專利名稱：一種ZnS紅外光學(xué)窗口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外光學(xué)窗口技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有抗反射表面的硫化鋅 (ZnS)紅外光學(xué)窗口。
背景技術(shù)：
硫化鋅(ZnS)是長波紅外波段(8 12 μ m)的最有前途的紅外光學(xué)窗口材料之一，但是由于其表面反射太高，所以用作紅外光學(xué)窗口時(shí)必須進(jìn)行抗反射處理。目前，ZnS抗反射主要是通過抗反射薄膜來實(shí)現(xiàn)。但是抗反射薄膜是在襯底材料表面沉積一層或多層不同的其他材料，而多層材料間的折射率匹配、界面及附著性等一直是光學(xué)薄膜所面臨的問題。抗反射表面是一種完全不同于抗反射薄膜的技術(shù)，是在襯底材料本身的表面上刻蝕制備出來的一種微納米結(jié)構(gòu)排列而成的表面，與襯底渾然一體；此外，可通過調(diào)整抗反射表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)(周期、占空比及高度)而達(dá)到與襯底折射率的匹配。因此，抗反射表面克服了抗反射薄膜所面臨的折射率匹配、界面及附著性等問題。與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)，是文獻(xiàn)“紅外透射材料抗反射表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)、 制備禾口測量性能” (Douglas S. Hobbs and Bruce D. MacLeod. "Design, fabrication, and measured performance of anti-reflecting surface textures in infrared transmitting materials，，。Proceedings of SPIE，2005，5786 :349_364)和文獻(xiàn)“高性能抗反射表面浮雕微結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展”(Douglas S. Hobbs, Bruce D. MacLeod and Juanita R. Riccobono. “Update on the development of high performance anti~reflecting surface relief micro-structures，，· Proceedings of SPIE, 2007,6545 :65450Y)中所公開報(bào)道的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面的設(shè)計(jì)和制備。其中，ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面的設(shè)計(jì)參數(shù)為圓錐面形、周期1. 2 μ m、高度2. 8 μ m ；制備所得到的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面的參數(shù)為圓錐面形、周期2.9μπκ高度3.4μπι。制備所采用的技術(shù)是激光干涉光刻和等離子體刻蝕。在上述現(xiàn)有技術(shù)中，ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面的結(jié)構(gòu)周期小、高度大(大于周期)，這一方面增加了制備的工藝難度和代價(jià)，另一方面影響到抗反射表面在使用過程中的耐久性；沒有給出抗反射表面結(jié)構(gòu)的占空比(又稱填充因子)，而占空比是決定抗反射表面的紅外透射性能的很重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)；沒有公開制備技術(shù)中的具體工藝參數(shù)；所采用激光干涉光刻，對(duì)環(huán)境比較敏感、要求非?？量?，所以技術(shù)難度及成本高?？狗瓷鋪啿ㄩL結(jié)構(gòu)的制備工藝仍然是實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的制備工藝難度大，成本高的不足，本發(fā)明提出了一種ZnS 紅外光學(xué)窗口。本發(fā)明用雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底進(jìn)行單面刻蝕而成。所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面為由若干個(gè)柱狀面形或孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成的二維亞波長結(jié)構(gòu)表面。柱狀或孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列時(shí)，在平行于ZnS襯底上表面的χ方向和y方向上，若干個(gè)柱狀或孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T、占空比f以及二維亞波長結(jié)構(gòu)單元的寬度w、二維亞波長結(jié)構(gòu)單元間的間隔d分別相等，即具有對(duì)稱性，其中占空比f = w/T。所述的柱狀或孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T為 3. 0 4. 0 μ m，占空比f為50 80%，高度h為1. 0 2. 5 μ m。所述的柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元是在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)凸臺(tái)，所述的孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元是在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)盲孔。本發(fā)明在二維亞波長結(jié)構(gòu)表面的刻蝕區(qū)域，其折射率為空氣的折射率(1. 0)，在二維亞波長結(jié)構(gòu)表面的未刻蝕區(qū)域，其折射率為ais的折射率( 2.幻，所以平均來看，二維亞波長結(jié)構(gòu)表面的折射率比空氣的折射率大、比ZnS襯底的折射率低，因此可以起到很好的抗反射(或增透)效果。結(jié)果表明，如圖5所示，具有抗反射表面的ZnS紅外光學(xué)窗口， 在8 12 μ m波段的透射率有了明顯提高，透射率最大增加高達(dá)13%，8 12 μ m波段的平均透射率增加高達(dá)10%。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明采用了傳統(tǒng)的掩模光刻及等離子體刻蝕技術(shù)，制備工藝簡單、易于實(shí)現(xiàn)，適合規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明所提供的具有抗反射表面的ZnS紅外光學(xué)窗口， 其抗反射表面由柱狀或孔洞面形的二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成，結(jié)構(gòu)參數(shù)較大、 高寬比較小，所以制備工藝難度及成本低。

