使用环境)。
48.为了保证光学元件的可靠性，根据使用要求对样品进行了环境试验：
49.附着力测试：用宽度1英寸的3m专用胶带紧贴镀膜表面，然后沿膜面垂直方向迅速拉起，反复拉扯10次未有脱膜现象。
50.湿热测试：在温度为50度的水里浸泡24小时后膜层无问题.
51.耐高温验证：常温升至300度烘烤1小时后降至常温后，膜层无问题。
52.实施例2
53.如图2所示，一种紫外波段超低吸收双面增透膜，其结构为：air/1.06l0.63h1.27l0.66h/sub/0.66h1.27l0.63h1.06l/air，每层理论厚度为36.84/81.84/35.17/68.3/sub//68.3/35.17/81.84/36.84nm，其中，h代表laf3膜层，l代表alf3膜层，sub代表基底，基底厚度为5mm，材料为蓝宝石。
54.上述增透膜的制备方法，包括如下步骤：
55.(1)基底加热：用脱脂纱布蘸无水乙醇和乙醚的3:1混合液擦拭基底，然后采用超声波清洗的方式清洗基底，再对基底在抽真空状态下进行烘烤加热，提高基底温度，其中，烘烤温度为160℃～170℃，烘烤时间为1.5小时；
56.(2)离子束清洗：对基底进行离子束清洗，离子清洗时长为2min，离子束电压为100v，离子束流为4a；
57.(3)基底正面膜系镀制：根据膜系设计中的膜系结构，在基底正面依次镀制各膜层；
58.(4)基底反面膜系镀制：正面膜系镀制完成后，取出元件，重复步骤(1)～(3)对反面各膜层依次镀制；
59.步骤(3)和步骤(4)中，laf3膜层镀制：将laf3膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于1.5
×
10
‑3pa，沉积速率为0.08nm/s；alf3膜层镀制：将alf3膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于1.5
×
10
‑3pa，沉积速率为0.08nm/s。
60.使用白俄罗斯rt分光光度计进行指标检测，由图5、图6可见，实际生产得出的镀膜曲线可以满足使用要求，与理论值基本一致。单面反射小于0.15％，双面透过率大于99.5％，抗激光损伤阈值由原先的2j/cm2提高到5j/cm2(激光脉宽10ns)，提高了使用寿命，由原先的1个月到现在6
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12个月(依据客户的使用环境)。
61.为了保证光学元件的可靠性，根据使用要求对样品进行了环境试验：
62.附着力测试：用宽度1英寸的3m专用胶带紧贴镀膜表面，然后沿膜面垂直方向迅速拉起，反复拉扯10次未有脱膜现象。
63.湿热测试：在温度为50度的水里浸泡24小时后膜层无问题。
64.耐高温验证：常温升至300度烘烤1小时后降至常温后，膜层无问题。