CN109991691B - 一种三波段激光增透膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三波段激光增透膜及其制备方法，三波段激光增透膜，包括基底层，基底层上依次沉积有复合层和MgF₂层；复合层包括交替沉积的YF₃层和ZnSe层，其中，基底层与YF₃层相接，MgF₂层与ZnSe层相接。本发明三波段激光增透膜，650nm波段的单面反射率≤1％、1570nm波段的单面反射率≤0.25％，10.6μm波段的单面反射率<0.25％，满足了多波长激光加工设备光学系统的使用要求，光学性能优良，且膜层附着力强，耐摩擦性强，耐水性和耐温性好，既有良好的光谱性能又有较好的机械稳性能和稳定性；制备重复性好，过程简单易操作、易控制。

Description

一种三波段激光增透膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种三波段激光增透膜及其制备方法，属于三波段激光增透膜领域。

背景技术

现代可见/近红外光谱分析技术可充分利用全谱段或多波长的光谱数据进行分析，具有信息量大、速度快、重现性好、测量方便等特点，广泛用于食品、农业、化工和制药等领域。

在现代光学系统中，大多数光学元件都需要镀减反膜来降低表面反射，尤其是用于特殊环境到光学系统，除了要求薄膜有较高的光学性能外，还需要能对抗各种恶劣到环境。

然而现有的增透膜存在易分层、起皮、附着力差等问题，且目前尚无三波段激光增透膜的相关报道。

发明内容

为了解决膜层分层、起皮、附着力差问题，使得到的膜层既有良好的光谱性能又有较好的机械稳性能和稳定性，本发明提供一种10.6μm&1570nm&650nm三波段激光增透膜及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种三波段激光增透膜，包括基底层，基底层上依次沉积有复合层和MgF₂层；复合层包括交替沉积的YF₃层和ZnSe层，其中，基底层与YF₃层相接，MgF₂层与ZnSe层相接。

申请人经研究发现，YF₃膜层材料不仅折射率低，而且透光范围也很宽，从可见光到14μm，具有良好的光学性能和工艺性能，是一种非常适合的低折射率材料；另外MgF2具有硬度高，机械性能好，化学性能稳定，不易潮解和腐蚀，光学性能方面其主要特点是在真空可见光波段具有较低的吸收，所以最外层使用MgF2，不仅可以提高薄膜的透过率，还能使膜层更耐摩擦；本申请通过特定结构的YF₃、ZnSe、MgF₂三种膜料的结合，使得增透膜在650nm波段的单面反射率≤1％、1570nm波段的单面反射率≤0.25％，10.6μm波段的单面反射率<0.25％，满足了多波长激光加工设备光学系统的使用要求，且膜层附着力强、耐摩擦性强、耐水性强、耐温性好，既有良好的光谱性能又有较好的机械稳性能和稳定性。

为了进一步提高增透膜的力学性能和光学性能，优选，YF₃层和ZnSe层的层数相等，均为4-6层。

进一步优选，YF₃层和ZnSe层的层数均为5层，也即三波段激光增透膜包括基底层，基底层上依次沉积有第一YF₃层、第一ZnSe层、第二YF₃层、第二ZnSe层、第三YF₃层、第三ZnSe层、第四YF₃层、第四ZnSe层、第五YF₃层、第五ZnSe层和MgF₂层。

为了兼顾增透膜的力学性能和光学性能，优选，第一YF₃层的厚度小于第二YF₃层的厚度，第二YF₃层的厚度小于第三YF₃层的厚度，第四YF₃层的厚度介于第一YF₃层的厚度和第二YF₃层的厚度之间，第五YF₃层的厚度小于第一YF₃层的厚度；第一ZnSe层的厚度大于第二ZnSe层的厚度，第三ZnSe层的厚度大于第一ZnSe层的厚度，第四ZnSe层的厚度介于第一ZnSe层的厚度和第三ZnSe层的厚度之间，第五ZnSe层的厚度介于第二ZnSe层的厚度和第一ZnSe层的厚度之间，MgF₂层的厚度大于第五ZnSe层的厚度，这样膜层相互间应力互补效果好，能更好的保证增透膜的机械性能和光谱性能。本申请厚度未作特别说明时均指物理厚度。

