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，利用本方法可以實現近紅外和遠紅外光學波段寬范圍大角度入射的高反射膜的膜系設計和制備工藝，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)明通過下述技術方案予以實現：(1)以ZnS或石英玻璃材料為基底，用膜系設計公式計算每層膜的光學厚度值；(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程中轟擊基底；(5)將ZnSe、Al2O3和YbF3三種膜料放入旋轉電子槍蒸發(fā)源坩鍋中，根據上述(1)的公式順序和厚度值用光學真空鍍膜機完成鍍膜；(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體膜層材料鍍膜不牢和較難達到高反射率的工藝難題。
【專利說明】大角度多波段紅外高反射膜系的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是關于鍍制光學薄膜的方法，更具體地說，本發(fā)明是關于ZnS或石英基底同時對近紅外(激光波長1.064um)和遠紅外(8~12um)超寬波段大角度入射(0~43°)的高反射膜的膜系設計和工藝制備鍍制方法。
【背景技術】
[0002]高反射膜作為光學薄膜的一種，廣泛應用于各種光學和紅外元器件、太陽能電池以及大功率激光系統中。目前已有很多不同類型的高反射膜能滿足光學和紅外【技術領域】的部分實際應用。而更廣泛的實際應用對高反射膜綜合性能的要求不斷提高。目前公知的應用非常廣泛的高反射鍍膜，一般都是使用金屬(如金、銀、鋁等)或金屬與介質材料或半導體材料(如硅、鍺等)來進行高反射膜的鍍制。由于紅外隱身條件所限，因此不能同時應用于激光和紅外制導技術等特殊要求的光學設計，不能滿足激光和紅外制導中隱身和高反射的要求。
[0003]由于上述光學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紅外非常寬闊的范圍內反射率要盡可能的高(反射率R達到90%以上)，而且使用波段的入射角指標要求達到0°~43°。然而現有技術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，膜系設計和工藝難度很大?，F有高反射膜(反射率R≥95%)通常鍍制于單點波長(如532nm或1064nm)，或幾百納米? Ium)波段范圍?，F有技術高反射膜由于范圍不寬，則膜系設計相對層數較少，膜層不太厚(一般< lum)。鍍膜工藝制備時間較短(一般I小時左右)，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材料基底上，膜層的設計層數較少，可用的介質膜料品種很多，可達幾十種。而本發(fā)明要求的高反射膜可選用的膜料僅有幾種，膜系設計的厚度非常厚，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，否則其高反射膜產品就無法在野外和空中的惡劣環(huán)境中長久使用。

【發(fā)明內容】

[0004]為了克服目前常規(guī)高反射膜鍍制技術僅限于在單點波長或狹窄波長范圍使用金屬或金屬+介質材料鍍制紅外寬波長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硬牢固，隱身性能優(yōu)良，并能在野外惡劣環(huán)境使用長久的大角度范圍近紅外和遠紅外超寬光學波段高反射膜的膜系設計和工藝制備方法。
[0005]本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到: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:用膜系設計公式:計算每層膜的光學厚度值并按順序列表格，并用下述膜系設計公式計算每層膜的光學厚度值，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，膜系參考波長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紅外光學波段的高反射膜膜系基底；用光學真空鍍膜機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的電子槍蒸發(fā)源坩鍋中作為初始膜系，從單層膜開始對光學膜層進行應力匹配和粘接打底，各光學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，然后進入考夫曼離子源輔助蒸鍍工藝，在鍍膜前和鍍膜過程用離子源轟擊基底；讓其產生的離子束轟擊基底到鍍膜完成。
[0006]本發(fā)明相比于現有技術具有如下有益效果
(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%)波段范圍超過了四千納米(>4um)且兼顧了近紅外(1.064um)和遠紅外(8~12um)波段，解決了現有技術高反射膜波段范圍窄而不能推廣到遠紅外波長范圍的不足。
[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)明解決了遠紅外波段超級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紅外波段8~12 um并兼顧近紅外波段1.064um,其膜系設計厚度非常厚，達到4um以上，其鍍膜工藝制備時間高達10小時以上。這樣超級厚度的高反射膜要解決鍍制工藝過程中的高反射率，以及產品在惡劣環(huán)境中使用的牢固性都是目前光學薄膜技術的著名難題。
[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、光學膜層張應力和壓應力匹配工藝；D、特殊膜層粘接打底工藝；E、高溫預熱工藝和退火工藝等專門工藝技術，解決了上述遠紅外兼顧近紅外超級膜厚度的高反射膜膜層牢固性的工藝難題。
【具體實施方式】
[0013]下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。在以下實施例中，
實施例1
根據本發(fā)明，用光學薄膜設計軟件(TFCal C )設計符合本發(fā)明技術指標要求的最優(yōu)化膜系。以經過光學加工的ZnS或石英為基底在其表面鍍膜，用膜系設計公式:
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，計算每層膜的光學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=1.45的YbF3膜料，A為折射率Na=I的空氣介質，膜系參考波長入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，按上述公式計算設計的45層膜各層的光學厚度值見表1:
表1 (實施例1中根據膜系公式計算的ZnS或石英玻璃45層膜光學厚度理論平均值列
表)
【權利要求】
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:用膜系設計公式:計算每層膜的光學厚度值并按順序列表格，并用下述膜系設計公式計算每層膜的光學厚度值，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，膜系參考波長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紅外光學波段的高反射膜膜系基底；用光學真空鍍膜機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的電子槍蒸發(fā)源坩鍋中作為初始膜系，從單層膜開始對光學膜層進行應力匹配和粘接打底，各光學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，然后進入考夫曼離子源輔助蒸鍍工藝，在鍍膜前和鍍膜過程用離子源轟擊基底；讓其產生的離子束轟擊基底到鍍膜完成。
2.如權利要求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內，選用中檔位清洗10分鐘,再換用丙酮清洗液清洗10分鐘，用高純氮氣吹干，放入潔凈的真空室載盤架并關門抽真空待鍍。
3.如權利要求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:所述的光學膜層應力匹配是將上述H、M、L 三種膜料按照其檢測到的應力性質，使壓應力膜料和張應力膜料交替排布。
5.如權利要求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，當抽真空到10 —3Pa數量級時，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20轉/分鐘。
6.如權利要求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調到:屏極電壓600V，束流85mA，充純度四個9的高純氬氣Ar或氧氣02，將真空度控制在1.0X10 — 2Pa,用產生的離子束轟擊球罩基底20分鐘。
7.如權利要求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:鍍膜完成后進行高低溫退火工藝，將鍍完膜的球罩自然冷卻到室溫后，再從真空室轉移到干燥箱進行退火處理。
8.如權利要求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，再從真空室轉移到干燥箱進行退火處理: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小時后降溫，每降溫10°C恒溫10分鐘，降到常溫30°C，取出檢測待用。
9.如權利要求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)公式計算設計各層膜的光學厚度值。
10.如權利要求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厚度值如下表所示:
【文檔編號】C23C14/58GK103668067SQ201310658912
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權日: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 申請人:西南技術物理研究所