CN105824119B - 一种超高反射率光学扫描振镜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高反射率光学扫描振镜，所述的光学扫描振镜由玻璃基材层及沉积镀制在玻璃基材层上的高反膜组成；所述的高反膜由9层膜层组成，9层膜层依照距离玻璃基材层从近至远的顺序依次为：第一Al2O3膜层、Ag膜层、第二Al2O3膜层、第一SiO2膜层、第一高折射率材料膜层、第二SiO2膜层、第二高折射率材料膜层、第三SiO2膜层、第三高折射率材料膜层。本发明的有益效果是：在减少镀膜层数的同时大大增加反射带带宽和谐振角度，反射率大于99％的反射带宽达300nm，且有效谐振角度可达0‑80°。

Description

一种超高反射率光学扫描振镜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超高反射率光学扫描振镜，尤其涉及一种反射带宽大、谐振角度大、偏振效应小且耐腐蚀的扫描振镜。
背景技术
扫描振镜是一种优良的矢量扫描器件，它配有两个反射镜(扫描镜)，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X轴和Y轴扫描，达到激光束的偏转，使具有一定功率密谋的激光聚集点在材料上进行标记。目前多数厂家生产的扫描振镜的外形是圆形、方形或异形，而且它们的重量大会影响到系统的扫描速度和重复定位精度。现有的扫描振镜通常是镀金膜加SiO2保护，由于金质软容易划伤，且其附着力差，镀膜成本较高。现有的介质膜反射镜的反射率高、附着力好，但它反射带宽较窄，对于单波长激光而言，45度入射时反射带只有120nm，谐振角度只能达到正负10度，而且因其偏振效应会改变激光光斑的形状，影响振镜质量。
发明内容
本发明解决了现有技术存在的上述缺陷，提供一种超高反射率光学扫描振镜，它使用Ag膜加多层介质膜，不仅可以降低镀膜层数，而且可以提高反射率和反射带宽，谐振角度可达0-80°，此外，还可以提高膜层附着力、加强耐腐蚀性，提升镀膜效益；本发明还通过进一步改进，使该振镜为八角或椭圆结构，从而有助于减轻反射镜质量，进而提高振镜的平整性。
本发明的技术方案如下：
一种超高反射率光学扫描振镜，所述的光学扫描振镜由玻璃基材层及沉积镀制在玻璃基材层上的高反膜组成；
所述的高反膜由9层膜层组成，9层膜层依照距离玻璃基材层从近至远的顺序依次为：厚度为98-100nm的第一Al2O3膜层、厚度为100-120nm的Ag膜层、厚度为12-15nm的第二Al2O3膜层、厚度为118-120nm的第一SiO2膜层、厚度为105-108nm的第一高折射率材料膜层、厚度为135-138nm的第二SiO2膜层、厚度为105-108nm的第二高折射率材料膜层、厚度为135-138nm的第三SiO2膜层、厚度为105-108nm的第三高折射率材料膜层。
所述的第一高折射率材料膜层(25)、第二高折射率材料膜层(27)和第三高折射率材料膜层(29)均由折射率范围为1.9～2.4的高折射率材料制成。
进一步地，所述的高折射率材料为Nb2O5、TiO2、Ta2O5或ZrO2。
进一步地，为了减轻反射镜质量，提高振镜的平整性，所述的玻璃基材层的外形是椭圆或八角形状。
进一步地，所述的玻璃基材层是熔石英FS或K9玻璃。
一种超高反射率光学扫描振镜的制备方法，包括步骤如下：
(一)准备玻璃基材层；
(二)选择Al2O3、Ag、SiO2和高折射率材料作为镀膜材料；
(三)清洗玻璃基材层：对玻璃基材层进行超声波清洗，然后烘干；
(四)使用霍尔离子源对清洗后的玻璃基材层刻蚀10-15分钟；
(五)使用离子源辅助电子束蒸发法在经过步骤(四)处理的玻璃基材层表面沉积镀制第一Al2O3膜层；
(六)使用离子源辅助阻蒸加热法在第一Al2O3膜层上沉积镀制Ag膜层，然后使用离子源辅助电子束蒸发法在Ag膜层上沉积镀制第二Al2O3膜层；
(七)使用离子源辅助沉积电子束蒸发法依照距离玻璃基材层从近至远依次交替沉积第一SiO2膜层、第一高折射率材料膜层、第二SiO2膜层、第二高折射率材料膜层、第三SiO2膜层和第三高折射率材料膜层。
进一步地，选择熔石英FS或K9玻璃作为玻璃基材层，然后将玻璃基材层使用数控车床(CNC)仿形成椭圆或八角形状，之后抛光。
进一步的，为了确保反射光斑不变形，所述的玻璃基材层为轴对称的椭圆形或八角形状，抛光后的光洁度达到美军标的40/20，面型小于λ/5。
