CN103018797A - 一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构及其制备方法 - Google Patents

一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构及其制备方法。本发明膜系结构从内到外由12层膜组成，采用金属与介质膜料SiO、Al、YbF3和ZnS四种膜料组合的膜系结构。本发明的膜系综合了金属反射膜反射带宽，介质反射膜反射率高的特点，膜系对7μm～11μm波段反射率大于95%，对1.064μm反射率大于99%，镀制此类膜系的光学器件可用于激光、红外共光路光学系统的仪器，具有对两波段光高反射率的特点，同时具有较高的激光损伤阈值，对提高光学仪器性能、减小仪器的重量及体积具有重要意义。

Description

一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构及其制备方法
技术领域
本发明属于光学薄膜制造技术，涉及一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构，同时还涉及一种该膜系结构的制备方法。
背景技术
激光具有单色性好、干涉性好、亮度及方向性高等到特点，越来越多地被应用在军事装备和民用领域。激光、红外双波段高反射膜应用于激光、红外“二光合一”的光学系统，普通的双波段反射膜为金属膜，其缺点是激光波段反射率低，激光损伤阈值差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高膜层在激光波段的反射率与损伤阈值的用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构。
同时，本发明的目的还在于提供一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构，该膜系从里到外由12层膜组成，采用四种膜料，为周期性对称膜系结构，其厚度为第一层SiO膜，光学厚度60nm；第二层铝膜，光学厚度200nm；第三层YbF3膜，光学厚度293nm；第四层ZnS膜，光学厚度293nm；自第五层膜起，重复镀制YbF3膜和ZnS膜;3～12层膜的所有奇数层膜料与膜层的光学厚度均相同，所有偶数层膜料与膜层的光学厚度均相同。
同时，本发明的技术方案还采用了一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构的制备方法，包括以下步骤:
（1）清洁被镀零件；
（2）烘烤基底，将被镀零件夹持在夹具上，抽真空到1×10-2Pa时，加热基底到140℃～160℃，保温时间1～2小时；
（3）镀制SiO膜,对SiO膜料进行蒸镀，蒸镀时真空度为1×10-2Pa～2×10-2Pa，蒸发速率为0.8nm/S～0.9nm/S，晶体控制的膜层厚度为35nm～40nm；
（4）镀制Al膜,Al膜料在真空度为7×10-4Pa～1×10-3Pa，蒸发速率为3nm/S～4nm/S的条件下进行蒸镀，晶体控制的膜层厚度为180nm～200nm；
（5）镀制YbF3膜，YbF3膜料在真空度为8×10-4Pa～1×10-3Pa，蒸发速率为0.7nm/S～0.8nm/S的条件下进行蒸镀，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm；
（6）镀制ZnS膜，ZnS膜料在真空度为8×10-4Pa～1×10-3Pa，蒸发速率为0.7nm/S～0.8nm/S的条件下进行蒸镀，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm；
（7）重复步骤（5）和（6），交替镀制其它所有膜层；5～12层膜中所有奇数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（5）相同，均使用1号控制片，所有偶数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（6）相同，均使用2号控制片；
（8）冷却后取出镀制好膜系的光学零件。
步骤（1）为使用超声波和/或清洁剂对光学零件上镀膜的基底进行清洁处理。
所述的基底为锗。
本发明的制备膜层原理为：在真空室的高真空气氛中，电子枪产生的高能量电子束、电阻蒸发源高功率将被镀膜料加热到蒸发状态，蒸发出的膜料朝真空室内各个方向飞溅。飞溅到被镀零件表面时，因温度降低而附着，不断附着的膜料分子逐渐形成薄膜，随着淀积时间的增加，膜层不断加厚，当达到所要求的理想膜厚时，停止蒸镀。膜层的厚度由光学膜厚控制仪控制。镀膜过程中，被镀零件随夹具转动，以保证零件各部位厚度相一致。
采用本发明的方法具有以下优点：（1）激光波段反射率高；（2）激光损伤阈值高；（3）保证远红外波段具有较高的反射率，为共光路系统提供反射元件；（4）膜系结构的膜层牢固度好。本发明的膜系综合了金属反射膜反射带宽，介质反射膜反射率高的特点，膜系对7μm～11μm波段反射率大于95%，对1.064μm反射率大于99%，镀制此类膜系的光学器件可用于激光、红外共光路光学系统的仪器，具有对两波段光高反射率的特点，同时具有较高的激光损伤阈值，对提高光学仪器性能、减小仪器的重量及体积具有重要意义。适合应用于大功率激光系统中，同时膜层具有硬度高的优点。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
膜系结构实施例1
本实施例的膜系结构为四种膜料组成的12层膜系结构；第一层SiO膜，光学厚度60nm；第二层铝膜，光学厚度200nm；第三层YbF3膜，光学厚度293nm；第四层ZnS膜，光学厚度293nm；如此重复镀制，3～12层膜所有奇数层膜料与膜层的光学厚度均相同，所有偶数层膜料与膜层的光学厚度均相同。
镀制膜层对设备配置要求：
所用设备需配置E型电子束蒸发源、三个电阻蒸发源、光学膜厚控制仪、石英晶体膜厚控制装置、离子束辅助装置、加热烘烤装置。
1、准备，
1)清洁真空室、镀膜夹具、蒸发源挡板及离子源等；
2)将Al膜料装填至带有石墨坩埚的电子枪坩埚内，SiO、YbF3、ZnS分别装入钼蒸发舟内；
3)更换石英晶体片和光控玻璃片；
4)编制并调试镀膜程序。
2、清洁零件，
1)用氧化铈抛光粉复新零件表面；
2)用脱脂棉蘸醇醚混合液将零件表面清洁干净；
3)装入专用工装夹具并尽可能快地装入真空室内。
3、镀制膜层：
