超寬帶增透膜的制備及性能研究

超寬帶增透膜的制備及性能研究

1超寬帶紅外增透膜的研究在紅外光譜系統(tǒng)中，大多數(shù)紅色外光源必須研磨增強(qiáng)膜，以減少表面反射損失，提高紅外成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。隨著現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展,對(duì)應(yīng)用于紅外區(qū)域的波段范圍的要求也越來越寬,然而適合用于鍍制紅外增透膜的薄膜材料大都比較松軟且易吸潮。這就使得具有高透射率、寬光譜覆蓋范圍、可靠性好以及膜層硬度滿足要求的超寬帶硬質(zhì)紅外增透膜的研制成為許多設(shè)計(jì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分。目前,國(guó)內(nèi)外有關(guān)紅外增透膜的研究主要包括兩個(gè)方面:其一是對(duì)紅外增透膜的膜系設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的專門研究,且大都集中在某一個(gè)和某幾個(gè)紅外波段,如3～5μm或8～12μm等;對(duì)于以硫化鋅、硒化鋅等作為基底材料工作于寬帶范圍的紅外增透膜的研究還很少,特別是應(yīng)用于2～16μm如此寬波段范圍內(nèi)的研究未見有報(bào)道,而該波段恰恰是航天航空遙感中信息量比較集中的一個(gè)波段,也是許多紅外光學(xué)儀器,如紅外光譜儀中必須使用的波段。其二是對(duì)紅外光學(xué)膜料以及工藝方面的專門研究,如紅外光學(xué)薄膜材料有采用鍺(Ge)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、氟化鍶(SrF2)、氟化鋇(BaF2)、氟化鈣(CaF2)和氟化釔(YF3)等,國(guó)外也有報(bào)道采用氟化釷(ThF4)作為低折射率膜料,但氟化釷具有放射性和一定的毒性,許多國(guó)家已禁止使用。而氟化鍶、氟化鋇和氟化鈣等膜料較松軟且易吸潮,鍍出的膜層強(qiáng)度差。本文所研制的超寬帶紅外增透膜的波段為2～16μm,要求其平均透射率大于92%,基底是硒化鋅。其難點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是增透膜的帶寬要求特別寬;二是膜層的牢固度,要求薄膜不開裂、不起皺、不脫膜;三是對(duì)膜層的強(qiáng)度的要求,要求膜層能夠工作在惡劣環(huán)境中且表面不易被劃傷。為了滿足上述要求,在膜系設(shè)計(jì)中,采用了多層膜結(jié)構(gòu),并利用Refinement的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了優(yōu)化。薄膜鍍制中,在傳統(tǒng)熱蒸發(fā)技術(shù)中采用離子束輔助沉積技術(shù)。用具有一定能量的荷能離子轟擊沉積中的薄膜,來改善薄膜的性能。由于外來離子對(duì)凝聚中的粒子的動(dòng)量傳遞,使得凝聚粒子移動(dòng)性增加,從而通過改善膜層的柱狀結(jié)構(gòu),使膜層更加致密,來提高膜層的穩(wěn)定性。此外,為了進(jìn)一步提高膜層的硬度,采用脈沖電弧離子鍍技術(shù)在膜層的最外層表面沉積了厚度約為100nm的類金剛石(DLC)薄膜做為多層增透膜的保護(hù)層,以提高膜層的硬度和抗惡劣環(huán)境的能力。2膜法監(jiān)控的基本原理應(yīng)用于紅外波段的光學(xué)膜料,必須保證在應(yīng)用波段具有良好的透射率、合適的折射率、良好的機(jī)械強(qiáng)度和硬度以及穩(wěn)定的化學(xué)特性。對(duì)于高折射率膜料可采用吸收較小的硒化鋅膜料。