圖1是具有柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列構(gòu)成的抗反射表面的ZnS紅外光學(xué)窗口的結(jié)構(gòu)示意圖。其中a是主視圖，b是俯視圖。圖2是具有孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列構(gòu)成的抗反射表面的ZnS紅外光學(xué)窗口的結(jié)構(gòu)示意圖。其中a是主視圖，b是俯視圖。圖中T.周期h.高度W.結(jié)構(gòu)單元寬度d.結(jié)構(gòu)單元間的間隔。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本實(shí)施例是一種ZnS紅外光學(xué)窗口，用雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底進(jìn)行單面刻蝕而成。所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面為由若干個(gè)柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成的二維亞波長結(jié)構(gòu)表面。所述的柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元為在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)凸臺(tái)。柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列時(shí)，在平行于ZnS襯底上表面的χ方向和y方向上，若干個(gè)柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T、占空比f 以及二維亞波長結(jié)構(gòu)單元的寬度W、二維亞波長結(jié)構(gòu)單元間的間隔d分別相等，即具有對(duì)稱性，其中占空比f = w/T。本實(shí)施例中，柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T為4. 0 μ m， 占空比f為50%，高度h為1. 68 μ m，寬度w為2. 0 μ m，間隔d為2. 0 μ m。ZnS襯底上單面制備這種抗反射表面后，透射率最大增加10. 5 %，8 12 μ m波段的平均透射率增加6.8%。實(shí)施例2本實(shí)施例是一種ZnS紅外光學(xué)窗口，用雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底進(jìn)行單面刻蝕而成。所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面為由若干個(gè)孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成的二維亞波長結(jié)構(gòu)表面。所述的孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元為在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)盲孔。孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列時(shí)，在平行于ZnS襯底上表面的χ方向和y方向上，若干個(gè)孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T、占空比f 以及二維亞波長結(jié)構(gòu)單元的寬度W、二維亞波長結(jié)構(gòu)單元間的間隔d分別相等，即具有對(duì)稱性，其中占空比f = w/T。本實(shí)施例中，孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T為3. 6 μ m， 占空比f為58%，高度h為1. 6 μ m，寬度w為2.09 μ m，間隔d為1.51μπι。ZnS襯底上單面制備這種抗反射表面后，透射率最大增加6. 5%，8 12 μ m波段的平均透射率增加4. 5%。實(shí)施例3本實(shí)施例是一種ZnS紅外光學(xué)窗口，用雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底進(jìn)行單面刻蝕而成。所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面為由若干個(gè)柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成的二維亞波長結(jié)構(gòu)表面。所述的柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元為在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)凸臺(tái)。柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列時(shí)，在平行于ZnS襯底上表面的χ方向和y方向上，若干個(gè)柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T、占空比f 以及二維亞波長結(jié)構(gòu)單元的寬度W、二維亞波長結(jié)構(gòu)單元間的間隔d分別相等，即具有對(duì)稱性，其中占空比f = w/T。本實(shí)施例中，柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T為3. 0 μ m， 占空比f為60%，高度h為2.5 μ m，寬度w為1.8 μ m，間隔d為1.2 μ m。ZnS襯底上單面制備這種抗反射表面后，透射率最大增加13%，8 12μπι波段的平均透射率增加10%。實(shí)施例4本實(shí)施例是一種紅外光學(xué)窗口，用雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底進(jìn)行單面刻蝕而成。 所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面為由若干個(gè)孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成的二維亞波長結(jié)構(gòu)表面。所述的孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元為在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)盲孔?？