CN114488371B - 一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，包括反射镜基底，以及在反射镜基底上依次附着的金属主反射层，间隔层，反射率调控层和光谱平坦度调控层；其中金属主反射层为铝，银，金或铬，间隔层为Al2O3，反射率调控层为铬，光谱平坦度调控层包含交替排布的低折射率层和高折射率层，本发明为获得覆盖整个可见光区450nm‑900nm的宽光谱、低反射率和低透过率反射镜，在膜层中使用吸收系数较大的金属材料和介质材料组成的膜堆，从而实现了对反射率和透过率的控制，本发明反射镜对波长为450nm‑900nm的入射光的反射率在30％～80％之间，透过率小于0.1％。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器领域，涉及一种可应用于光学分析仪器、光学探测器的宽谱段低透过率、低反射率反射镜。
背景技术
反射镜是指光线在一定角度入射时，部分或全部入射光线会被反射回入射介质，从而实现改变光线传播方向的目的，是光学系统的关键构成部分，广泛应用于分析测试仪器、遥感相机等领域，反射镜的应用如图1所示。反射镜分为介质和金属基两类，介质反射镜通过增加膜层数量展宽其反射光谱带宽，但会使膜层制备工艺难度增加，对于膜层质量满足要求的场合，宽带反射镜一般为金属银、铝或金，即金属基反射镜，这类反射镜的优点是反射率高、反射谱段宽，可以覆盖可见中红外谱段。图2为常用单一金属膜层+介质保护层传统反射镜的反射谱线，400nm-1200nm平均反射率达到98％，透过率小于0.1％。由于金属基反射镜制备工艺成熟及光谱优点，其应用领域极为广泛。
由于金属自身反射率较高，传统的金属(银、铝或金)+介质反射镜在可见近红外的平均反射率会大于95％，无法满足特殊探测器对反射镜在30％-80％之间低反射率的需求，如果透过率太高会增大系统的杂散光，影响系统的成像质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，包括反射镜基底，以及在反射镜基底上依次附着的金属主反射层，间隔层，反射率调控层和光谱平坦度调控层；其中金属主反射层为铝，银，金或铬，间隔层为Al2O3，反射率调控层为铬，光谱平坦度调控层包含交替排布的低折射率层和高折射率层，本发明为获得覆盖整个可见光区450nm-900nm的宽光谱、低反射率和低透过率反射镜，在膜层中使用吸收系数较大的金属材料和介质材料组成的膜堆，从而实现了对反射率和透过率的控制，本发明反射镜对波长为450nm-900nm的入射光的反射率在30％～80％之间可调，透过率小于0.1％。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，包括反射镜基底，以及在反射镜基底上依次附着的金属主反射层，间隔层，反射率调控层和光谱平坦度调控层；
金属主反射层为铝，银，金或铬；
间隔层为Al2O3；
反射率调控层为铬，反射率调控层的厚度为0nm～80nm；
光谱平坦度调控层包含交替排布的低折射率层和高折射率层；所述低折射率层的折射率为1.40～1.47，所述高折射率层的折射率为1.9～2.4。
进一步的，所述间隔层的厚度为8nm～30nm；
所述反射率调控层的厚度为0nm～80nm。
进一步的，所述光谱平坦度调控层中，低折射率层的材料为二氧化硅，高折射率层的材料为二氧化钛，五氧化二钽，五氧化三钛，三氧化二钛或五氧化二铌中的一种或一种以上。
进一步的，所述光谱平坦度调控层包含≥1层低折射率层和≥1层高折射率层；所述低折射率层直接附着于反射率调控层上。
进一步的，所述低折射率层的厚度为10nm～100nm，高折射率层的厚度为9nm～90nm。
进一步的，所述金属主反射层厚度大于金属主反射层所用金属的穿透深度。
进一步的，所述反射镜对波长为450nm～900nm的入射光的反射率在30％～80％之间，透过率小于0.1％。
进一步的，所述反射镜基底为K9玻璃，ULE玻璃，微晶玻璃，碳化硅或改性碳化硅；
