一种光学元件及其制备方法与流程

本发明涉及光学元件，具体涉及一种光学元件及其制备方法。

背景技术：

1、在红外光学镀膜领域，红外光学材料是光电探测系统中与外部环境直接接触的光学元件，主要用作光电探测系统的透镜、窗口和头罩。znse（硒化锌）是目前最常见的红外窗口材料。znse材料具有较宽的透过波段，覆盖了从可见到长波红外的全波段光，在红外成像系统中被广泛应用；且znse材料的热光性能优异，在环境温度变化时能保持光路的稳定，不影响成像质量。因此，znse材料在激光光路系统中作为透镜等光学元件使用。但znse材料的本征透过率只有70%左右。如果znse材料表面不镀增透膜，则光线会在光学元件上多次反射，导致光晕的产生，从而降低成像质量。

2、现有技术中，可将1.064μm激光和红外光分为两路光束的znse分光镜存在以下问题：膜层材料为常规的红外材料，硬度较低，导致分光镜的耐磨性差，抗热冲击性能低，难以适应苛刻环境；以及分光镜的膜层层数过多，增加物料成本。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明提供一种光学元件及其制备方法。该光学元件的硬度高，耐磨性高，抗热冲击性能强，能够在苛刻环境下工作，可在多种环境下使用。

2、为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种光学元件，包括：znse基底；所述znse基底的一表面设置有分光膜；所述znse基底的另一表面设置有增透膜；其中，所述分光膜从基底侧向外包括沉积在所述znse基底表面的znse层，在所述znse层上向外交替叠加至少3次的ybf3（氟化镱）层和zns（硫化锌）层，以及y2o3（氧化钇）层和最外侧的hfoxn1-x（氮氧化铪）层，x为0.1-0.9。

4、相比于传统的zns基底，本发明的znse基底，其光学性能良好， 抗1.064μm激光损伤的能力强，且对8-12μm波段红外光的吸收性能小，透过率高，在激光和红外光学领域应用广泛。本发明的分光膜中交替叠加至少3次ybf3和zns能够以较少的层数将入射光分为两束光，对1.064μm激光波段光的反射率可达99%以上，对8-12μm波段光的平均透过率可达96%以上，能够达到良好的分光效果，交替叠加次数小于3次则达不到理想的反射和透过效果。增透膜可进一步的提高该光学元件对8-12μm长波红外光的透过率。

5、本发明的分光膜通过在znse基底上堆叠znse层，可提高分光膜整体的结合强度；y2o3层增加了分光膜的耐磨强度和抗热冲击性能，还能与氮氧化铪层（hfoxn1-x）牢固结合；氮氧化铪层具有极高的硬度，经过测试纳米压入硬度能够达到10gpa以上，可进一步的增加分光膜的硬度、耐磨强度和抗热冲击性能，从而保证该光学元件免受苛刻环境的侵蚀，抵御各种激光损伤，进而保证该光学元件在复杂环境条件下使用，拓展了其应用范围。

6、优选地，所述增透膜包括从znse基底侧向外交替叠加至少2次的znse层和ybf3层，以及最外侧的zns层。

7、本发明的增透膜通过在znse基底上先堆叠znse层，可提高增透膜整体的结合强度；交替叠加至少2次的znse层和ybf3层，可实现增透膜对8-12μm波段光的最佳透过率；最外侧的zns层的硬度较高，增加了增透膜的耐磨强度和抗热冲击性能，使得该光学元件能够抵御各种激光损伤，保证光学元件免受苛刻环境的侵蚀。

8、优选地，所述分光膜中的所述ybf3层和zns层交替叠加3-6次的结构为:sub/znse/ybf3/zns /ybf3/zns /ybf3/zns /ybf3/zns /ybf3/zns /ybf3/zns /y2o3/hfoxn1-x/air；其中，sub为znse基底。

