CN102812386A - 光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学元件，其包括衬底基材和红外减反射膜红外抗反射膜抗红外反射红外抗反射膜。这种所述衬底基材由ZnSe制成，并且红外减反射膜所述红外抗反射膜抗红外反射红外抗反射膜形成在衬底所述基材的至少一个表面上形成。红外减反射膜所述红外抗反射膜抗红外反射红外抗反射膜包括包括包含由BaF₂制成的低折射率层、由ZnSe、ZnS或Ge制成的高折射率层和由非晶形材料性或各向异性材料制成的中间层。通过采用这种结构，可以在不使用ThF₄的情况下产生制备出具有高透射比透射率高且和小表面粗度表面粗糙度小的光学元件。

Description

光学元件

技术领域

本发明涉及一种光学元件，该光学元件包括其表面上具有红外抗反射膜的基材。

背景技术

近年来，人们积极开发出使用红外光的光学设备。特别地，8μm至14μm范围内的红外光已经受到人们的关注。因此，已经提出了多种适合于此范围内的红外光的光学元件。作为这种光学元件的实例，已知一种具有红外抗反射功能的光学元件，其包括基材（基底部件）和设置在该基材上的红外抗反射膜。所述基材由诸如ZnSe、ZnS、GaAs或Ge之类的红外透射材料形成。所述红外抗反射膜包含由氟化物（如PbF₂、BaF₂、LaF₃、CeF₃或ThF₄）制成的低折射率层和由（例如）ZnSe、ZnS、GaAs或Ge制成的高折射率层。

在用于高功率激光（如CO₂激光）的光学元件中，不能忽略吸收激光时所产生的热的影响。因此，需要减少红外抗反射膜的激光吸收率。在用于形成红外抗反射膜中的低折射率层的材料中，已知ThF₄为具有这种特征的材料。然而，由于ThF₄是一种放射性物质，因此、ThF₄存在对人体有害并且处理受到限制的问题。

为解决这个问题，专利文献1提出了一种光学元件，其包括由BaF₂制成的低折射率层和由ZnSe制成的高折射率层。

引用列表

专利文献

PTL 1：JP2002-148407A

发明内容

技术问题

采用专利文献1的结构，可以在不使用诸如ThF₄之类的放射性材料的情况下制备出激光吸收率低的光学元件。然而，在专利文献1的结构中，低折射率层仅由BaF₂制成并且高折射率层仅由ZnSe制成，与使用ThF₄的情况相比，红外抗反射膜的表面粗糙度增加。因此，光学元件的外观受到不利的影响。

鉴于上述情况完成了本发明，并且本发明的目的是提供这样一种包括这样的红外抗反射膜的光学元件，所述红外抗反射膜的激光吸收率低且外观良好，并且不含放射性材料ThF₄。

本发明的光学元件包括基材和红外抗反射膜。所述基材包含ZnSe，并且所述红外抗反射膜形成在所述基材的至少一个表面上。所述红外抗反射膜包括主要由BaF₂制成的低折射率层，由ZnSe、ZnS或Ge制成的高折射率层，和由非晶形材料或各向异性材料制成的中间层。所述光学元件的表面粗糙度Ra为小于或等于3nm。

在本发明的光学元件中，在10.6μm波长下的激光吸收率优选为小于或等于0.25%。。更优选地，在10.6μm波长下的激光吸收率为大于或等于0.18%且小于或等于0.24%。

优选地，本发明的光学元件中的中间层是由选自由镧系元素氟化物、PbF₂和YF₃组成的组中的一种或多种氟化物制成的层，或者是由包含选自由镧系元素氟化物、PbF₂和YF₃组成的组中的一种或多种氟化物以及BaF₂的固溶体制成的层。

在本发明的光学元件中，所述中间层优选形成在所述高折射率层和所述低折射率层之间、形成在所述低折射率层和所述基材之间、或者既形成在所述高折射率层和所述低折射率层之间又形成在所述低折射率层和所述基材之间。

本发明的有益效果

本发明提供了一种包括红外抗反射膜的光学元件，所述红外抗反射膜的激光吸收率低且外观良好，并且不含放射性材料ThF₄。

附图说明

图1为示出本发明的实施方案的光学元件的示意性截面图。

具体实施方式

本发明人已经研究了专利文献1中公开的光学元件的问题。结果发现，由ZnSe（为多晶体）制成的基材的表面上的晶粒的不规则性以简单的或以放大的方式传递至BaF₂层。此外，还发现BaF₂层显示出明显的结晶性。基于这些事实，本发明人推测，BaF₂层上的不规则性对光学元件的表面存在影响，并且会不利地影响该光学元件的外观。

因此，本发明人针对上述问题研究了多种对策，并且发现可以在低折射率层2的上表面或下表面上形成非晶形或各向异性红外透射层。换言之，本发明的光学元件的特征在于，除由由BaF₂制成的低折射率层2之外，还设置了非晶形或各向异性中间层4。