为了进一步增强各膜层之间的互补效果，第三YF₃层的厚度为第五YF₃层的厚度的25-30倍；第三ZnSe层的厚度为第二ZnSe层的厚度的5-6倍；第三YF₃层的厚度为第三ZnSe层的厚度的3-4倍；MgF₂层的厚度为第五ZnSe层的厚度的1.8-2.2倍。

为了兼顾成本和产品质量要求，优选，第一YF₃层的厚度为204±10nm，第一ZnSe层的厚度为420±10nm，第二YF₃层的厚度为390±10nm，第二ZnSe层的厚度为270±10nm，第三YF₃层的厚度为5328±10nm，第三ZnSe层的厚度为1500±10nm，第四YF₃层的厚度为246±10nm，第四ZnSe层的厚度为486±10nm，第五YF₃层的厚度为192±10nm，第五ZnSe层的厚度为342±10nm，MgF₂层的厚度为690±10nm。

上述结构中，基底层上的前10层YF₃、ZnSe两种膜料交替使用，最外层使用MgF₂，生成结构：SUB/aNbHcNdHeNfHgNhHiNjHkM/A，其中SUB代表基底层、A代表空气、N代表YF₃层、M代表MgF₂层、H代表ZnSe层；a-k代表每层的四分之一参考波长(600nm)光学厚度的系数，分别为：0.34，0.70，0.65，0.45，8.88，2.50，0.41，0.81，0.32，0.57，1.15。

常用的红外波段的高折射率材料有ZnSe和ZnS，优选，本申请基底层为ZnSe基底层。由于本膜系对10.6μm波长光的吸收要小，ZnSe透光范围0.5-15μm，散射损失极低，对热冲击具有很高的承受能力，因此，是制作红外高功率激光膜系的首选材料。优选，基底层厚度为2±0.2mm。

本申请三波段激光增透膜，以真空蒸发的方式在基底层上依次沉积复合层和MgF₂层。

本申请三波段激光增透膜的制备方法，包括如下步骤：

1)对YF₃、ZnSe、MgF₂膜料进行单独预熔处理，去除膜料内部的杂质；

2)将基底层清洁后，置于真空室内，在真空室内压强为(1.8±0.2)×10^-3Pa、烘烤温度为100±5℃的条件下，在基底层的表面依次沉积复合层和MgF₂层。

为了提高膜层间的结合力及膜层的附着力，上述步骤2)中，采用考夫曼离子辅助沉积复合层和MgF₂层。申请人经研究发现，这样可增加聚集密度，改善结构完整性和应力匹配，从而提高了膜层的性能和使用时间，

离子辅助沉积的离子源束流优选为20A。镀膜过程中采用离子辅助沉积，有效解决膜层间的应力问题，提升膜层的致密性，使膜层更加牢固，使用寿命更长。

为了进一步提高膜层的附着力，步骤2)中采用离子轰击的方法清洁基底层。申请人经研究发现，这样可提高凝聚系数，加强膜层的附着力。

本申请采用光控法控制光学厚度，同时采用晶控法控制蒸发速率，YF3的蒸发速率控制在0.4±0.02nm/s,ZnS和MgF2的蒸发速率分别控制在0.25±0.02nm/s和0.7±0.02nm/s。

本发明给出了一种在硒化锌的表面蒸镀包括了可见光﹑近红外和长波红外三个波段的增透膜的结构与制备方法，通过离子辅助沉积、调整工艺参数，得到了光学性能优良、制备重复性好、膜层附着力强、耐摩擦的三波段增透膜，该增透膜在650nm波段的单面反射率≤1％、1570nm波段的单面反射率≤0.25％，10.6μm波段的单面反射率<0.25％，满足了多波长激光加工设备光学系统的使用要求。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明三波段激光增透膜，650nm波段的单面反射率≤1％、1570nm波段的单面反射率≤0.25％，10.6μm波段的单面反射率<0.25％，满足了多波长激光加工设备光学系统的使用要求，光学性能优良，且膜层附着力强，耐摩擦性强，耐水性和耐温性好，既有良好的光谱性能又有较好的机械稳性能和稳定性；制备重复性好，过程简单易操作、易控制。

