CN105824061A - 一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构 - Google Patents

一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，减反射高强度保护膜系由四个膜层叠加构成，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在氟化镁基片的表面上，膜层厚度18～24nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度495～503nm，并镀制在第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度112～120nm，并镀制在第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层，膜层厚度498～502nm，并镀制在第三膜层上。本发明采用多层粘接层技术，解决了DLC高强度保护膜与氟化镁基底之间的应力匹配问题，整个薄膜系统和氟化镁基底结合牢固，同时多层粘接层与DLC膜构成多层减反射膜系，有效降低了由于基底和DLC保护膜的折射率不匹配而引起的表面反射损失。

Description

一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体为一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，用于高速运动平台的光学窗口。
背景技术
氟化镁在中波红外区域具有良好透过性能，其热膨胀系数小，导热率高，耐高温，抗热冲击性能优异；即使在300℃的高温下，其红外透过性能仍几乎和室温时的一致；表面反射只有2.5％左右，即使不镀减反射膜也会有很高的透过率。氟化镁具有如此多的优点，成为较早用做高速飞行器窗口和整流罩的材料之一，其在国内外的研究与应用已近50年，目前仍是使用最为广泛的中波红外窗口和整流罩材料。但氟化镁用作光学窗口也有一定的局限性：(1)氟化镁材料属于脆性材料，机械强度低、易划伤、抗腐蚀能力和抗潮性能低，所以窗口的抗恶劣环境能力较差，尤其在抗砂尘冲击方面；(2)为了提高热压氟化镁窗口对恶劣环境的适应能力，必须在其外表面镀制能够抵抗雨蚀、沙蚀冲击的高强保护膜，但氟化镁基底与绝大多数常用薄膜材料的结合较差，膜层极易出现龟裂和脱膜。
对氟化镁基底的保护膜膜系结构，已有文献作了报道。据查新，付秀华等在2006年第12期《激光与红外》期刊1162～1164页发表了题为“红外增透与保护膜技术的研究”的论文，该论文公开了作者利用TiO2和SiO2两种材料构成的多层红外增透与保护膜，在氟化镁基底上实现了3.5μm～4.9μm范围内的红外增透，使单面剩余反射率由2.5％减少到1.2％，并能承受湿热和淋雨测试。由于膜系最外层采用了SiO2材料，虽然在一定程度上提高了氟化镁基底的强度，但由于SiO2材料本身硬度的局限，保护膜不能具备承受高速砂尘冲击的能力，所以膜层并不适用于高速运动平台的光学窗口，因为高速运动平台的光电系统处于恶劣工作环境中，对膜层的牢固度、强度、环境适应性要求很高，申请人对上述膜层以及目前公开的普通膜层按照国军标进行试验，均无法满足要求。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，采用多层粘接层技术，解决了DLC(类金刚石膜)高强度保护膜与氟化镁基底之间的应力匹配问题，整个薄膜系统和氟化镁基底结合牢固，同时多层粘接层与DLC膜构成多层减反射膜系，有效降低了由于基底和DLC保护膜的折射率不匹配而引起的表面反射损失。该膜系结构膜层牢固，可以大幅提高氟化镁的表面强度，提高氟化镁光学窗口对恶劣环境的适应能力，提高窗口抵抗雨滴、砂尘等高速冲击的能力，能通过吹尘、淋雨、风洞、高低温存储、湿热、摩擦、附着力等试验，实现3μm～5μm中波红外波段剩余平均反射率小于2.95％，从而提高高速作战平台光电系统的可靠性，降低光学窗口的更换频率。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，其特征在于：包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，所述减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述氟化镁基片的表面上，膜层厚度18～24nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度495～503nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度112～120nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层，膜层厚度498～502nm，并镀制在所述第三膜层上。
有益效果
随着现代先进光电系统的飞速发展，其作用距离越来越远，作用精度也越来越高。同时，为了保证高速运动平台光电系统在恶劣环境下的工作能力，其对环境适应性要求也越来越苛刻。而且高速运动平台的可靠性与作用距离及作用精度同样重要，尤其红外光电系统，这一需求显得更为突出。氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，通过高强度保护层技术，解决氟化镁窗口的软肋问题，提高了窗口抵抗雨蚀、吹尘等极端环境的能力，扩大氟化镁窗口在高速运动平台上的应用范围；采用多层粘接层技术，提高了保护层与基底结合的牢固度，使粘接层与保护层构成多层减反射膜系结构，有效降低了由于保护层引起的窗口表面的反射损失。主要应用于高速运动平台，对窗口内部的光学器件起到保护作用，并对工作光波高效透过，从而提高光学系统的寿命，并直接影响到光学系统的作用距离及作用精度。
由于膜层主要用于处于恶劣工作环境下的光学窗口上，所以对膜层的牢固度、强度、环境适应性要求较高，本发明采用强度非常高的DLC作为保护膜层，目前已通过《MIL-STD-810F》中510.4的9小时吹尘试验，《GJB150.8A-2009军用装备实验室环境试验方法》第8部分30min淋雨试验，2分钟1.5马赫的风洞试验，《GJB2485-95》中第3部分的高低温存储试验、湿热试验、摩擦试验、附着力试验等，抗战场恶劣环境能力极强。实现了3μm～5μm光谱区的剩余平均反射率小于2.95％。
附图说明
图1是本发明氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构示意图。
图2是本发明实施例1的反射率曲线。
图3是本发明实施例2的反射率曲线。
图4是本发明实施例3的反射率曲线。
图5是本发明实施例4的反射率曲线。
图6是本发明实施例5的反射率曲线。
具体实施方式
本发明提出的氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，所述减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层交替叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述氟化镁基片的表面上，膜层厚度18～24nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度495～503nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度112～120nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜膜层，膜层厚度498～502nm，并镀制在所述第三膜层上。
该膜系结构主要应用于高速运动平台，对窗口内部的光学器件起到保护作用，并对工作光波高效透过，从而提高光学系统的寿命，并直接影响到光学系统的作用距离及作用精度。目前已通过《MIL-STD-810F》中510.4的9小时吹尘试验，《GJB150.8A-2009军用装备实验室环境试验方法》第8部分30min淋雨试验，2分钟1.5马赫的风洞试验，《GJB2485-95》中第3部分的高低温存储试验、湿热试验、摩擦试验、附着力试验等，抗战场恶劣环境能力极强。实现了3μm～5μm光谱区的剩余平均反射率小于2.95％。
下面结合具体实施例描述本发明：
实施例1：透明基片采用氟化镁基片，减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述氟化镁基片的表面上，膜层厚度19nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度503nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度112nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层(DLC)，膜层厚度502nm，并镀制在所述第三膜层上。
经测试获得该膜层在3μm～5μm的平均反射率曲线(参见图2)，其平均反射率小于2.944％；并通过吹尘、淋雨、风洞、高低温存储、湿热、摩擦、附着力等试验。
实施例2：透明基片采用氟化镁基片，减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层交替叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述氟化镁基片的表面上，膜层厚度18nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度496nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度114nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层(DLC)，膜层厚度500nm，并镀制在所述第三膜层上。
经测试获得该膜层在3μm～5μm的平均反射率曲线(参见图3)，其平均反射率小于2.899％；并通过吹尘、淋雨、风洞、高低温存储、湿热、摩擦、附着力等试验。
实施例3：透明基片采用氟化镁基片，减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述氟化镁基片的表面上，膜层厚度24nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度503nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度120nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层(DLC)，膜层厚度502nm，并镀制在所述第三膜层上。
经测试获得该膜层在3μm～5μm的平均反射率曲线(参见图4)，其平均反射率小于2.89％；并通过吹尘、淋雨、风洞、高低温存储、湿热、摩擦、附着力等试验。
实施例4：透明基片采用氟化镁基片，减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述氟化镁基片的表面上，膜层厚度18nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度495nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度112nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层(DLC)，膜层厚度498nm，并镀制在所述第三膜层上。
经测试获得该膜层在3μm～5μm的平均反射率曲线(参见图5)，其平均反射率小于2.933％；并通过吹尘、淋雨、风洞、高低温存储、湿热、摩擦、附着力等试验。
实施例5：透明基片采用氟化镁基片，减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述氟化镁基片的表面上，膜层厚度22nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度501nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度118nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层(DLC)，膜层厚度502nm，并镀制在所述第三膜层上。
经测试获得该膜层在3μm～5μm的平均反射率曲线(参见图6)，其平均反射率小于2.890％；并通过吹尘、淋雨、风洞、高低温存储、湿热、摩擦、附着力等试验。

