大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種大角度多波段紅外高反射膜的膜系和制備方法，利用本方法可以實(shí)現(xiàn)近紅外和遠(yuǎn)紅外光學(xué)波段寬范圍大角度入射的高反射膜的膜系設(shè)計(jì)和制備工藝，提高膜層的牢固性能力，及野外惡劣環(huán)境的使用壽命。本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：(1)以ZnS或石英玻璃材料為基底，用膜系設(shè)計(jì)公式計(jì)算每層膜的光學(xué)厚度值；(2)清潔被鍍基底；（3）加溫烘烤基底；(4)用離子源在鍍膜前和鍍膜過(guò)程中轟擊基底；(5)將ZnSe、Al2O3和YbF3三種膜料放入旋轉(zhuǎn)電子槍蒸發(fā)源坩鍋中，根據(jù)上述(1)的公式順序和厚度值用光學(xué)真空鍍膜機(jī)完成鍍膜；(6)退火處理。本發(fā)明解決了在紅外材料ZnS基底或石英基底上使用非金屬和非半導(dǎo)體膜層材料鍍膜不牢和較難達(dá)到高反射率的工藝難題。
【專利說(shuō)明】大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于鍍制光學(xué)薄膜的方法，更具體地說(shuō)，本發(fā)明是關(guān)于ZnS或石英基底同時(shí)對(duì)近紅外(激光波長(zhǎng)1.064um)和遠(yuǎn)紅外(8~12um)超寬波段大角度入射(0~43°)的高反射膜的膜系設(shè)計(jì)和工藝制備鍍制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高反射膜作為光學(xué)薄膜的一種，廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)和紅外元器件、太陽(yáng)能電池以及大功率激光系統(tǒng)中。目前已有很多不同類型的高反射膜能滿足光學(xué)和紅外【技術(shù)領(lǐng)域】的部分實(shí)際應(yīng)用。而更廣泛的實(shí)際應(yīng)用對(duì)高反射膜綜合性能的要求不斷提高。目前公知的應(yīng)用非常廣泛的高反射鍍膜，一般都是使用金屬(如金、銀、鋁等)或金屬與介質(zhì)材料或半導(dǎo)體材料(如硅、鍺等)來(lái)進(jìn)行高反射膜的鍍制。由于紅外隱身?xiàng)l件所限，因此不能同時(shí)應(yīng)用于激光和紅外制導(dǎo)技術(shù)等特殊要求的光學(xué)設(shè)計(jì)，不能滿足激光和紅外制導(dǎo)中隱身和高反射的要求。
[0003]由于上述光學(xué)波段的高反射膜不僅要求膜層要非常牢固地鍍制覆蓋在紅外材料ZnS或石英基底上，還要求在近紅外和遠(yuǎn)紅外非常寬闊的范圍內(nèi)反射率要盡可能的高(反射率R達(dá)到90%以上)，而且使用波段的入射角指標(biāo)要求達(dá)到0°~43°。然而現(xiàn)有技術(shù)中凡涉及紅外的寬波段高反射膜可選用的紅外膜料品種極少，膜系設(shè)計(jì)和工藝難度很大?，F(xiàn)有高反射膜(反射率R≥95%)通常鍍制于單點(diǎn)波長(zhǎng)(如532nm或1064nm)，或幾百納米? Ium)波段范圍。現(xiàn)有技術(shù)高反射膜由于范圍不寬，則膜系設(shè)計(jì)相對(duì)層數(shù)較少，膜層不太厚(一般< lum)。鍍膜工藝制備時(shí)間較短(一般I小時(shí)左右)，因而鍍制的高反射膜牢固性比較容易解決。目前常規(guī)的可見光和近紅外高反膜都是鍍制在硬質(zhì)材料基底上，膜層的設(shè)計(jì)層數(shù)較少，可用的介質(zhì)膜料品種很多，可達(dá)幾十種。而本發(fā)明要求的高反射膜可選用的膜料僅有幾種，膜系設(shè)計(jì)的厚度非常厚，其高反射膜牢固的要求之高、工藝難度之大，決非目前常規(guī)高反射膜系可比擬，否則其高反射膜產(chǎn)品就無(wú)法在野外和空中的惡劣環(huán)境中長(zhǎng)久使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服目前常規(guī)高反射膜鍍制技術(shù)僅限于在單點(diǎn)波長(zhǎng)或狹窄波長(zhǎng)范圍使用金屬或金屬+介質(zhì)材料鍍制紅外寬波長(zhǎng)范圍的高反射膜的缺陷，本發(fā)明提供一種能夠滿足隱身功能的在ZnS或石英基底上鍍制膜層堅(jiān)硬牢固，隱身性能優(yōu)良，并能在野外惡劣環(huán)境使用長(zhǎng)久的大角度范圍近紅外和遠(yuǎn)紅外超寬光學(xué)波段高反射膜的膜系設(shè)計(jì)和工藝制備方法。