附图说明

图1为实施例1中三波段激光增透膜的结构示意图(图中省掉了基底层)；

图2为实施例1中三波段激光增透膜在650nm波段和1570nm波段的单面反射曲线(横坐标为波长nm，纵坐标为反射率％)；

图3为实施例1中三波段激光增透膜在10.6μm波段的单面反射曲线(横坐标为波长nm，纵坐标为反射率％)；

图4为实施例1中三波段激光增透膜在650nm波段和1570nm波段的双面透过曲线(横坐标为波长nm，纵坐标为透过率％)；

图5为实施例1中三波段激光增透膜在10.6μm波段的双面透过曲线(横坐标为波长nm，纵坐标为透过率％)；

图中，a为第一YF₃层，b为第一ZnSe层，c为第二YF₃层，d为第二ZnSe层，e为第三YF₃层，f为第三ZnSe层，g为第四YF₃层，h为第四ZnSe层，i为第五YF₃层，j为第五ZnSe层，k为MgF₂层；基底层为ZnSe基底层，1为基底层侧，2为空气侧。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

下例中采用南光800型镀膜机，晶控采用了INFICON SQC-310控制仪，是利用石英晶体振荡频率变化来测量薄膜质量厚度的。离子源采用中科九章研制的考夫曼离子源，通过合理控制离子能量，可以提高沉积薄膜的致密度，改善光学和机械性能。真空室靠机械泵和扩散泵系统相互配合来获得实验要求的真空度，用热电偶计对真空度进行测量。

实施例1

如图1所示，一种三波段激光增透膜，包括基底层，包括基底层，基底层上依次沉积有第一YF₃层、第一ZnSe层、第二YF₃层、第二ZnSe层、第三YF₃层、第三ZnSe层、第四YF₃层、第四ZnSe层、第五YF₃层、第五ZnSe层和MgF₂层；基底层为ZnSe基底层。

ZNSE基底层厚度为2mm，第一YF₃层的厚度为204nm，第一ZnSe层的厚度为420nm，第二YF₃层的厚度为390nm，第二ZnSe层的厚度为270nm，第三YF₃层的厚度为5328nm，第三ZnSe层的厚度为1500nm，第四YF₃层的厚度为246nm，第四ZnSe层的厚度为486nm，第五YF₃层的厚度为192nm，第五ZnSe层的厚度为342nm，MgF₂层的厚度为690nm。

上述三波段激光增透膜的制备方法，包括如下步骤：

1)对YF₃、ZnSe和MgF₂膜料进行单独预熔处理，去除膜料内部的杂质；

2)镀膜前，对基底进行5min的离子轰击，目的是清洁基片，提高凝聚系数，加强膜层的附着力，然后置于真空室内，在真空室内压强为1.8×10^-3Pa、烘烤温度为100℃的条件下，在基底层的表面依次沉积复合层和MgF₂层，在膜层沉积的过程中，使用考夫曼离子源辅助沉积，增加聚集密度，改善结构完整性和应力匹配，从而提高了膜层的性能和使用时间，采用光控法控制光学厚度，同时采用晶控法控制蒸发速率，离子源参数设置为：加速电压250V、屏极电压400V、束流20mA，YF₃的蒸发速率控制在0.4nm/s，ZnS的蒸发速率控制在0.25nm/s，MgF₂的蒸发速率控制在0.7nm/s。

采用白俄罗斯的PHOTO RT分光光度计和美国PE公司的Spectrum100红外光谱仪对上述增投膜的单面反射率和双面透过率进行了测试，得到的光谱曲线达到设计要求，见图2-5。

实施例2

一种三波段激光增透膜，包括基底层，包括基底层，基底层上依次沉积有第一YF₃层、第一ZnSe层、第二YF₃层、第二ZnSe层、第三YF₃层、第三ZnSe层、第四YF₃层、第四ZnSe层、第五YF₃层、第五ZnSe层和MgF₂层；基底层为ZnSe基底层。

ZNSE基底层厚度为2mm，第一YF₃层的厚度为206nm，第一ZnSe层的厚度为423nm，第二YF₃层的厚度为394nm，第二ZnSe层的厚度为265nm，第三YF₃层的厚度为5325nm，第三ZnSe层的厚度为1502nm，第四YF₃层的厚度为249nm，第四ZnSe层的厚度为488nm，第五YF₃层的厚度为195nm，第五ZnSe层的厚度为345nm，MgF₂层的厚度为692nm。

