CN106291908A - 用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系及制备方法 - Google Patents

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Abstract

用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系及制备方法，该金增强反射膜系结构如下，自主镜表面开始，依次为：打底层、金层、过渡层、介质增强膜系层；其中打底层采用铬、镍铬合金，厚度10nm‑25nm；金膜层厚度95nm‑105nm；过渡层采用二氧化铪，厚度15nm‑150nm；介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合。本发明在近紫外、可见光与红外波段均具有高反射效率同时兼具优良的环境稳定性与较长使用寿命，光谱反射效率在可见光波段高出约8%；膜层更加耐用；使用反射波段拓展至近紫外与可见光波段；本发明膜层带来的应力要远远小于全介质反射镜。

Description

用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系及制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系，属于光学镀膜加工技术领域，尤其是一种宽反射带宽、低膜层应力、高效长寿命反射镜组件膜系及其制备方法。
背景技术
光学反射镜在大型天文望远镜与大型光学仪器中应用十分广泛。由于反射光学系统对玻璃材料在光学性能上没有特殊要求，光线不需透过材料本身，主镜可以进行轻量化加工减轻重量和无色差，且大口径透镜的光学材料不可多得，价格昂贵，因此大型光学仪器一般都采用了反射式结构设计。大口径光学反射镜的效率与寿命对光学系统有着至关重要的影响。
大型天文望远镜主镜通常采用铝反射涂层。铝涂层在红外，可见以及紫外波段均有较高的反射效率，铝膜与玻璃基板附着良好，制备成功的铝镜可连续工作几年，然而，铝涂层也存在明显的不足，主要是在红外波段存在自身辐射，这就限制了其在红外波段的应用，且铝镜在可见光波段的反射效率较低，与银大约相差了8%。银是镀制金属反射膜优良的材料，在可见光与红外波段都有比铝镜更高的反射效率，而且，倾斜使用时引入的偏振效应较小。但银涂层也存在明显的不足：一是紫外波段反射较低；二是与玻璃基板附着较差；三是环境稳定性不如铝膜，易在空气中硫化与酸化，镜面发生变化。因此银膜寿命是困扰其应用于望远镜主镜的重要因素。金是用于红外波段的反射涂层材料，其在红外波段具有很高的反射效率且金膜非常稳定，不与空气中的酸碱物质反应，但其波长短于600nm后反射效率迅速下降，无法用于可见光及紫外波段。全介质反射镜是由高低折射率的介质氧化物交替镀制而成，其在反射带宽内具有很高的反射效率和很长的使用寿命，但其反射带宽有限，膜系厚度与反射带宽成正比，厚膜会带来较大的膜层应力导致反射镜面形改变。现有技术迄今未找到一种能够在近紫外、可见光与红外波段均具有高反射效率同时兼具优良的环境稳定性与较长使用寿命的反射镜组件膜系方案。
发明内容
本发明的目的是针对目前大型天文反射镜在反射效率、使用寿命及反射带宽等方面不能同时兼顾的不足提出一种可在近紫外、可见光与红外波段均具有高反射效率同时兼具优良的环境稳定性与较长使用寿命的反射镜组件膜系及其制备方法。
本发明的技术解决方案是：一种用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系，其特征在于，该金增强膜反射系结构如下，自主镜表面开始，依次为：打底层、金层、过渡层、介质增强膜系层；其中打底层可以采用铬、镍铬合金，厚度10nm-25nm；金膜层厚度约95nm-105nm；过渡层采用二氧化铪，厚度15nm-150nm，厚度根据反射镜要求优化决定；介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合。
本发明由高、低折射率交替的介质氧化物材料组合，起到保护金膜同时增加特定波段反射效率的作用，是一种具有宽反射带宽、低膜层应力、高效长寿命反射镜膜系。
上述方案的进一步优化，
所述打底层铬、镍铬合金的厚度为15nm-20nm；
所述金膜层厚度为100nm；
所述过渡层二氧化铪的厚度为25nm-120nm。
例如：所述介质增强膜系层中，二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合是指：
H1、 H2、 H3分别代表光学膜厚为λ/4的五氧化三钛，五氧化二钽，二氧化铪高折射率膜层，L代表光学膜厚为λ/4的二氧化硅低折射率膜层，N1与N2是膜堆中高低折射率膜层周期的重复次数。
组合方案一为：(0.5H1 L 0.5H1)^ N1 (0.38H2 0.76L 0.38H2)^ N2；
组合方案二为：(0.5H1 L 0.5H1)^ N1 (0.38H3 0.76L 0.38H3)^ N2。