[0005]本發(fā)明的上述目的可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到:一種大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于包括如下步驟:用膜系設(shè)計(jì)公式:計(jì)算每層膜的光學(xué)厚度值并按順序列表格，并用下述膜系設(shè)計(jì)公式計(jì)算每層膜的光學(xué)厚度值，并按順序列表，G/l.0M8.6103L11.6067H7.0954L12.203H10.2179L14.5858H7.382L14.4999H6.8875L14.7288H7.0563L14.8196H9.8268L12.606H13·.4108L17.5808H12.5002L15.0709H13.5084L15.0556H12.5451L16.2573H15.0726L12.5404H6.4158L1.0Ml.2L (1.3H1L) ~8 1.0Μ/Α，其中，G 為 ZnS 或石英基底，M為Al2O3膜料，H為ZnSe膜料，L為YbF3膜料，A為折射率Na=I的空氣介質(zhì)，膜系參考波長(zhǎng)λ。=800_，入射角為0°~43° @1.064um & 0°~43° @8~12um ;以紅外材料ZnS或石英基底作為大角度入射近紅外和遠(yuǎn)紅外光學(xué)波段的高反射膜膜系基底；用光學(xué)真空鍍膜機(jī)按公式列表順序和厚度值裝填膜料，將與ZnS或石英基底粘接的1.0M層膜料Al2O3鍍制在第一層，取上述至少三種顆粒狀晶體膜料，按M、H、L膜料排布順序依次放入可旋轉(zhuǎn)的電子槍蒸發(fā)源坩鍋中作為初始膜系，從單層膜開始對(duì)光學(xué)膜層進(jìn)行應(yīng)力匹配和粘接打底，各光學(xué)膜層膜料在電子槍高壓、高溫的電子束作用下，形成蒸氣分子，依次附著生長(zhǎng)在基底表面；超聲波清洗鍍膜基底，然后放入真空室抽真空，在真空環(huán)境下，加溫烘烤鍍膜基底，采用30°C起始溫度，緩慢升溫至230°C后保溫100~120分鐘，然后進(jìn)入考夫曼離子源輔助蒸鍍工藝，在鍍膜前和鍍膜過(guò)程用離子源轟擊基底；讓其產(chǎn)生的離子束轟擊基底到鍍膜完成。
[0006]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果
(I)用本發(fā)明方法制備的高反射膜有很寬的多波段范圍。
[0007]本發(fā)明的高反射膜(反射率R≥95%)波段范圍超過(guò)了四千納米(>4um)且兼顧了近紅外(1.064um)和遠(yuǎn)紅外(8~12um)波段，解決了現(xiàn)有技術(shù)高反射膜波段范圍窄而不能推廣到遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍的不足。
[0008](2)本發(fā)明方法的高反射膜有很大的使用角度范圍。
[0009]現(xiàn)有R≥95%高反射膜通常為0°入射，或使用角度較小(一般0°~15°)，本發(fā)明方法的高反射膜使用角度為0°~43°，實(shí)際可推廣到45°~50° ;且0°~43°兼容，即0°~43°都具有R ^ 95%的高反射率。
[0010](3)本發(fā)明解決了遠(yuǎn)紅外波段超級(jí)厚度的高反射膜牢固性的工藝難題。