Claims (6)

1.一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，其特征在于：包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，所述减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述中波红外透明基片的表面上，膜层厚度18～24nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度495～503nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度112～120nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层，膜层厚度498～502nm，并镀制在所述第三膜层上。
2.根据权利要求1所述一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，其特征在于：包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，所述减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述中波红外透明基片的表面上，膜层厚度19nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度503nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度112nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层，膜层厚度502nm，并镀制在所述第三膜层上。
3.根据权利要求1所述一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，其特征在于：包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，所述减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述中波红外透明基片的表面上，膜层厚度18nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度496nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度114nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层，膜层厚度500nm，并镀制在所述第三膜层上。
4.根据权利要求1所述一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，其特征在于：包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，所述减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述中波红外透明基片的表面上，膜层厚度24nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度503nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度120nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层，膜层厚度502nm，并镀制在所述第三膜层上。
5.根据权利要求1所述一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，其特征在于：包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，所述减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述中波红外透明基片的表面上，膜层厚度18nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度495nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度112nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层，膜层厚度498nm，并镀制在所述第三膜层上。
6.根据权利要求1一种氟化镁中波红外光学窗口高强度保护膜的膜系结构，其特征在于：包括氟化镁基片和减反射高强度保护膜系，所述减反射高强度保护膜系由四种薄膜材料制备的四个膜层叠加构成，其中，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述中波红外透明基片的表面上，膜层厚度22nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度501nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为锗膜层，膜层厚度118nm，并镀制在所述第二膜层上；第四膜层为类金刚石膜层，膜层厚度502nm，并镀制在所述第三膜层上。
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