完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）工作条件：反射镜镀制需在万级以上洁净车间内完成，镀制前需要对真空室内部件进行彻底清洁并烘烤干净，车间内相对湿度应小于60%；
（2）工作准备：加入需要使用的镀膜材料，清洁待镀反射镜并放入真空室，对真空室进行抽真空；
（3）打底层镀制步骤：离子源轰击清洁反射镜面，蒸镀打底层材料铬或镍铬合金，厚度10nm-25nm；
（4）金膜镀制步骤：金膜层控制厚度约100nm；
（5）过渡层镀制步骤：过渡层采用二氧化铪，厚度15nm-150nm，厚度根据反射镜要求优化决定；
（6）介质增强膜系层镀制步骤：介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合，由高、低折射率交替的介质氧化物材料交替组成，起到保护金膜同时增加特定波段反射效率的作用。
更具体和更优化地说，各步骤操作方法如下：
步骤（2）加入需要使用的镀膜材料，是指：在无氧铜坩埚中分别加入铬或镍铬合金、金粒、二氧化铪、二氧化硅、五氧化三钛、五氧化二钽等膜料；
步骤（2）对真空室进行抽真空，镀前真空度应优于6×10-4Pa；
步骤（3）打底层镀制步骤：打底层镀制材料为铬或镍铬合金，镀前真空度优于6×10- 4Pa，霍尔离子源轰击10分钟用于清洁镜面，离子源参数：充40SCCM 氧气，离子源阳极电压180 伏，阳极电流6 安培；
步骤（6）介质增强膜系层镀制步骤：介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合（由反射镜效率要求决定），烘烤温度100℃-200℃（由成膜工艺条件决定），恒温2-4小时（由反射镜几何尺寸决定），辅助蒸镀离子源参数：充40SCCM 氧气，离子源阳极电压180 伏，阳极电流6 安培。
由于采用了上述方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明提出一种可在近紫外、可见光与红外波段均具有高反射效率同时兼具优良的环境稳定性与较长使用寿命的金增强反射镜膜系及其制备方法。
（1）本发明所涉及金增强型反射镜相比于铝反射镜，光谱反射效率在可见光波段高出约8%；
（2）本发明所涉及金增强型反射镜相比于银反射镜，不受使用环境中的酸性物质影响，因此环境稳定性与使用寿命大大提升，膜层更加耐用，使用寿命提升至5年以上；（3）本发明所涉及金增强型反射镜相比于传统金反射镜，使用反射波段拓展至近紫外与可见光波段；
（4）本发明所涉及金增强型反射镜相比于全介质镜，相同反射带宽情况下，膜层带来的应力要远远小于全介质反射镜，以350nm-900nm波段反射镜为例，口径100mm，厚度10mm的熔石英材料平面反射镜，镀膜前基片面形精度加工至λ/10（PV），全介质反射镜完成后，面形降低至λ/2—λ/3（PV），而金增强型反射镜完成后，面形仅发生微小变化λ/9—λ/10（PV）。
附图说明
图1 是铝、银、金膜的理论反射率图；
图2 是本发明涉及的金增强型反射镜与铝镜、金镜反射率对比图；
图3 是本发明涉及的金增强型反射镜膜系结构示意图。
具体实施方式
实施例1，用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系，参照图3：图中，光学反射镜片1，打底层2，金层3，过渡层4，介质增强膜系层5。
用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系制备工艺方法具体如下：
（1）工作条件：反射镜镀制需在万级以上洁净车间内完成，镀制前需要对真空室内部件进行彻底清洁并烘烤干净，车间内相对湿度应小于60%；
（2）工作准备：在无氧铜坩埚中分别加入铬或镍铬合金、金粒、二氧化铪、二氧化硅、五氧化三钛、五氧化二钽等膜料；清洁待镀反射镜并放入真空室，对真空室进行抽真空，镀前真空度应优于6×10-4Pa；
（3）打底层镀制步骤：打底层镀制材料为铬或镍铬合金，厚度10nm-25nm，镀前真空度优于6×10-4Pa，霍尔离子源轰击10分钟用于清洁镜面，离子源参数：充40SCCM 氧气，离子源阳极电压180 伏，阳极电流6 安培；
（4）金膜镀制步骤：金膜层控制厚度约100nm；辅助蒸镀离子源参数：充40SCCM氧气，离子源阳极电压180 伏，阳极电流6 安培。
（5）过渡层镀制步骤：过渡层采用二氧化铪，厚度15nm-150nm，厚度根据反射镜要求优化决定；
（6）介质增强膜系层镀制步骤：介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽与二氧化硅、五氧化三钛组合而成，烘烤温度200℃，恒温2小时，辅助蒸镀离子源参数：充40SCCM 氧气，离子源阳极电压180 伏，阳极电流6 安培。
金增强膜反射系结构如下，自主镜表面开始，依次为：打底层、金层、过渡层、介质增强膜系层；其中打底层可以采用铬、镍铬合金，厚度10nm-25nm；金膜层厚度约95nm-105nm；过渡层采用二氧化铪，厚度15nm-150nm，厚度根据反射镜要求优化决定；介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合。