[0011]本發(fā)明的高反射膜覆蓋遠(yuǎn)紅外波段8~12 um并兼顧近紅外波段1.064um,其膜系設(shè)計(jì)厚度非常厚，達(dá)到4um以上，其鍍膜工藝制備時(shí)間高達(dá)10小時(shí)以上。這樣超級(jí)厚度的高反射膜要解決鍍制工藝過(guò)程中的高反射率，以及產(chǎn)品在惡劣環(huán)境中使用的牢固性都是目前光學(xué)薄膜技術(shù)的著名難題。
[0012]本發(fā)明采用的A、超聲波清洗基底工藝；B、考夫曼離子源輔助蒸鍍工藝；C、光學(xué)膜層張應(yīng)力和壓應(yīng)力匹配工藝；D、特殊膜層粘接打底工藝；E、高溫預(yù)熱工藝和退火工藝等專門工藝技術(shù)，解決了上述遠(yuǎn)紅外兼顧近紅外超級(jí)膜厚度的高反射膜膜層牢固性的工藝難題。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。在以下實(shí)施例中，
實(shí)施例1
根據(jù)本發(fā)明，用光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件(TFCal C )設(shè)計(jì)符合本發(fā)明技術(shù)指標(biāo)要求的最優(yōu)化膜系。以經(jīng)過(guò)光學(xué)加工的ZnS或石英為基底在其表面鍍膜，用膜系設(shè)計(jì)公式:
G/1.0M 8.6103L 11.6067H 7.0954L 12.203H 10.2179L 14.5858H 7.382L 14.4999H
6.8875L 14.7288H 7.0563L 14.8196H 9.8268L 12.606H 13.4108L 17.5808H 12.5002L15.0709H 13.5084L 15.0556H 12.5451L 16.2573H 15.0726L 12.5404H 6.4158L 1.0M1.2L(1.3HlLr8 1.0Μ/Α，計(jì)算每層膜的光學(xué)厚度值并按順序列格。式中G代表ZnS或石英基底(折射率凡=2.3或1.45)，M是折射率Nm=L 60的Al2O3膜料，H是折射率NH=2.45的ZnSe膜料，L是折射率隊(duì)=1.45的YbF3膜料，A為折射率Na=I的空氣介質(zhì)，膜系參考波長(zhǎng)入c=800nm。(以上M、H、L均為純度99.9%的顆粒狀膜料)
該膜系從里到外可以是由1-45層逐層疊加膜組成，按上述公式計(jì)算設(shè)計(jì)的45層膜各層的光學(xué)厚度值見表1:
表1 (實(shí)施例1中根據(jù)膜系公式計(jì)算的ZnS或石英玻璃45層膜光學(xué)厚度理論平均值列
表)
【權(quán)利要求】
1.一種大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:用膜系設(shè)計(jì)公式:計(jì)算每層膜的光學(xué)厚度值并按順序列表格，并用下述膜系設(shè)計(jì)公式計(jì)算每層膜的光學(xué)厚度值，并按順序列表，G/l.0M8.6103L11.6067H7.0954L12.203H10.2179L14.5858H7.382L14.4999H6.8875L14.7288H7.0563L14.8196H9.8268L12.606H13.4108L17.5808H12.5002L15.0709H13.5084L15.0556H12.5451L16.2573H15.0726L12.5404H6.4158L1.0Ml.2L(1.3H1L) ~81.0Μ/Α，其中，G為ZnS或石英基底，M為Al2O3膜料，H為ZnSe膜料，L為YbF3膜料，A為折射率Na=I的空氣介質(zhì)，膜系參考波長(zhǎng)λε=800ηπι，入射角為0°~43° @1.064um & 0°~43° @8~12um ；以紅外材料ZnS或石英基底作為大角度入射近紅外和遠(yuǎn)紅外光學(xué)波段的高反射膜膜系基底；用光學(xué)真空鍍膜機(jī)按公式列表順序和厚度值裝填膜料，將與ZnS或石英基底粘接的1.0M層膜料Al2O3鍍制在第一層，取上述至少三種顆粒狀晶體膜料，按M、H、L膜料排布順序依次放入可旋轉(zhuǎn)的電子槍蒸發(fā)源坩鍋中作為初始膜系，從單層膜開始對(duì)光學(xué)膜層進(jìn)行應(yīng)力匹配和粘接打底，各光學(xué)膜層膜料在電子槍高壓、高溫的電子束作用下，形成蒸氣分子，依次附著生長(zhǎng)在基底表面；超聲波清洗鍍膜基底，然后放入真空室抽真空，在真空環(huán)境下，加溫烘烤鍍膜基底，采用30°C起始溫度，緩慢升溫至230°C后保溫100~120分鐘，然后進(jìn)入考夫曼離子源輔助蒸鍍工藝，在鍍膜前和鍍膜過(guò)程用離子源轟擊基底；讓其產(chǎn)生的離子束轟擊基底到鍍膜完成。