进一步的，在步骤(五)沉积镀制第一Al2O3前需用霍尔离子源对玻璃基材层刻蚀10-15分钟，且镀前保持本底真空度低于2*10-3Pa，沉积温度为100-120℃，恒温10-20分钟；采用霍尔离子源刻蚀玻璃基材层时采用纯度为99.99％的氩气作为反应气体，氩气流量为5-15SCCM，阳极电压为200-240V，电流为4-6A；
沉积镀制第一Al2O3膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
进一步地，在步骤(六)沉积镀制Ag膜层前，对Ag膜料充分预熔，Ag膜料充分预熔的步骤如下：将加热电流升至145-150A，维持55-60秒；然后提到200-210A，维持110-120秒；之后提高到250-260A，维持55-60秒；最后提到290-300A，维持15-20秒；
充分预熔Ag膜料后，进行沉积镀制Ag膜层，控制沉积速率为1.5-2nm/S，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A；
为了防止Ag膜层被氧化，镀完Ag膜层后，在Ag膜层上沉积镀制第二Al2O3膜层，沉积镀制第二Al2O3膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
进一步地，为了让抽气系统抽走腔体内残留的Ag颗粒分子，在步骤(六)沉积镀制第二Al2O3膜层后静置10-15分钟。
进一步地，在步骤(七)的过程中，沉积镀制SiO2膜层时控制沉积速率为0.5-0.8nm/s，气体为纯度为99.99％的氧气，流量为5-10SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
在沉积镀制高折射率材料膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，气体为纯度为99.99％的氧气，流量为15-25SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、选用Ag加多层介质膜，与介质膜相比，在减少镀膜层数的同时大大增加反射带带宽和谐振角度，反射率大于99％的反射带宽达300nm，且有效谐振角度可达0-80°。
2、本发明选用轴对称的椭圆或八角形状的反射镜，有效降低重量，提高平整性；反射镜的面型小于λ/5，有效减少激光光斑变形。
3、反射带中的P光和S光偏振效应小，反射的激光光斑不易变形。
4、全过程使用离子源刻蚀和辅助，提高膜层附着力和致密性，靠近基底镀有一层较厚的Al2O3膜层，有效隔绝基片抛光残留物对Ag层的氧化。
5、Ag层镀完保护膜Al2O3后静置10-15分钟，有效降低Ag颗粒分子附着在膜层外表面，减少硫化和氧化效应，降低外界的腐蚀。
6、本发明在国产设备即可实施，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明高反射率光学扫描振镜的截面外形示意图；
图2是本发明高反射率光学扫描振镜膜层结构示意图；
图3是本发明高反射率光学扫描振镜45°入射反射率光谱图；
图4是本发明高反射率光学扫描振镜80°入射反射率光谱图。
其中，附图标记说明如下：1-玻璃基材层，2-高反膜，21-第一Al2O3膜层，22-Ag膜层，23-第二Al2O3膜层，24-第一SiO2膜层，25-第一Nb2O5膜层，26-第二SiO2膜层，27-第二Nb2O5膜层，28-第三SiO2膜层，29-第三Nb2O5膜层。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明
如图1所示，本发明高反射率光学扫描振镜的截面外形示意图，本发明振镜的截面外形可以是具有轴对称结构的椭圆形或者八角形。
如图2所示，一种超高反射率光学扫描振镜，所述的光学扫描振镜由玻璃基材层及沉积镀制在玻璃基材层上的高反膜组成；
以下的Nb2O5膜层也可以替换成TiO2、Ta2O5或ZrO2。
所述的高反膜由9层膜层组成，9层膜层依照距离玻璃基材层从近至远的顺序依次为：厚度为98-100nm的第一Al2O3膜层21、厚度为100-120nm的Ag膜层22、厚度为12-15nm的第二Al2O3膜层23、厚度为118-120nm的第一SiO2膜层24、厚度为105-108nm的第一Nb2O5膜层25、厚度为135-138nm的第二SiO2膜层26、厚度为105-108nm的第二Nb2O5膜层27、厚度为135-138nm的第三SiO2膜层28、厚度为105-108nm的第三Nb2O5膜层29。
