一种用于低应力全介质光学薄膜的制备方法与流程

本发明涉及真空镀膜技术领域，特别涉及一种用于低应力全介质光学薄膜的制备方法。

背景技术：

全介质光学薄膜元件在航天/航空遥感和相机、量子/相干激光通信、激光陀螺仪以及地基/天基望远镜系统等众多方面都有着广泛的应用前景。面形是表征全介质光学薄膜元件品质和决定光学系统光束传输及成像质量的重要参数之一。应力则是导致全介质光学薄膜元件面形变差的主要因素，它主要产生于全介质光学薄膜的制备过程中，还与光学元件材质以及初始应力状态有关。应力的存在不仅影响光学元件面形，而且对全介质光学薄膜的牢固度构成威胁，进而使得全介质光学薄膜元件的环境适应性变差。因此，基于全介质光学薄膜应力控制技术，实现光学薄膜元件面形优化至关重要。

随着真空镀膜技术以及加工处理能力的提高，研究人员在全介质光学薄膜应力优化方面开展了大量的科学研究。j.b.oliver报道了使用修正挡板技术实现光学元件镀膜面非均匀氧化硅膜层制备，通过制备的氧化硅膜层在光学元件中间薄、边缘厚，使得光学薄膜制备前，光学元件镀膜面呈现为对称的凹形面形，然后继续镀制均匀的全介质光学薄膜，只要初始加工的氧化硅非均匀层凹形面形与镀制全介质光学薄膜凸形面形匹配合理，就能使得最终制备的全介质光学薄膜元件具有极为理想的面形(j.b.oliver,j.spaulding,andb.charles,"stresscompensationbydepositionofanonuniformcorrectivecoating,"opticalinterferencecoating,wc.2(2019))。相比于镀膜前处理技术，全介质光学薄膜镀制后，通过在光学元件背面镀制均匀的氧化硅薄膜来匹配前镀膜面光学薄膜应力引起的面形变化的技术更为简便易于操作(s.gensemer,andm.gross,"figuringlargeopticsatthesub-nanometerlevel:compensationforcoatingsandgravitydistortions,"opt.exp.23:31171-31180(2015))。此外，高温退火后处理技术也被用来优化光学薄膜应力，并获得了较为理想的光学薄膜元件面形(s.u.ands.melnikas,"postdepositionannealingofibsmixturecoatingsforcompensationoffilminducedstress,"opt.mater.exp.6:2236-2243(2016).)。当前，镀膜前光学元件镀膜面面形预处理和镀膜后光学元件背面拉面形技术存在如下问题，都需要对光学薄膜应力引起的面形量进行预估，操作流程环节过多，执行难度较大；对于非对称、非玻璃材质和背面蜂窝状或者其它轻量化处理的光学元件，两种技术途径都将不在适用。对于高温退火后处理技术，往往使用的温度极高，不仅使光学薄膜应力和面形发生改变，而且对膜层晶相结构、表面粗糙度和光学损耗等特性造成不利的影响，因此很难得到广泛的应用。综上所述，为优化全介质光学薄膜元件应力和面形需要更为简便、普适的真空镀膜技术。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种用于低应力全介质光学薄膜的制备方法，该方法具有操作流程简单、执行成本低等特点，特别适用于各种材质、尺寸和形状的光学元件低应力全介质光学薄膜制备。