所述改性碳化硅为表面沉积一层至少10微米硅并经过抛光后的碳化硅。
进一步的，所述金属主反射层采用热蒸发法镀制，间隔层采用电子束蒸发法镀制，反射率调控层采用热蒸发法镀制，光谱平坦度调控层采用电子束蒸发法镀制。
进一步的，采用热蒸发法镀制金属主反射层和反射率调控层时，蒸发速率为0.5～1nm/s；采用电子束蒸发法镀制间隔层时，蒸发速率为1.0～1.5nm/s；采用电子束蒸发法镀制光谱平坦度调控层中的低折射率层时，蒸发速率为2～4nm/s，采用电子束蒸发法镀制光谱平坦度调控层中的高折射率层时，蒸发速率为1～2nm/s。
本发明与现有技术相比具有如下至少一条有益效果：
(1)本发明宽谱段低透过率、低反射率反射镜中的膜层结构模型简单，每部分的作用明确工艺实现性好，不受反射镜基底材料种类限制，克服了传统反射镜无法同时实现低反射率和低透过率的缺点；
(2)本发明宽谱段低透过率、低反射率反射镜的反射镜，以吸收系数较大的金属铬作为反射率调控层，通过调控反射率调控层的厚度可以控制吸收，进而有效控制膜系的反射率大小；
(3)本发明采用Al2O3作为金属主反射层和反射率调控层之间的间隔层，该间隔层将主反射层和反射率调控层有效分隔，可以独立调整主反射层和反射率调控层的膜层厚度，方便了膜系设计；同时考虑了膜层的牢固度和工程可实现性；
(4)本发明光谱平坦度调控层中，通过低折射率材料和高折射率材料层数和厚度调整，可有效调控光谱的平坦度；
(5)本发明反射镜对波长为450nm-900nm的入射光的反射率在30％～80％之间，透过率小于0.1％，在满足宽谱段低透过率、低反射率的基础上，能够根据实际需求对反射镜的透过率和反射率灵活调整，大大提升了该反射镜的应用范围。
附图说明
图1为现有技术中典型反射镜的使用示意图；
图2为现有技术常用金属+介质保护层传统反射镜的反射光谱；
图3本发明一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜的膜层结构模型；
图4本发明一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜的膜层结构示意图；
图5本发明实施例1所得反射镜的反射光谱；
图6本发明实施例1所得反射镜的透射光谱；
图7本发明实施例2的反射光谱；
图8本发明实施例2的透射光谱；
图9本发明实施例3的反射光谱；
图10本发明实施例3的透射光谱。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明克服了传统金属银为例的高反射率反射镜对光谱调控能力不足，提供了一种宽光谱、低透过率低反射率反射膜系结构；解决了传统反射镜无法同时实现宽光谱、低反射率和低透过率的缺点。本发明为基于金属主反射层、间隔层、反射率大小调控层和光谱平坦度调控层得到的450nm-900nm宽光谱范围内平均反射率在30％-80％之间大小可调、透过率小于0.1％的反射镜。本发明利用双金属结构，分别利用金属的反射和吸收特性实现反射镜的低透过和反射率大小控制，优化调整介质SiO2、TiO2等膜层厚度、层数实现宽谱段反射谱平坦度控制，能够实现在微晶、ULE或改性碳化硅等基底实现低反射率反射镜产品镀制。
本发明一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，包括基底(K9、ULE、微晶、碳化硅或改性碳化硅)、金属主反射层、间隔层、反射率调控层和光谱平坦度调控层，膜层结构模型如图3所示。根据宽光谱和反射率大小，金属主反射层材料可以为金属铝、银、金和铬，主反射层膜层厚度需要大于金属的穿透深度，这样光线入射时透过率低，金属主反射层材料的复折射率为n-ik，反射率可以用下式计算：
金属铝，银，金在可见光谱范围内的消光系数k大于折射率n，反射率R0趋近于1；金属铬的反射率在0.5左右。金属材料实际复折射率可以通过镀制一定厚度的单层金属膜利用椭偏仪测量得到。
光谱平坦度调控层包括低折射率材料二氧化硅，以及高折射率材料二氧化钛，五氧化二钽，五氧化三钛，三氧化二钛或五氧化二铌。