Claims (8)

1.一种用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系，其特征在于，该金增强反射膜系结构如下，自主镜表面开始，依次为：打底层、金层、过渡层、介质增强膜系层；其中打底层采用铬、镍铬合金，厚度10nm-25nm；金膜层厚度95nm-105nm；过渡层采用二氧化铪，厚度15nm-150nm；介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合。
2.根据权利要求1所述的用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系，其特征在于，所述打底层铬、镍铬合金的厚度为15nm-20nm；所述金膜层厚度为100nm；所述过渡层二氧化铪的厚度为25nm-120nm。
3. 根据权利要求1或2所述的用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系，其特征在于，所述介质增强膜系层中，二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合是指：H1、 H2、 H3分别代表光学膜厚为λ/4的五氧化三钛，五氧化二钽，二氧化铪高折射率膜层，L代表光学膜厚为λ/4的二氧化硅低折射率膜层，N1与N2是膜堆中高低折射率膜层周期的重复次数，其中：(0.5H1 L 0.5H1)^ N1 (0.38H2 0.76L0.38H2)^ N2；或(0.5H1 L 0.5H1)^ N1 (0.38H3 0.76L 0.38H3)^ N2。
4.权利要求1所述的用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）工作条件：反射镜镀制需在万级以上洁净车间内完成，镀制前需要对真空室内部件进行彻底清洁并烘烤干净，车间内相对湿度小于60%；
（2）工作准备：加入需要使用的镀膜材料，清洁待镀反射镜并放入真空室，对真空室进行抽真空；
（3）打底层镀制步骤：离子源轰击清洁反射镜面，蒸镀打底层材料铬或镍铬合金；
（4）金膜镀制步骤：金膜层控制厚度；
（5）过渡层镀制步骤：过渡层采用二氧化铪，厚度根据反射镜要求优化决定；
（6）介质增强膜系层镀制步骤：介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合，由高、低折射率交替的介质氧化物材料交替组成，起到保护金膜同时增加特定波段反射效率的作用。
5.权利要求4所述的用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系的制备方法，其特征在于，步骤（2）加入需要使用的镀膜材料是指：在无氧铜坩埚中分别加入铬或镍铬合金、金粒、二氧化铪、二氧化硅、五氧化三钛、五氧化二钽。
6.权利要求4所述的用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系的制备方法，其特征在于，步骤（2）对真空室进行抽真空，镀前真空度应优于6×10-4Pa。
7. 权利要求4所述的用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系的制备方法，其特征在于，步骤（3）打底层镀制步骤：打底层镀制材料为铬或镍铬合金，镀前真空度优于6×10-4Pa，霍尔离子源轰击10分钟用于清洁镜面，离子源参数：充40SCCM 氧气，离子源阳极电压180 伏，阳极电流6 安培。
8. 权利要求4-7之一所述的用于大型天文望远镜主镜的金增强型反射膜系的制备方法，其特征在于，步骤（6）介质增强膜系层镀制步骤：介质增强膜系层采用二氧化硅、五氧化二钽或二氧化硅、二氧化铪或二氧化硅、五氧化三钛或三种搭配的任意组合，烘烤温度100℃-200℃，恒温2-4小时，辅助蒸镀离子源参数：充40SCCM 氧气，离子源阳极电压180 伏，阳极电流6 安培。
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