所述的玻璃基材层的横截面是椭圆或八角形状。
所述的玻璃基材层是熔石英FS或K9玻璃。
制备上述扫描振镜的制备方法，它包括步骤如下：
(一)准备玻璃基材层；
(二)选择Al2O3、Ag、SiO2和Nb2O5作为镀膜材料；
(三)清洗玻璃基材层：对玻璃基材层进行超声波清洗，然后烘干；
(四)使用霍尔离子源对清洗后的玻璃基材层刻蚀10-15分钟；
(五)使用离子源辅助电子束蒸发法在经过步骤(四)处理的玻璃基材层表面沉积镀制第一Al2O3膜层；
(六)使用离子源辅助阻蒸加热法在第一Al2O3膜层上沉积镀制Ag膜层，然后使用离子源辅助沉积电子束蒸发法在Ag膜层上沉积镀制第二Al2O3膜层，静置10-15分钟；
(七)使用离子源辅助沉积电子束蒸发法依照距离玻璃基材层从近至远依次交替沉积第一SiO2膜层、第一Nb2O5膜层、第二SiO2膜层、第二Nb2O5膜层、第三SiO2膜层和第三Nb2O5膜层。
在步骤(一)准备玻璃基材层时，选择熔石英FS或K9玻璃作为玻璃基材层，然后将玻璃基材层使用CNC仿形成截面为椭圆或八角形状的，之后抛光。
抛光后的光洁度为美军标的40/20，面型小于λ/5。
在步骤(五)沉积镀制Al2O3前需用霍尔离子源对基底膜层刻蚀10-15分钟，且镀前保持本底真空度低于2*10-3Pa，沉积温度为100-120℃，恒温10-20分钟；采用霍尔离子源刻蚀基底膜层时采用纯度为99.99％的氩气作为反应气体，氩气流量为5-15SCCM，阳极电压为200-240V，电流为4-6A；
沉积镀制Al2O3膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
在步骤(六)沉积镀制Ag膜层前，对Ag膜料充分预熔，Ag膜料充分预熔的步骤如下：将加热电流升至145-150A，维持55-60秒；然后提到200-210A，维持110-120秒；之后提高到250-260A，维持55-60秒；最后提到290-300A，维持15-20秒；
充分预熔Ag膜料后，进行沉积镀制Ag膜层，控制沉积速率为1.5-2nm/S，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A；
镀完Ag膜层后，在Ag膜层上沉积镀制Al2O3膜层，沉积镀制Al2O3膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
在步骤(六)沉积镀制Al2O3膜层后静置10-15分钟。
在步骤(七)的过程中，
沉积镀制SiO2膜层时控制沉积速率为0.5-0.8nm/s，气体为纯度为99.99％的氧气，流量为5-10SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
在沉积镀制Nb2O5膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，气体为纯度为99.99％的氧气，流量为15-25SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
如图3所示，为本发明制备的扫描振镜的超高反射率光学扫描振镜45°分光曲线图，从图中可以看出，该反射膜在700-1050nm范围内平均反射率大于99％，P光和S光的偏振分量非常小，中性效果好；
如图4所示，为本发明超高反射率光学扫描振镜80°分光曲线图，从图中可以看出，整个反射带向短波移动20nm，平均反射率大于99％的带宽仍超过300nm，P光和S光的偏振分量略有分开，中性效果仍然很好。
离子源辅助沉积电子束蒸发法采用高真空镀膜机，它是由国产南光提供的1300型，配以霍尔HT-15无栅网式离子源，阻蒸加热法采用的低压高电流，最大电流可达600A。
上述具体实施方式只是以扫描振镜为例，本发明不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超高反射率光学扫描振镜，所述的光学扫描振镜由玻璃基材层(1)及沉积镀制在玻璃基材层上的高反膜(2)组成；其特征在于：
所述的高反膜(2)由9层膜层组成，9层膜层依照距离玻璃基材层从近至远的顺序依次为：第一Al2O3膜层(21)、Ag膜层(22)、第二Al2O3膜层(23)、第一SiO2膜层(24)、第一高折射率材料膜层(25)、第二SiO2膜层(26)、第二高折射率材料膜层(27)、第三SiO2膜层(28)、第三高折射率材料膜层(29)；