對(duì)于紅外波段低折射率膜料的選擇成為制備高質(zhì)量紅外薄膜的關(guān)鍵技術(shù)之一,氟化鍶、氟化鋇和氟化鈣等鍍制的膜層松軟且易吸潮;氟化釔(YF3)有較大的應(yīng)力常常會(huì)使膜層龜裂,因此在膜系設(shè)計(jì)中采用了多層膜結(jié)構(gòu),并將氟化釔膜料選為低折射率膜料。對(duì)于多層膜,它的特征矩陣為式中式中δj表示波長(zhǎng)為λ的光束在第j層薄膜中單向傳播的相位厚度,Nj為第j層薄膜的復(fù)折射率,dj為第j層薄膜的物理厚度,θj表示光束在第j層膜內(nèi)的傳播方向與界面法向方向的夾角,ηj為第j層的有效導(dǎo)納。那么,該k層膜的透射率可表示為(1)式是光學(xué)薄膜的理論基礎(chǔ),從該式可以得出一個(gè)給定膜系的全部光學(xué)特性。在增透膜的設(shè)計(jì)中,如果某層膜所要求的折射率用單層膜無法現(xiàn)實(shí),可用一個(gè)三層對(duì)稱膜系來代替,并使對(duì)稱膜系的總光學(xué)厚度與所要求的單層膜相近。在薄膜設(shè)計(jì)中,根據(jù)膜層材料的色散關(guān)系,采用Optilayer膜系設(shè)計(jì)軟件,在給定膜層材料折射率的情況下,對(duì)膜層的厚度以及膜層的層數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)果中有5層膜、7層膜甚至9層膜結(jié)構(gòu)都能夠滿足光學(xué)要求,結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體情況選擇一個(gè)光學(xué)特性滿足要求,而且從膜層厚度監(jiān)控以及膜層鍍制的連續(xù)可行性和工藝重復(fù)性等方面綜合考慮都滿足要求的膜系結(jié)果,最終選擇的膜系為7層膜結(jié)構(gòu)的膜系:S|L3H2L2H3LH8L|A,其中L為氟化釔、H為硒化鋅。為了在膜層厚度監(jiān)控中使用短波控制長(zhǎng)波的監(jiān)控方法,所采用的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)和監(jiān)控波長(zhǎng)都為λ=600nm。經(jīng)過優(yōu)化后,理論設(shè)計(jì)的ZnSe基底(S)上超寬帶增透膜的透射率光譜曲線如圖1所示。3測(cè)試結(jié)果及分析薄膜制備是在安裝了自行研制的寬束冷陰極離子源的南光機(jī)械廠生產(chǎn)的ZZS700—1/G箱式光學(xué)鍍膜機(jī)上進(jìn)行的。鍍前用800eV左右的Ar+離子束對(duì)ZnSe基底進(jìn)行約5min的轟擊,然后采用離子束進(jìn)行輔助沉積。硒化鋅采用鉬舟電阻加熱蒸發(fā),氟化釔采用電子束蒸發(fā)。鍍后再采用離子束對(duì)樣片進(jìn)行10min左右的轟擊和一定時(shí)間的高溫退火處理。由于膜系的中心波長(zhǎng)較長(zhǎng),在膜系控制中采用了透射式短波控制長(zhǎng)波的方法,為了進(jìn)一步提高膜層的監(jiān)控精度,在短波控制長(zhǎng)波的方法中,考慮到膜料的色散效應(yīng)提出了光學(xué)厚度等效代換。在整個(gè)鍍膜過程中基底的溫度控制在200±5℃,本底氣壓低于4.0×10-3Pa,充入氬氣后的工作真空度控制在9×103Pa左右。實(shí)驗(yàn)證明在膜層制備過程中,本底氣壓越低,膜層的沉積速率越低,膜層性能越好。硒化鋅薄膜的沉積速率應(yīng)控制在0.2nm/s左右,氟化釔膜層的沉積速率為0.8nm/s。在鍍制第一層低折射率的氟化釔膜層時(shí),為了便于膜層監(jiān)控和提高膜層的牢固度,首先在基底上鍍制一層硒化鋅膜層。