2.如權(quán)利要求1所述大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:所述的鍍膜基底超聲波清洗是將ZnS或石英基底放入盛有乙醇做清洗液的超聲波清洗機(jī)內(nèi)，選用中檔位清洗10分鐘,再換用丙酮清洗液清洗10分鐘，用高純氮?dú)獯蹈?，放入潔凈的真空室載盤架并關(guān)門抽真空待鍍。
3.如權(quán)利要求1所述的大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:所述的光學(xué)膜層粘接打底工藝，是將與ZnS或石英基底粘接的1.0M層膜料Al2O3鍍制在第一層。
4.如權(quán)利要求1所述的大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:所述的光學(xué)膜層應(yīng)力匹配是將上述H、M、L 三種膜料按照其檢測(cè)到的應(yīng)力性質(zhì)，使壓應(yīng)力膜料和張應(yīng)力膜料交替排布。
5.如權(quán)利要求1所述的大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:在加溫烘烤基底時(shí)，當(dāng)抽真空到10 —3Pa數(shù)量級(jí)時(shí)，從30°C開始加烘烤，緩慢升溫一直升到200°C保溫120分鐘，工件旋轉(zhuǎn)20轉(zhuǎn)/分鐘。
6.如權(quán)利要求1所述的大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:所述的離子源輔助蒸鍍是在鍍膜前將離子源參數(shù)調(diào)到:屏極電壓600V，束流85mA，充純度四個(gè)9的高純氬氣Ar或氧氣02，將真空度控制在1.0X10 — 2Pa,用產(chǎn)生的離子束轟擊球罩基底20分鐘。
7.如權(quán)利要求1所述的大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:鍍膜完成后進(jìn)行高低溫退火工藝，將鍍完膜的球罩自然冷卻到室溫后，再?gòu)恼婵帐肄D(zhuǎn)移到干燥箱進(jìn)行退火處理。
8.如權(quán)利要求7所述的大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:高低溫退火工藝，是將鍍完膜的ZnS或石英基底自然冷卻到室溫后，再?gòu)恼婵帐肄D(zhuǎn)移到干燥箱進(jìn)行退火處理:從40°C開始升溫，每升溫10°C再恒溫10分鐘，一直升到130°C，恒溫8~10小時(shí)后降溫，每降溫10°C恒溫10分鐘，降到常溫30°C，取出檢測(cè)待用。
9.如權(quán)利要求1所述的大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:所述的膜系是從里到外由I至45層膜組成，按上述步驟(1)公式計(jì)算設(shè)計(jì)各層膜的光學(xué)厚度值。
10.如權(quán)利要求9所述的所述的大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法，其特征在于:所述的各層膜的光學(xué)厚度值如下表所示:
【文檔編號(hào)】C23C14/58GK103668067SQ201310658912
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】王平秋, 祝冰, 張玉東, 代禮密, 于清, 楊柳, 林莉, 梁志, 許鴻 申請(qǐng)人:西南技術(shù)物理研究所