现参考附图对本发明的实施方案进行描述。

图1为本发明的光学元件的示意性截面图。本发明的光学元件包括由ZnSe制成的基材1以及红外抗反射膜5，该红外抗反射膜5包括：主要由BaF₂制成的低折射率层2，由ZnSe、ZnS或Ge制成的高折射率层3，以及非晶形或各向异性中间层4（其没有特定的晶体取向）。主要由BaF₂制成的层包括这样的层，该层中包含一定量的除BaF₂以外的其他材料，但是如果通过气相沉积法将该层形成在ZnSe基材上，则ZnSe基材的结晶性会传递至该层上。

多种材料可以用作中间层4的材料。优选地，中间层4由红外透射率高的氟化物（除BaF₂之外的氟化物）制成，或者由BaF₂与除BaF₂之外的其他氟化物的固溶体制成。所述氟化物可以包括两种或更多种不同的材料。氟化物当然不是ThF₄，并且优选地为镧系元素氟化物，如YbF₃或D YF₃、YF₃或PbF₂。还可以通过使用氧化物（如TiO₂）来形成非晶形层。然而，在这种情况下，难以将10.6μm波长下的吸收率设定为小于或等于0.25%。

优选将中间层4设置于低折射率层和基材之间以作为第一中间层。对中间层4的厚度没有限制，只要不发生ZnSe基材表面上的不规则性的传递即可。例如，为了将表面粗糙度Ra设定为小于或等于3nm，厚度优选为大于或等于10nm。BaF₂的激光吸收率低于其它氟化物。因此，由除BaF₂之外的其他氟化物、或者由BaF₂与除BaF₂之外的其他氟化物的固溶体制成的中间层优选尽可能薄，从而使得激光吸收率低。因此，中间层的厚度优选为小于或等于1,000nm，并且更优选为小于或等于100nm。采用这种结构，ZnSe基材的表面上的不规则性不会传递至红外抗反射膜的表面上。这样，可以使得红外抗反射膜的表面平滑。根据本发明的结构，红外抗反射膜的表面粗糙度Ra可以设定为小于或等于3nm。

可以这样形成中间层，以使其包括形成于低折射率层和基材之间的第一中间层，以及形成在高折射率层和低折射率层之间的第二中间层。在这种情况下，第一中间层的厚度优选较小，更具体而言，优选为大于或等于10nm且小于或等于100nm。当在低折射率层上额外设置中间层时，光学元件的激光吸收率可以得到控制。

现通过实施例的方式进一步描述本发明的光学元件。然而，本发明不限于这些实施例。

实施例1

利用8mm厚的ZnSe部件（其为透射性部件）作为基材1，并且在基材1的两侧表面上依次层叠由BaF₂和YF₃（BaF₂:YF₃=7:3…摩尔比）的固溶体制成的中间层4、由BaF₂制成的低折射率层2和由ZnSe制成的高折射率层3，从而形成两侧均具有红外抗反射膜5的光学元件。各层均通过电子束（EB）气相沉积形成，其中真空度为小于或等于8×10^-4Pa，并且沉积速率为0.03μm/分钟。测量该光学元件的红外线吸收率和表面粗糙度。表1显示测量结果。

利用波长为10.6μm的CO₂激光束，通过激光量热法测量红外线吸收率。使用Zygo公司生产的非接触式表面轮廓仪NewView200测量表面粗糙度。

还制备了具有其它结构的光学元件，并且以相似的方式进行评价。更具体地，提供具有如下结构的光学元件：这样一种结构，其中在位于基材1表面上的低折射率层2的两侧形成由BaF₂和YF₃（BaF₂:YF₃＝7:3）的固溶体制成的中间层4；设置了由ThF₄制成的低折射率层2的结构；以及未设置由氟化物固溶体制成的中间层4的结构。

[表1]

^*吸收率：在10.6μm波长下的值；表面粗糙度：Ra；F固溶体：氟化物固溶体

^*在基材的对侧也形成有相同的层。

从表1所示的结果中明显可知，本发明结构的性能（第1和第2号材料）与使用ThF₄的情况相同，其中在本发明的结构中，使用了BaF₂作为低折射率层2的材料。此外，与未设置中间层4的相关技术的结构相比（第4号材料），表面粗糙度和激光吸收率得以降低。

其中低折射率层的材料简单地由ThF₄变成BaF₂的样品（第4号样品）的激光吸收率与低折射率层的材料为ThF₄的样品（第3号样品）的激光吸收率不同。因此，基材的折射率变化量以及热变形量与使用ThF₄的相关技术的光学元件不同，其中热变形量是当基材因吸收激光而温度增加时所导致的。结果，焦距的位置发生移动，并且不具有与使用ThF₄的光学元件的相容性。相反，根据本发明的结构（第2号样品），设置了中间层，使得激光吸收率可以与低折射率层由ThF₄制成的光学元件相匹配。因此，与使用ThF₄的光学元件间具有相容性。可以通过改变中间层的厚度来调整激光吸收率。