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),鍍制的紅外超寬帶增透膜存在以下兩個(gè)問題:1)有的樣片的膜層會(huì)出現(xiàn)膜層龜裂和脫落的現(xiàn)象,分析其原因,主要是由于膜層最外層的氟化釔膜層較厚所致;2)在所鍍制的膜層的透射率光譜曲線的測(cè)試結(jié)果中發(fā)現(xiàn),在波數(shù)為3400cm-1(波長(zhǎng)約為2.94μm)附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的吸收峰,在波數(shù)為1640cm-1(波長(zhǎng)約為6.10μm)附近也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較小的吸收峰,其測(cè)試結(jié)果如圖2所示。其中3條光譜曲線分別是ZnSe基底、ZnSe基底單面和雙面鍍制增透膜后的實(shí)測(cè)光譜曲線。從圖2中的實(shí)測(cè)光譜曲線和圖1中的理論光譜曲線的比較可以看出,實(shí)測(cè)光譜曲線和理論光譜曲線的峰谷值的位置一致,實(shí)測(cè)的透射率略低于理論設(shè)計(jì)的透射率,其次就是在實(shí)測(cè)的光譜透射率曲線中出現(xiàn)了上述的兩個(gè)吸收峰。為了搞清楚這兩個(gè)吸收峰的來源,采用相同的沉積工藝在鍺(Ge)基底上分別沉積了單層的硒化鋅薄膜和氟化釔薄膜,其測(cè)試的光譜曲線如圖3所示。從圖3中可以看出,上述膜層的兩個(gè)吸收峰都是由于氟化釔薄膜的吸收所致。為了減小或避免紅外增透膜在這兩個(gè)位置處的吸收,同時(shí)進(jìn)一步避免增透膜最外層氟化釔所產(chǎn)生的較大應(yīng)力而引起的膜層龜裂現(xiàn)象。將膜系中第一層和第三層的氟化釔完全改用了氟化鋇膜料,將最外層的氟化釔分成兩層來鍍,其中前5個(gè)極值采用膜料為氟化鋇,后3個(gè)極值采用的膜料仍為氟化釔,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)證明,這樣既可以降低膜層在以上兩個(gè)位置的吸收,提高膜層的透射率,還可以繼續(xù)保證膜層的強(qiáng)度滿足要求。最后,采用脈沖電弧離子鍍技術(shù),在靶基距為290mm,脈沖頻率為3Hz,主回路電壓為200V,起弧電壓為450V的沉積工藝條件下,在鍍制的多層紅外超寬帶增透膜(MLAR)的表面加鍍了厚度為100nm的DLC薄膜。4透射率的測(cè)試1)光學(xué)性能測(cè)試:文中紅外透射率的測(cè)試均采用美國(guó)PerkinElmer公司生產(chǎn)的SpectrumX型傅里葉變換紅外光譜儀,其基本性能指標(biāo)是:光譜范圍為380～10000cm-1,分辨率為0.2cm-1。圖4所示為在硒化鋅基底上雙面沉積的多層超寬帶紅外增透膜(MLAR)以及兩個(gè)面都加鍍了l00nm的DLC薄膜后(MLAR+DLC)的實(shí)測(cè)光譜透射率曲線。其峰值透射率均大于97%,在2～16μm(625～5000cm-1)波段范圍內(nèi)平均透射比大于93%,而且,加鍍了DLC薄膜后并沒有降低膜層的透射比,僅是光譜曲線發(fā)生了微小的長(zhǎng)移。2)高低溫實(shí)驗(yàn):無包裝情況下,將鍍膜樣片放入遼寧試驗(yàn)設(shè)備廠制造的Y7080高低溫試驗(yàn)箱中,此高低溫實(shí)驗(yàn)箱的升溫和降溫速度均小于2℃/min,在(-40±3)℃低溫中保持6h;在(50±3)℃高溫中保持6h,膜層均無起皺、龜裂、脫落等現(xiàn)象。3)機(jī)械強(qiáng)度實(shí)驗(yàn):用手持式擦拭具,在橡皮摩擦頭外裹兩層干燥脫脂紗布保持4.9N(500g)壓力下順著同一軌跡對(duì)膜層進(jìn)行摩擦,往返25周期后,膜層表面無損傷。4)附著性實(shí)驗(yàn):用2cm寬的剝離強(qiáng)度不小于2.94N/cm2的膠帶紙粘牢在膜層表面,把膠帶紙從垂直于樣片表面的方向迅速拉起后,膜層無脫落,無損傷。5)濕度實(shí)驗(yàn):在(48±2)℃,96%±1%的相對(duì)濕度中經(jīng)歷24h,膜層外觀無變化。5離子束輔助沉積采用Optil