对上述各例所得膜按照GJB2485-95光学膜层通用规范的要求，进行如下环境试验：

(1)耐磨强度实验：在橡皮摩擦头外裹2层干燥脱脂纱布，保持4.9N压力下顺着同一轨迹对膜层进行摩擦，往返40次，膜层均无擦痕等损伤。

(2)附着力实验：用宽为1cm的3M胶带粘牢在膜层表面，将胶带纸从零件的边缘朝表面的垂直方向迅速拉起，膜层均无脱落、无损伤。

(3)浸泡试验：将样品完全浸入蒸馏水或去离子水中，96小时后膜层均无异常。

(4)高温试验：从常温升到150℃恒温烘烤1小时，再降至常温，如此继续循环两次，膜层均无异常。

本发明通过膜料的合理选择，采用离子束辅助沉积技术，解决膜层间应力及膜层附着力的，使得到的膜层既有良好的光谱性能又有较好的机械稳性能和稳定性。

Claims (8)

1.一种三波段激光增透膜，其特征在于：包括基底层，基底层上依次沉积有第一YF₃层、第一ZnSe层、第二YF₃层、第二ZnSe层、第三YF₃层、第三ZnSe层、第四YF₃层、第四ZnSe层、第五YF₃层、第五ZnSe层和MgF₂层；

第一YF₃层的厚度小于第二YF₃层的厚度，第二YF₃层的厚度小于第三YF₃层的厚度，第四YF₃层的厚度介于第一YF₃层的厚度和第二YF₃层的厚度之间，第五YF₃层的厚度小于第一YF₃层的厚度；第一ZnSe层的厚度大于第二ZnSe层的厚度，第三ZnSe层的厚度大于第一ZnSe层的厚度，第四ZnSe层的厚度介于第一ZnSe层的厚度和第三ZnSe层的厚度之间，第五ZnSe层的厚度介于第二ZnSe层的厚度和第一ZnSe层的厚度之间，MgF₂层的厚度大于第五ZnSe层的厚度；

第三YF₃层的厚度为第五YF₃层的厚度的25-30倍；第三ZnSe层的厚度为第二ZnSe层的厚度的5-6倍；第三YF₃层的厚度为第三ZnSe层的厚度的3-4倍；MgF₂层的厚度为第五ZnSe层的厚度的1.8-2.2倍；

三波段为10.6μm、1570nm和650nm。

2.如权利要求1所述的三波段激光增透膜，其特征在于：第一YF₃层的厚度为204±10nm，第一ZnSe层的厚度为420±10nm，第二YF₃层的厚度为390±10nm，第二ZnSe层的厚度为270±10nm，第三YF₃层的厚度为5328±10nm，第三ZnSe层的厚度为1500±10nm，第四YF₃层的厚度为246±10nm，第四ZnSe层的厚度为486±10nm，第五YF₃层的厚度为192±10nm，第五ZnSe层的厚度为342±10nm，MgF₂层的厚度为690±10nm。

3.如权利要求1或2所述的三波段激光增透膜，其特征在于：基底层为ZnSe基底层，基底层厚度为2±0.2mm；三波段激光增透膜650nm波段的单面反射率≤1％、1570nm波段的单面反射率≤0.25％、10.6μm波段的单面反射率<0.25％。

4.权利要求1-3任意一项所述的三波段激光增透膜的制备方法，其特征在于：以真空蒸发的方式在基底层上依次沉积复合层和MgF₂层。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)对YF₃、ZnSe和MgF₂膜料进行单独预熔处理，去除膜料内部的杂质；

2)将基底层清洁后，置于真空室内，在真空室内压强为(1.8±0.2)×10^-3Pa、烘烤温度为100±5℃的条件下，在基底层的表面依次沉积复合层和MgF₂层。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用考夫曼离子辅助沉积复合层和MgF₂层。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：离子源束流为20A。

8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用离子轰击的方法清洁基底层；YF₃的蒸发速率控制在0.4±0.02nm/s,ZnS的蒸发速率控制在0.25±0.02nm/s，MgF₂的蒸发速率控制在0.7±0.02nm/s。