锥疵嫘味S亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列時(shí)，在平行于ZnS襯底上表面的χ方向和y方向上，若干個(gè)孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T、占空比f以及二維亞波長結(jié)構(gòu)單元的寬度W、二維亞波長結(jié)構(gòu)單元間的間隔d分別相等，即具有對(duì)稱性， 其中占空比f = w/T。本實(shí)施例中，孔洞面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T為3. 6 μ m，占空比f為80%，高度h為2. 2 μ m，寬度w為2. 88 μ m，間隔d為0. 72 μ m。ZnS襯底上單面制備這種抗反射表面后，透射率最大增加12. 8%，8 12 μ m波段的平均透射率增加9. 6%。實(shí)施例5本實(shí)施例是一種紅外光學(xué)窗口，用雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底進(jìn)行單面刻蝕而成。 所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面為由若干個(gè)柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成的二維亞波長結(jié)構(gòu)表面。所述的柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元為在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)凸臺(tái)。柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列時(shí)，在平行于ZnS襯底上表面的χ方向和y方向上，若干個(gè)柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T、占空比f以及二維亞波長結(jié)構(gòu)單元的寬度W、二維亞波長結(jié)構(gòu)單元間的間隔d分別相等，即具有對(duì)稱性， 其中占空比f = w/T。本實(shí)施例中，柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T為4. 0 μ m，占空比f為50%，高度h為1. 23 μ m，寬度w為2. 0 μ m，間隔d為2. 0 μ m。ZnS襯底上單面制備這種抗反射表面后，透射率最大增加13%，8 12 μ m波段的平均透射率增加6. 5%。實(shí)施例6本實(shí)施例是一種ZnS紅外光學(xué)窗口，用雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底進(jìn)行單面刻蝕而成。所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面為由若干個(gè)柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成的二維亞波長結(jié)構(gòu)表面。所述的柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元為在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)凸臺(tái)。柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列時(shí)，在平行于ZnS襯底上表面的χ方向和y方向上，若干個(gè)柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T、占空比f 以及二維亞波長結(jié)構(gòu)單元的寬度W、二維亞波長結(jié)構(gòu)單元間的間隔d分別相等，即具有對(duì)稱性，其中占空比f = w/T。本實(shí)施例中，柱狀面形二維亞波長結(jié)構(gòu)單元排列周期T為3. 3 μ m， 占空比f為66%，高度h為Ι.Ομπι，寬度w為2. 18 μ m，間隔d為1. 12 μ m。ZnS襯底上單面制備這種抗反射表面后，透射率最大增加7. 4%，8 12 μ m波段的平均透射率增加4. 6%。
權(quán)利要求1.一種ZnS紅外光學(xué)窗口，用雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底進(jìn)行單面刻蝕而成；其特征在于，所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面為由若干個(gè)柱狀面形或孔洞面形結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成；柱狀面形或孔洞面形結(jié)構(gòu)單元周期性排列時(shí)，在平行于ZnS襯底上表面的χ方向和y方向上，周期T、占空比f以及二維亞波長結(jié)構(gòu)單元的寬度w、結(jié)構(gòu)單元間的間隔d分別相等，即具有對(duì)稱性，其中占空比f = w/T ；所述的柱狀面形或孔洞面形結(jié)構(gòu)單元的周期T 為3. 0 4. 0 μ m，占空比f為50 80%，高度h為1. 0 2. 5 μ m。
2.如權(quán)利要求1所述ZnS紅外光學(xué)窗口，其特征在于，所述的柱狀面形結(jié)構(gòu)單元為二維亞波長結(jié)構(gòu)單元，是在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)凸臺(tái)；所述的孔洞面形結(jié)構(gòu)單元亦為二維亞波長結(jié)構(gòu)單元，是在ZnS襯底的一個(gè)表面上的單個(gè)盲孔。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種ZnS紅外光學(xué)窗口。所述的ZnS紅外光學(xué)窗口的抗反射表面由ZnS襯底上柱狀或孔洞面形的二維亞波長結(jié)構(gòu)單元通過周期性排列而構(gòu)成。制備時(shí)，先通過光刻技術(shù)把圖形復(fù)制在涂覆于雙面光學(xué)拋光的ZnS襯底上的光刻膠膜層中后，采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在ZnS襯底上刻蝕出二維亞波長結(jié)構(gòu)表面。本實(shí)用新型制備的具有抗反射表面的ZnS紅外光學(xué)窗口，在8～12μm波段具有很好的紅外透射性能。本實(shí)用新型所提供的具有抗反射表面的ZnS紅外光學(xué)窗口，其抗反射表面由柱狀或孔洞面形的二維亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成，結(jié)構(gòu)參數(shù)較大、高寬比較小，準(zhǔn)備方法簡單、經(jīng)濟(jì)、效率高，抗反射效果理想。
文檔編號(hào)G02B1/11GK202041668SQ201120131528
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者劉正堂, 徐啟遠(yuǎn), 李陽平, 武倩 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)