关闭真空室门、起动镀膜程序开始镀膜，工艺过程如下：
（1）抽气、烘烤基底，将被镀零件放置入真空室内，抽真空到真空度1.6×10-3Pa时，加热基底到150℃，保温保压时间1小时,启动离子源；基底为锗。
（2）镀制SiO膜,SiO膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度2×10-2Pa，蒸发速率为0.8nm/S，晶体控制的膜层厚度为40nm；
（3）镀制Al膜,Al膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度为9×10-4Pa，蒸发速率为4nm/S，晶体控制的膜层厚度为200nm；
（4）镀制YbF3膜，YbF2膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度1×10-3Pa，蒸发速率为0.7nm/S，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm，1号控制片；
（5）镀制ZnS膜，ZnS膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度1×10-3Pa，蒸发速率为0.7nm/S，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm，2号控制片；
（6）重复步骤（4）和（5），交替镀制其它所有膜层。5～12层膜中所有奇数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（4）相同，均使用1号控制片，所有偶数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（5）相同，均使用2号控制片；
（7）冷却后取出镀制好膜系的光学零件。
实施例2
1、准备
1)清洁真空室、镀膜夹具、蒸发源挡板及离子源等；
2)将Al膜料装填至带有石墨坩埚的电子枪坩埚内，SiO、YbF3、ZnS分别装入钼蒸发舟内；
3)更换石英晶体片和光控玻璃片；
4)编制并调试镀膜程序。
2、清洁零件
1)用氧化铈抛光粉复新零件表面；
2)用脱脂棉蘸醇醚混合液将零件表面清洁干净；
3)装入专用工装夹具并尽可能快地装入真空室内。
3、镀制膜层
关闭真空室门、起动镀膜程序开始镀膜，工艺过程如下：
（1）抽气、烘烤基底，将被镀零件放置入真空室内，抽真空到真空度1.6×10-3Pa时，加热基底到140℃，保温保压时间2小时,启动离子源；
（2）镀制SiO膜,SiO膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度1×10-2Pa，蒸发速率为0.7nm/S，晶体控制的膜层厚度为38nm；
（3）镀制Al膜,Al膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度为9×10-4Pa，蒸发速率为3nm/S，晶体控制的膜层厚度为190nm；
（4）镀制YbF3膜，YbF2膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度1×10-3Pa，蒸发速率为0.8nm/S，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm，1号控制片；
（5）镀制ZnS膜，ZnS膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度1×10-3Pa，蒸发速率为0.8nm/S，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm，2号控制片；
（6）重复步骤（4）和（5），交替镀制其它所有膜层。5～12层膜中所有奇数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（4）相同，均使用1号控制片，所有偶数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（5）相同，均使用2号控制片；
（7）冷却后取出镀制好膜系的光学零件。
实施例3
1、准备
1)清洁真空室、镀膜夹具、蒸发源挡板及离子源等；
2)将Al膜料装填至带有石墨坩埚的电子枪坩埚内，SiO、YbF3、ZnS分别装入钼蒸发舟内；
3)更换石英晶体片和光控玻璃片；
4)编制并调试镀膜程序。
2、清洁零件
1)用氧化铈抛光粉复新零件表面；
2)用脱脂棉蘸醇醚混合液将零件表面清洁干净；
3)装入专用工装夹具并尽可能快地装入真空室内。
3、镀制膜层
关闭真空室门、起动镀膜程序开始镀膜，工艺过程如下：
（1）抽气、烘烤基底，将被镀零件放置入真空室内，抽真空到真空度1.2×10-3Pa时，加热基底到140℃，保温保压时间2小时,启动离子源；
（2）镀制SiO膜,SiO膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度1×10-2Pa，蒸发速率为0.7nm/S，晶体控制的膜层厚度为38nm；
（3）镀制Al膜,Al膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度为8×10-4Pa，蒸发速率为4nm/S，晶体控制的膜层厚度为200nm；
（4）镀制YbF3膜，YbF2膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度1.4×10-3Pa，蒸发速率为0.8nm/S，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm，1号控制片；
（5）镀制ZnS膜，ZnS膜料由电阻蒸发源进行蒸镀，蒸镀时真空度1.5×10-3Pa，蒸发速率为0.8nm/S，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm，2号控制片；
（6）重复步骤（4）和（5），交替镀制其它所有膜层。5～12层膜中所有奇数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（4）相同，均使用1号控制片，所有偶数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（5）相同，均使用2号控制片；
（7）冷却后取出镀制好膜系的光学零件。

