本發(fā)明涉及一種用于大型天文望遠(yuǎn)鏡主鏡的金增強(qiáng)型反射膜系，屬于光學(xué)鍍膜加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種寬反射帶寬、低膜層應(yīng)力、高效長(zhǎng)壽命反射鏡組件膜系及其制備方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)反射鏡在大型天文望遠(yuǎn)鏡與大型光學(xué)儀器中應(yīng)用十分廣泛。由于反射光學(xué)系統(tǒng)對(duì)玻璃材料在光學(xué)性能上沒有特殊要求，光線不需透過材料本身，主鏡可以進(jìn)行輕量化加工減輕重量和無色差，且大口徑透鏡的光學(xué)材料不可多得，價(jià)格昂貴，因此大型光學(xué)儀器一般都采用了反射式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。大口徑光學(xué)反射鏡的效率與壽命對(duì)光學(xué)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。

大型天文望遠(yuǎn)鏡主鏡通常采用鋁反射涂層。鋁涂層在紅外，可見以及紫外波段均有較高的反射效率，鋁膜與玻璃基板附著良好，制備成功的鋁鏡可連續(xù)工作幾年，然而，鋁涂層也存在明顯的不足，主要是在紅外波段存在自身輻射，這就限制了其在紅外波段的應(yīng)用，且鋁鏡在可見光波段的反射效率較低，與銀大約相差了8%。銀是鍍制金屬反射膜優(yōu)良的材料，在可見光與紅外波段都有比鋁鏡更高的反射效率，而且，傾斜使用時(shí)引入的偏振效應(yīng)較小。但銀涂層也存在明顯的不足：一是紫外波段反射較低；二是與玻璃基板附著較差；三是環(huán)境穩(wěn)定性不如鋁膜，易在空氣中硫化與酸化，鏡面發(fā)生變化。因此銀膜壽命是困擾其應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡主鏡的重要因素。金是用于紅外波段的反射涂層材料，其在紅外波段具有很高的反射效率且金膜非常穩(wěn)定，不與空氣中的酸堿物質(zhì)反應(yīng)，但其波長(zhǎng)短于600nm后反射效率迅速下降，無法用于可見光及紫外波段。全介質(zhì)反射鏡是由高低折射率的介質(zhì)氧化物交替鍍制而成，其在反射帶寬內(nèi)具有很高的反射效率和很長(zhǎng)的使用壽命，但其反射帶寬有限，膜系厚度與反射帶寬成正比，厚膜會(huì)帶來較大的膜層應(yīng)力導(dǎo)致反射鏡面形改變。現(xiàn)有技術(shù)迄今未找到一種能夠在近紫外、可見光與紅外波段均具有高反射效率同時(shí)兼具優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性與較長(zhǎng)使用壽命的反射鏡組件膜系方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前大型天文反射鏡在反射效率、使用壽命及反射帶寬等方面不能同時(shí)兼顧的不足提出一種可在近紫外、可見光與紅外波段均具有高反射效率同時(shí)兼具優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性與較長(zhǎng)使用壽命的反射鏡組件膜系及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于大型天文望遠(yuǎn)鏡主鏡的金增強(qiáng)型反射膜系，其特征在于，該金增強(qiáng)膜反射系結(jié)構(gòu)如下，自主鏡表面開始，依次為：打底層、金層、過渡層、介質(zhì)增強(qiáng)膜系層；其中打底層可以采用鉻、鎳鉻合金，厚度10nm-25nm；金膜層厚度約95nm-105nm；過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm-150nm，厚度根據(jù)反射鏡要求優(yōu)化決定；介質(zhì)增強(qiáng)膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合。

本發(fā)明由高、低折射率交替的介質(zhì)氧化物材料組合，起到保護(hù)金膜同時(shí)增加特定波段反射效率的作用，是一種具有寬反射帶寬、低膜層應(yīng)力、高效長(zhǎng)壽命反射鏡膜系。