所述的第一高折射率材料膜层(25)、第二高折射率材料膜层(27)和第三高折射率材料膜层(29)均由折射率范围为1.9～2.4的高折射率材料制成；
第一Al2O3膜层(21)的厚度为98-100nm，Ag膜层(22)的厚度为100-120nm，第二Al2O3膜层(23)的厚度为12-15nm，第一SiO2膜层(24)的厚度为118-120nm，第一高折射率材料膜层(25)的厚度为105-108nm，第二SiO2膜层(26)的厚度为135-138nm，第二高折射率材料膜层(27)的厚度为105-108nm，第三SiO2膜层(28)的厚度为135-138nm，第三高折射率材料膜层(29)的厚度为105-108nm；
所述的玻璃基材层(1)是熔石英FS或K9玻璃；所述的高折射率材料为Nb2O5、TiO2、Ta2O5或ZrO2。
2.根据权利要求1所述的一种超高反射率光学扫描振镜，其特征在于：所述的玻璃基材层(1)的外形为椭圆形或八角形状。
3.根据权利要求1所述的一种超高反射率光学扫描振镜的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(一)准备玻璃基材层；
(二)选择Al2O3、Ag、SiO2和高折射率材料作为镀膜材料；
(三)清洗玻璃基材层：对玻璃基材层进行超声波清洗，然后烘干；
(四)使用霍尔离子源对清洗后的玻璃基材层刻蚀10-15分钟；
(五)使用离子源辅助电子束蒸发法在经过步骤(四)处理的玻璃基材层表面沉积镀制第一Al2O3膜层；
(六)使用离子源辅助阻蒸加热法在第一Al2O3膜层上沉积镀制Ag膜层，然后使用离子源辅助电子束蒸发法在Ag膜层上沉积镀制第二Al2O3膜层；
(七)使用离子源辅助电子束蒸发法依照距离玻璃基材层从近至远依次交替沉积镀制第一SiO2膜层、第一高折射率材料膜层、第二SiO2膜层、第二高折射率材料膜层、第三SiO2膜层和第三高折射率材料膜层。
4.根据权利要求3所述的一种超高反射率光学扫描振镜的制备方法，其特征在于：在步骤(一)准备玻璃基材层时，选择熔石英FS或K9玻璃作为玻璃基材层，然后将玻璃基材层仿形成椭圆或八角形状，之后抛光。
5.根据权利要求4所述的一种超高反射率光学扫描振镜的制备方法，其特征在于：抛光后的光洁度为美军标的40/20，面型小于λ/5。
6.根据权利要求3所述的一种超高反射率光学扫描振镜的制备方法，其特征在于：在步骤(五)沉积镀制第一Al2O3前保持本底真空度低于2*10-3Pa，沉积温度为100-120℃，恒温10-20分钟；步骤(四)采用霍尔离子源刻蚀玻璃基材层时采用纯度为99.99％的氩气作为反应气体，氩气流量为5-15SCCM，阳极电压为200-240V，电流为4-6A；
沉积镀制第一Al2O3膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
7.根据权利要求3所述的一种超高反射率光学扫描振镜的制备方法，其特征在于：在步骤(六)沉积镀制Ag膜层前，先对Ag膜料进行充分预熔后，再进行Ag膜层沉积镀制，控制沉积速率为1.5-2nm/s，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A；
镀完Ag膜层后，在Ag膜层上沉积镀制第二Al2O3膜层，沉积镀制第二Al2O3膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，氩气流量为10-15SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A；
沉积镀制第二Al2O3膜层后静置10-15分钟。
8.根据权利要求3所述的一种超高反射率光学扫描振镜的制备方法，其特征在于：在步骤(七)的过程中，
沉积镀制各层SiO2膜层时控制沉积速率为0.5-0.8nm/s，气体为纯度为99.99％的氧气，流量为5-10SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A；
在沉积镀制高折射率材料膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，气体为纯度为99.99％的氧气，流量为15-25SCCM，离子源电压为220-260V，电流为5-8A。
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