间隔层将主反射层和反射率调控层有效分隔，这样可以独立调整金属主反射层和反射率调控层的膜层厚度，方便膜系设计；Al2O3与金属有良好的黏附性，选择Al2O3作为间隔层既满足了膜系设计需求又增加膜层牢固度，确保产品质量。
利用金属Cr的吸收作为整个膜系反射率大小的调控层，可以有效控制膜系的反射率大小，Cr的吸收系数为α、厚度为d，则光强I0穿过反射率调控层后的光强I用下式计算：
I＝I0e-αd (2)
反射率调控层的吸收量Δ＝I0-I，调控Cr层的厚度可以控制吸收，从而起到控制整个膜系反射率的作用。
为使反射谱在450nm-900nm之间平坦，利用光谱平坦度调控层进行调控，膜层厚度通过优化算法确定。
具体的，本发明附着于反射镜基底上的膜层结构的第一层(以靠近反射镜基底为第一层)金属主反射层为金属银、铝、金或铬，膜层厚度在100nm-200nm之间；第二层为间隔层三氧化二铝，厚度在8nm-30nm之间；第三层为反射率调控层金属铬，厚度在10nm-80nm之间；从第四层开始的介质层为光谱平坦度调控层，包括低折射率材料(L)和高折射率材料(H)；低折射率材料为二氧化硅，高折射率材料可选二氧化钛、五氧化二钽、五氧化三钛、三氧化二钛或五氧化二铌薄膜材料。光谱平坦度调控层的排布顺序LHLHLH…LH，随着反射率数值大小不同，膜层数和膜层厚度会有相应变化。反射率增大时，反射率调控层金属铬的厚度会增加，光谱平坦度调控层中的低折射率材料和高折射率材料层数增多，膜层结构如附图4所示。
本发明在保持膜层排列顺序不变的情况下，可将实际需求的低反射率数值作为优化的目标，利用商业薄膜设计软件Maceold等进行膜层厚度优化。
实施例1：
本发明利用普通薄膜材料实现450nm-900nm宽光谱范围内低反射和透过，本实施例所制备的反射镜在450nm～900nm谱段的平均反射率60％左右，透过率小于0.1％。具体实施方法如下：
材料可以根据实际条件进行选取。本实施例中：
反射镜基底为K9玻璃，反射镜基底上的膜系结构为Cr/Al2O3/Cr/SiO2/TiO2(空气侧)，其中，各层厚度分别为：150nm、22.9nm、10nm、85.4nm和65.2nm。
入射介质为空气折射率n＝1.0，入射角在10度时，在450nm-900nm的波长范围内的反射光谱和投射光谱如图5和图6所示，本实施例所制备的反射镜平均反射率60％左右，透过率小于0.1％。
本实施例反射镜的制备方法如下：
(1)利用电子束蒸发、离子辅助镀膜方式进行镀制，将镀膜机真空抽至8×10-4Pa，开始膜层镀制；
(2)利用热蒸发方法，调整阻蒸电流使蒸发速率为0.5-1.0nm/s，镀制第一层厚度为150nm的金属Cr；
(3)利用电子束蒸发方法，调整电子枪灯丝电流，使蒸发速率为1.0-1.5nm/s，镀制第二层厚度为22.9nm的Al2O3；
(4)利用热蒸发方法，调整阻蒸电流使蒸发速率为0.5-1nm/s，镀制第三层厚度为10nm的金属Cr；
(5)启动离子源，将离子源阳极电压设定为250V、电流为5A；
(6)压强设定为1.2×10-2Pa，利用电子束蒸发方法镀制第四层厚度为85.4nm的SiO2，蒸发速率为2-4nm/s；
(7)压强设定为1.5×10-2Pa，利用电子束蒸发方法镀制第五层厚度为65.2nm的TiO2，蒸发速率为1-2nm/s；
(8)自然降温到30℃以下，取出样品，并进行光谱测试。
实施例2：
本发明利用普通薄膜材料实现450nm-900nm宽光谱范围内低反射和透过，本实施例所制备的反射镜在450nm～900nm谱段的平均反射率80％左右，透过率小于0.1％。具体实施方法如下：
材料可以根据实际条件进行选取。本实施例中：
反射镜基底为微晶玻璃，反射镜基底上的膜系结构为Al/Al2O3/Cr/SiO2/TiO2/SiO2(空气侧)，其中，各层厚度分别为：180nm、10nm、11.5nm、59nm、71nm和15nm。