上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，

所述打底層鉻、鎳鉻合金的厚度為15nm-20nm；

所述金膜層厚度為100nm；

所述過渡層二氧化鉿的厚度為25nm-120nm。

例如：所述介質(zhì)增強(qiáng)膜系層中，二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合是指：

H₁、 H₂、 H₃分別代表光學(xué)膜厚為λ/4的五氧化三鈦，五氧化二鉭，二氧化鉿高折射率膜層，L代表光學(xué)膜厚為λ/4的二氧化硅低折射率膜層，N₁與N₂是膜堆中高低折射率膜層周期的重復(fù)次數(shù)。

組合方案一為：(0.5H₁ L 0.5H₁)^ N₁ (0.38H₂ 0.76L 0.38H₂)^ N₂；

組合方案二為：(0.5H₁ L 0.5H₁)^ N₁ (0.38H₃ 0.76L 0.38H₃)^ N₂。

完成本申請(qǐng)第二個(gè)發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是，上述用于大型天文望遠(yuǎn)鏡主鏡的金增強(qiáng)型反射膜系的制備方法，其特征在于，步驟如下：

（1）工作條件：反射鏡鍍制需在萬級(jí)以上潔凈車間內(nèi)完成，鍍制前需要對(duì)真空室內(nèi)部件進(jìn)行徹底清潔并烘烤干凈，車間內(nèi)相對(duì)濕度應(yīng)小于60%；

（2）工作準(zhǔn)備：加入需要使用的鍍膜材料，清潔待鍍反射鏡并放入真空室，對(duì)真空室進(jìn)行抽真空；

（3）打底層鍍制步驟：離子源轟擊清潔反射鏡面，蒸鍍打底層材料鉻或鎳鉻合金，厚度10nm-25nm；

（4）金膜鍍制步驟：金膜層控制厚度約100nm；

（5）過渡層鍍制步驟：過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm-150nm，厚度根據(jù)反射鏡要求優(yōu)化決定；

（6）介質(zhì)增強(qiáng)膜系層鍍制步驟：介質(zhì)增強(qiáng)膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合，由高、低折射率交替的介質(zhì)氧化物材料交替組成，起到保護(hù)金膜同時(shí)增加特定波段反射效率的作用。

更具體和更優(yōu)化地說，各步驟操作方法如下：

步驟（2）加入需要使用的鍍膜材料，是指：在無氧銅坩堝中分別加入鉻或鎳鉻合金、金粒、二氧化鉿、二氧化硅、五氧化三鈦、五氧化二鉭等膜料；

步驟（2）對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，鍍前真空度應(yīng)優(yōu)于6×10^-4Pa；

步驟（3）打底層鍍制步驟：打底層鍍制材料為鉻或鎳鉻合金，鍍前真空度優(yōu)于6×10^-4Pa，霍爾離子源轟擊10分鐘用于清潔鏡面，離子源參數(shù)：充40SCCM 氧氣，離子源陽極電壓180 伏，陽極電流6 安培；

步驟（6）介質(zhì)增強(qiáng)膜系層鍍制步驟：介質(zhì)增強(qiáng)膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合（由反射鏡效率要求決定），烘烤溫度100℃-200℃（由成膜工藝條件決定），恒溫2-4小時(shí)（由反射鏡幾何尺寸決定），輔助蒸鍍離子源參數(shù)：充40SCCM 氧氣，離子源陽極電壓180 伏，陽極電流6 安培。

由于采用了上述方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

本發(fā)明提出一種可在近紫外、可見光與紅外波段均具有高反射效率同時(shí)兼具優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性與較長(zhǎng)使用壽命的金增強(qiáng)反射鏡膜系及其制備方法。