实施例2

在与实施例1相同的条件下改变各层的材料和厚度，并且评价激光吸收率和表面粗糙度。表2至表6显示了评价的结果。

[表2]

^*吸收率：在10.6μm波长下的值；表面粗糙度：Ra；F固溶体：氟化物固溶体

^*在基材的对侧也形成有相同的层。

[表3]

^*吸收率：在10.6μm波长下的值；表面粗糙度：Ra；F固溶体：氟化物固溶体

^*在基材的对侧也形成有相同的层。

[表4]

^*吸收率：在10.6μm波长下的值；表面粗糙度：Ra；F固溶体：氟化物固溶体

^*在基材的对侧也形成有相同的层。

[表5]

^*吸收率：在10.6μm波长下的值；表面粗糙度：Ra；F固溶体：氟化物固溶体

^*在基材的对侧也形成有相同的层。

^*第24号材料的F固溶体的摩尔比为8∶2

[表6]

^*吸收率：在10.6μm波长下的值；表面粗糙度：Ra；F固溶体：氟化物固溶体

^*在基材的对侧也形成有相同的层。

从表2至表6所示的结果中明显可知，除BaF₂以外，还可以通过形成非晶形或各向异性中间层来获得激光吸收率低且外观良好的光学元件。在第21号样品中，仅在高折射率层和低折射率层之间形成中间层（第二中间层）。虽然此中间层的厚度相对较大，但表面粗糙度仅略微降低。因此，可以理解到，优选在低折射率层和基材之间形成中间层（第一中间层），从而降低表面粗糙度。

以上实施例仅例示了本发明，并且本发明不限于这些实施例。无需说明的是，本领域的技术人员可以在不脱离由权利要限定的本发明的技术精神的情况下，做出各种修改或改变。

工业应用性

本发明特别适合应用于用在高功率激光（如CO₂激光）的光学元件中。

参考标号列表

1由ZnSe制成的基材

2低折射率层

3高折射率层

4中间层

5红外抗反射膜

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种光学元件，包括：

基材；以及

红外抗反射膜；

其中所述基材包含ZnSe，

其中所述红外抗反射膜形成在所述基材的至少一个表面上，并且包括

主要由BaF₂制成的低折射率层，

由ZnSe、ZnS或Ge制成的高折射率层，以及

由非晶形材料或各向异性材料制成的中间层，

其中所述红外抗反射膜的表面粗糙度Ra小于或等于3nm，并且所述红外抗反射膜在10.6μm波长下的吸收率为小于或等于0.25%，并且

其中所述中间层是由选自由镧系元素氟化物、PbF₂和YF₃组成的组中的一种或多种氟化物制成的层，或者是由包含选自由镧系元素氟化物、PbF₂和YF₃组成的组中的一种或多种氟化物以及BaF₂的固溶体制成的层。

2.（删除）

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述红外抗反射膜在10.6μm波长下的吸收率为大于或等于0.18%且小于或等于0.24%。

4.（删除）

5.根据权利要求1或3所述的光学元件，其中所述中间层包括形成在所述低折射率层和所述基材之间的第一中间层。

6.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述第一中间层的厚度为大于或等于10nm。

7.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述第一中间层的厚度为小于或等于1,000nm。

8.根据权利要求7所述的光学元件，其中所述中间层还包括形成在所述高折射率层和所述低折射率层之间的第二中间层，并且其中所述第一中间层的厚度为大于或等于10nm且小于或等于1,000nm。

Claims (8)

1.一种光学元件，其包括：

基材；以及

红外抗反射膜；

其中所述基材包含ZnSe，

其中所述红外抗反射膜形成在所述基材的至少一个表面上，并且包括

主要由BaF₂制成的低折射率层，

由ZnSe、ZnS或Ge制成的高折射率层，以及

由非晶形材料或各向异性材料制成的中间层，

其中所述红外抗反射膜的表面粗糙度Ra小于或等于3nm。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述红外抗反射膜在10.6μm波长下的吸收率为小于或等于0.25%。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中所述红外抗反射膜在10.6μm波长下的吸收率为大于或等于0.18%且小于或等于0.24%。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其中所述中间层是由选自由镧系元素氟化物、PbF₂和YF₃组成的组中的一种或多种氟化物制成的层，或者是由包含选自由镧系元素氟化物、PbF₂和YF₃组成的组中的一种或多种氟化物和BaF₂的固溶体制成的层。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其中所述中间层包括形成在所述低折射率层和所述基材之间的第一中间层。

6.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述第一中间层的厚度为大于或等于10nm。

7.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述第一中间层的厚度为小于或等于1,000nm。

8.根据权利要求7所述的光学元件，其中所述中间层还包括形成在所述高折射率层和所述低折射率层之间的第二中间层，并且其中所述第一中间层的厚度为大于或等于10nm且小于或等于1,000nm。

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