入射介质为空气折射率n＝1.0，入射角在20度时，在450nm-900nm的波长范围内的反射光谱和投射光谱如图7和图8所示，本实施例所制备的反射镜平均反射率80％左右和透过率小于0.1％。
实施例3：
本实施例所制备的反射镜在450nm～900nm谱段的平均反射率40％左右，透过率小于0.1％。具体实施方法如下：
材料可以根据实际条件进行选取。本实施例中：
反射镜基底为改性碳化硅，反射镜基底上的膜系结构为Ag/Al2O3/Cr/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2(空气侧)，其中，各层厚度分别为：180nm、11.5nm、14.5nm、14nm、43.9nm、47nm和11.9nm。
入射介质为空气折射率n＝1.0，入射角在30度时，在450nm-900nm的波长范围内的反射光谱和投射光谱如图9和图10所示，本实施例所制备的反射镜平均反射率40％左右和透过率小于0.1％。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，包括反射镜基底，以及在反射镜基底上依次附着的金属主反射层，间隔层，反射率调控层和光谱平坦度调控层；
金属主反射层为铝，银，金或铬；
间隔层为Al2O3；
反射率调控层为铬，反射率调控层的厚度小于等于80nm；
光谱平坦度调控层包含交替排布的低折射率层和高折射率层；所述低折射率层的折射率为1.40～1.47，所述高折射率层的折射率为1.9～2.4；
所述反射镜对波长为450nm～900nm的入射光的反射率在30％～80％之间，透过率小于0.1％。
2.根据权利要求1所述的一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，所述金属主反射层的厚度为100nm～200nm；
所述间隔层的厚度为8nm～30nm。
3.根据权利要求1所述的一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，所述光谱平坦度调控层中，低折射率层的材料为二氧化硅，高折射率层的材料为二氧化钛，五氧化二钽，五氧化三钛，三氧化二钛或五氧化二铌中的一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，所述光谱平坦度调控层包含≥1层低折射率层和≥1层高折射率层；所述低折射率层直接附着于反射率调控层上。
5.根据权利要求1所述的一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，所述低折射率层的厚度为10nm～100nm，高折射率层的厚度为9nm～90nm。
6.根据权利要求1所述的一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，所述金属主反射层厚度大于金属主反射层所用金属的穿透深度。
7.根据权利要求1所述的一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，所述反射镜基底为K9玻璃，ULE玻璃，微晶玻璃，碳化硅或改性碳化硅；
所述改性碳化硅为表面沉积一层至少10微米硅并经过抛光后的碳化硅。
8.根据权利要求1所述的一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，所述金属主反射层采用热蒸发法镀制，间隔层采用电子束蒸发法镀制，反射率调控层采用热蒸发法镀制，光谱平坦度调控层采用电子束蒸发法镀制。
9.根据权利要求8所述的一种宽谱段低透过率、低反射率反射镜，其特征在于，采用热蒸发法镀制金属主反射层和反射率调控层时，蒸发速率为0.5～1nm/s；采用电子束蒸发法镀制间隔层时，蒸发速率为1.0～1.5nm/s；采用电子束蒸发法镀制光谱平坦度调控层中的低折射率层时，蒸发速率为2～4nm/s，采用电子束蒸发法镀制光谱平坦度调控层中的高折射率层时，蒸发速率为1～2nm/s。
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