（1）本發(fā)明所涉及金增強(qiáng)型反射鏡相比于鋁反射鏡，光譜反射效率在可見光波段高出約8%；

（2）本發(fā)明所涉及金增強(qiáng)型反射鏡相比于銀反射鏡，不受使用環(huán)境中的酸性物質(zhì)影響，因此環(huán)境穩(wěn)定性與使用壽命大大提升，膜層更加耐用，使用壽命提升至5年以上；（3）本發(fā)明所涉及金增強(qiáng)型反射鏡相比于傳統(tǒng)金反射鏡，使用反射波段拓展至近紫外與可見光波段；

（4）本發(fā)明所涉及金增強(qiáng)型反射鏡相比于全介質(zhì)鏡，相同反射帶寬情況下，膜層帶來的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全介質(zhì)反射鏡，以350nm-900nm波段反射鏡為例，口徑100mm，厚度10mm的熔石英材料平面反射鏡，鍍膜前基片面形精度加工至λ/10（PV），全介質(zhì)反射鏡完成后，面形降低至λ/2—λ/3（PV），而金增強(qiáng)型反射鏡完成后，面形僅發(fā)生微小變化λ/9—λ/10（PV）。

附圖說明

圖1 是鋁、銀、金膜的理論反射率圖；

圖2 是本發(fā)明涉及的金增強(qiáng)型反射鏡與鋁鏡、金鏡反射率對(duì)比圖；

圖3 是本發(fā)明涉及的金增強(qiáng)型反射鏡膜系結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1，用于大型天文望遠(yuǎn)鏡主鏡的金增強(qiáng)型反射膜系，參照?qǐng)D3：圖中，光學(xué)反射鏡片1，打底層2，金層3，過渡層4，介質(zhì)增強(qiáng)膜系層5。

用于大型天文望遠(yuǎn)鏡主鏡的金增強(qiáng)型反射膜系制備工藝方法具體如下：

（1）工作條件：反射鏡鍍制需在萬級(jí)以上潔凈車間內(nèi)完成，鍍制前需要對(duì)真空室內(nèi)部件進(jìn)行徹底清潔并烘烤干凈，車間內(nèi)相對(duì)濕度應(yīng)小于60%；

（2）工作準(zhǔn)備：在無氧銅坩堝中分別加入鉻或鎳鉻合金、金粒、二氧化鉿、二氧化硅、五氧化三鈦、五氧化二鉭等膜料；清潔待鍍反射鏡并放入真空室，對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，鍍前真空度應(yīng)優(yōu)于6×10^-4Pa；

（3）打底層鍍制步驟：打底層鍍制材料為鉻或鎳鉻合金，厚度10nm-25nm，鍍前真空度優(yōu)于6×10^-4Pa，霍爾離子源轟擊10分鐘用于清潔鏡面，離子源參數(shù)：充40SCCM 氧氣，離子源陽極電壓180 伏，陽極電流6 安培；

（4）金膜鍍制步驟：金膜層控制厚度約100nm；輔助蒸鍍離子源參數(shù)：充40SCCM氧氣，離子源陽極電壓180 伏，陽極電流6 安培。

（5）過渡層鍍制步驟：過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm-150nm，厚度根據(jù)反射鏡要求優(yōu)化決定；

（6）介質(zhì)增強(qiáng)膜系層鍍制步驟：介質(zhì)增強(qiáng)膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭與二氧化硅、五氧化三鈦組合而成，烘烤溫度200℃，恒溫2小時(shí)，輔助蒸鍍離子源參數(shù)：充40SCCM 氧氣，離子源陽極電壓180 伏，陽極電流6 安培。

金增強(qiáng)膜反射系結(jié)構(gòu)如下，自主鏡表面開始，依次為：打底層、金層、過渡層、介質(zhì)增強(qiáng)膜系層；其中打底層可以采用鉻、鎳鉻合金，厚度10nm-25nm；金膜層厚度約95nm-105nm；過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm-150nm，厚度根據(jù)反射鏡要求優(yōu)化決定；介質(zhì)增強(qiáng)膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合。