本发明的技术解决方案是，一种用于低应力全介质光学薄膜的制备方法，具体步骤如下：

步骤(1)、将光学元件清洗干净，然后放入真空镀膜机；

步骤(2)、封闭真空室门，开始抽真空；控制镀膜机内真空室的本底真空度小于1×10^-3pa；

步骤(3)、将光学元件加热至160-220度，并恒温90-120分钟；

步骤(4)、采用高能辅助沉积技术镀制光学薄膜膜层材料，控制沉积速率0.2-0.8nm/s，离子源工作偏压100-140v，氧气流量10-40sccm；

步骤(5)、待真空室冷却至室温后取出镀制好的光学薄膜元件。

进一步地，所述的光学元件基底材料可以是常用的石英、微晶、k9和ule玻璃，也可以是半导体材料，包括硅、锗和碳化硅。

进一步地，所述的光学元件镀膜面的形状可以为平面、抛物面和自由曲面。

进一步地，所述的光学薄膜可以是高反膜、分光膜、增透膜和滤光膜。

进一步地，所述的光学薄膜膜层材料是氧化物，包括氧化物单质和两种或者多种氧化物单质的混合膜层材料。

进一步地，所述的离子源可以是考夫曼(kaufman)离子源、霍尔(hall)离子源或者先进等离子体源(aps)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明与现有的通过镀膜前光学元件镀膜面预加工、镀膜后光学元件背面拉面形，或者高温退火后处理等技术相比，不需要更多的控制流程，操作简便、成本低，可执行性强；

(2)本发明基于光学薄膜制备工艺技术优化，特别适用于各种材质、尺寸和形状的低应力光学薄膜元件制备；

(3)本发明基于光学薄膜制备工艺技术优化，适用于低应力的高反膜、分光膜、增透膜和滤光膜制备；对于介质保护和/或增强的的金属光学薄膜同样适用。

附图说明

图1为本发明方法制备的全介质高反膜和分光膜的应力数据。

具体实施方式

通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

以口径310mm，厚度35mm的微晶玻璃为例，首先将其清洗干净，然后放入镀膜机中的工件架上；封闭真空室门，开始抽真空；当镀膜机内真空室的本底真空度小于1×10^-3pa；将光学元件加热至180度，并恒温120分钟；采用高能辅助沉积技术镀制全介质高反膜，其总层数54层，总厚度6.7微米。膜层材料选用氧化钛和氧化硅，镀制参数：氧化钛，沉积速率0.2nm/s，离子源工作偏压120v，氧气流量25sccm；氧化硅，沉积速率0.4nm/s，离子源工作偏压140v，氧气流量10sccm。光学薄膜制备后，待真空室冷却至室温，取出镀制好的光学薄膜元件。采用光学干涉仪对镀膜前后微晶玻璃镀膜面的反射面形进行检测，试验结果如下：镀膜前，反射面形pv＝0.108λ，rms＝0.026λ，power＝0.017λ；镀膜后，反射面形pv＝0.114λ，rms＝0.021λ，power＝0.029λ(λ＝632.8nm)。通过分析确定本发明方法制备的全介质高反膜的应力为1.65mpa，由应力引起的微晶玻璃的反射面形rms变化量为0.005λ。

实施例2：

以口径60mm，厚度6mm的石英玻璃为例，首先将其清洗干净，然后放入镀膜机中的工件架上；封闭真空室门，开始抽真空；当镀膜机内真空室的本底真空度小于1×10^-3pa；将光学元件加热至180度，并恒温120分钟；采用高能辅助沉积技术镀制全介质分光膜，其总层数26层，总厚度4.8微米。膜层材料选用氧化钛和氧化硅，镀制参数：氧化钛，沉积速率0.2nm/s，离子源工作偏压120v，氧气流量25sccm；氧化硅，沉积速率0.4nm/s，离子源工作偏压140v，氧气流量10sccm。光学薄膜制备后，待真空室冷却至室温，取出镀制好的光学薄膜元件。采用光学干涉仪对镀膜前后石英玻璃镀膜面的反射面形进行检测，试验结果如下：镀膜前，反射面形pv＝0.074λ，rms＝0.013λ，power＝-0.014λ；镀膜后，反射面形pv＝0.056λ，rms＝0.009λ，power＝-0.009λ(λ＝632.8nm)。通过分析确定本发明方法制备的全介质分光膜的应力为0.74mpa，由应力引起的石英玻璃的反射面形rms变化量为0.004λ。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。