Claims (4)

1.一种用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构，其特征在于，该膜系从里到外由12层膜组成，采用四种膜料，为周期性对称膜系结构，其厚度为第一层SiO膜，光学厚度60nm；第二层铝膜，光学厚度200nm；第三层YbF3膜，光学厚度293nm；第四层ZnS膜，光学厚度293nm；自第五层膜起，重复镀制YbF3膜和ZnS膜;3～12层膜的所有奇数层膜料与膜层的光学厚度均相同，所有偶数层膜料与膜层的光学厚度均相同。
2.一种如权利要求1所述的用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构的制备方法，其特征在于:包括以下步骤:
（1）清洁被镀零件；
（2）烘烤基底，将被镀零件夹持在夹具上，抽真空到1×10-2Pa时，加热基底到140℃～160℃，保温时间1～2小时；
（3）镀制SiO膜,对SiO膜料进行蒸镀，蒸镀时真空度为1×10-2Pa～2×10-2Pa，蒸发速率为0.8nm/S～0.9nm/S，晶体控制的膜层厚度为35nm～40nm；
（4）镀制Al膜,Al膜料在真空度为7×10-4Pa～1×10-3Pa，蒸发速率为3nm/S～4nm/S的条件下进行蒸镀，晶体控制的膜层厚度为180nm～200nm；
（5）镀制YbF3膜，YbF3膜料在真空度为8×10-4Pa～1×10-3Pa，蒸发速率为0.7nm/S～0.8nm/S的条件下进行蒸镀，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm；
（6）镀制ZnS膜，ZnS膜料在真空度为8×10-4Pa～1×10-3Pa，蒸发速率为0.7nm/S～0.8nm/S的条件下进行蒸镀，膜层由光学膜厚仪控制，控制波长1100nm；
（7）重复步骤（5）和（6），交替镀制其它所有膜层；5～12层膜中所有奇数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（5）相同，均使用1号控制片，所有偶数膜层所用膜料、工艺参数和镀制膜层的光学厚度与（6）相同，均使用2号控制片；
（8）冷却后取出镀制好膜系的光学零件。
3.根据权利要求2所述的用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构的制备方法，其特征在于:步骤（1）为使用超声波和/或清洁剂对光学零件上镀膜的基底进行清洁处理。
4.根据权利要求2所述的用于激光、红外双波段高反射膜的膜系结构的制备方法，其特征在于:所述的基底为锗。
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