9、交替叠加次数大于6次会使得物料用量增加，导致生产成本的增加。

10、优选地，所述分光膜中的所述ybf3层和zns层交替叠加6次，各层厚度如表1：

11、表1分光膜的厚度

12、

13、优选地，所述增透膜包括从znse基底向外依次设置的第一znse层、第二ybf3层、第三znse层、第四ybf3层，以及最外侧的zns层；

14、所述第一znse层的厚度为50-60nm；

15、所述第二ybf3层的厚度为200-250nm；

16、所述第三znse层的厚度为500-550nm；

17、所述第四ybf3层的厚度为1000-1300nm；

18、所述zns层的厚度为200-230nm。

19、第二方面，本发明还提供上述光学元件的制备方法，包括以下步骤：

20、在真空环境下，对znse基底进行烘烤，预轰击后，采用离子辅助蒸发沉积法和磁控控溅射法，在znse基底的一表面镀制所述分光膜，取出；

21、再在真空环境下，对znse基底进行烘烤，预轰击后，采用离子辅助蒸发沉积法，在znse基底的另一表面镀制所述增透膜，取出，得到所述光学元件。

22、本发明的制备方法具有工艺简单、无污染、成本低，重复性好的优点。

23、优选地，当真空度达到10-2pa量级后，设置行星工件架的转速为15-25转/分钟，再对所述znse基底进行烘烤，所述烘烤温度为150℃-250℃；所述预轰击的条件为：真空度为4×10-3pa，氩气流量为20-25sccm，离子源电压为320-400v，离子束流为45-60ma，预轰击时间为5-10min。

24、本发明的上述转速能够保证后续镀制各层厚度的均匀性；上述烤温度可以充分地去除残留在基底表面的溶剂；在镀膜开始前，通过上述预轰击条件参数对基底进行预轰击，能够去除基底表面的污染物，裸露出清洁后的基底表面，从而有助于提高各膜层的粘合牢固度。

25、优选地，在znse基底的一表面镀制所述分光膜的方法包括：采用离子束辅助蒸发沉积法在所述znse基底的一表面从基底侧向外镀制znse层，再在所述znse层上交替镀制ybf3层和zns层；再采用电子枪蒸发法镀制y2o3层；最后采用磁控溅射法在所述y2o3层上镀制hfoxn1-x层。

26、优选地，在znse基底的另一表面镀制所述增透膜的方法包括：采用离子束辅助蒸发沉积法在所述znse基底的另一表面从基底侧向外交替镀制znse层和ybf3层，最后采用离子束辅助蒸发沉积法镀制zns层。

27、本发明的增透膜为常规透过8-12μm长波红外光的增透膜，使得该光学元件在实际生产时，这一面的增透膜可以和其他常规增透膜产品同炉生产，从而降低了生产成本。

28、优选地，镀制所述znse层的蒸发电流为350-400a，沉积速率为0.3-0.5nm/s；镀制所述ybf3层的蒸发电流为350-400a，沉积速率为0.3-0.5nm/s；镀制所述zns层的蒸发电流约为400-450a，沉积速率为0.3-0.5nm/s。

29、优选地，镀制所述y2o3层的电子枪的电压为8-10kv，蒸发束流为120-130ma，沉积速率为0.1-0.3nm/s。

30、优选地，镀制所述hfoxn1-x层的真空度＜2×10-3pa，通入20-25sccm氩气，1-5sccm氧气和1-5sccm氮气，磁控溅射的沉积速率为0.8-1nm/min，移动平台的移动速度为1 mm/s～3mm/s。

31、本发明通过控制氩气流量使得真空环境的真空度＜2×10-3pa。本发明中，通入的氧气和氮气作为反应气体，与膜料结合生成氮氧化铪（hfoxn1-x）层。上述氧气和氮气的流量能够确保二者与膜料充分地反应以生成氮氧化铪层。上述移动平台的移动速度，能够保证成氮氧化铪层成膜的均匀性。