CN106443841B - 一种超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜，其主要特征是：通过使用锗、硫化锌和氟化钇三种薄膜材料组合，将膜层总物理厚度控制在2um左右；高应力的氟化钇膜层共两层，最大层厚度小于0.4um。通过镀制该减反射薄膜可将硫化锌基底在7.5‑9.7um波段范围内最大剩余反射率降至0.5％以下，平均反射率降至0.1％以下。该膜层适用于各种硫化锌基底的表面减反射处理，可用各种热蒸发的沉积方式制备。

Description

一种超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，特别是有关光学元件表面减反射薄膜技术，涉及一种超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜。

背景技术

硫化锌材料在3-5um和8-12um两个波段具有良好的透光特性，尤其是在8-12um范围内与除金刚石以外的其它红外光学材料相比，具有机械强度高、硬度高、折射率温度系数低、抗雨腐蚀强等优点，是目前导弹、飞机吊舱等红外成像与探测光学系统的光学窗口的首选材料之一。由于硫化锌材料的折射率较高(～2.2)，单面剩余反射率达到～14％，使用宽带光学减反射薄膜的方法可以解决硫化锌表面减反射问题，以降低表面较高的反射损失。

目前，常用于红外波段的薄膜材料主要Ge、Si、ZnS、ZnSe、MgF₂、YF₃、YbF₃等，部分氧化物薄膜(Al₂O₃、Y₂O₃、TiO₂、HfO₂等)也可以应用于红外波段。由于硫化锌窗口一般工作在宽谱段(如7.5-9.7μm、8-12μm、7.5-11.5μm等)，单层薄膜的减反射不能满足带宽的需求也不满足超低剩余反射的需求，因此宽带减反射薄膜必须采用不同折射率的薄膜材料交替沉积而成，膜层的排列顺序与厚度大小可通过薄膜设计方法确定。多层宽带减反射薄膜的设计方法主要可分为三类：规整设计、非规整设计和非均匀膜设计。1)规整设计主要通过固定膜层的厚度计算出满足减反射匹配的膜层折射率，根据折射率选择薄膜材料，自然界不存在的折射率材料再次采用对称膜对设计替换。这种方法无法同时满足带宽与超低剩余反射率的需求。2)非规整设计则采用多层膜进行优化设计，基于数值优化方法根据剩余反射率的目标优化多层膜的物理厚度，此方法一般用于宽带减反射薄膜的设计；3)非均匀膜的设计则是采用折射率连续变化的方法，实现从基底折射率到空气折射率的过渡，但是这种方法对制备技术具有较高要求，目前仍不成熟。目前报道的硫化锌表面平均剩余反射率值一般在0.5％，剩余反射率低于0.2％的宽带减反射薄膜未见报道。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：针对7.5-9.7um波段范围硫化锌基底表面减反射问题，提供一种超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜，实现宽带范围内平均剩余反射率低于0.1％的膜系设计，设计出的膜系结构具有应力小、稳定性高的特点，在实际制备中具有较强的可实现性。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜，所述减反射薄膜结构为：

Sub/x₁H x₂Lx₃H x₄M x₅L x₆M/Air

其中，基底Sub为ZnS，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，x₁～x₆分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4。

其中，所述高折射率、中折射率和低折射率材料分别为锗、硫化锌和氟化钇。

其中，所述每层膜的光学厚度系数为：x₁＝0.5298±0.0265,x₂＝0.1411±0.0071,x₃＝1.0932±0.0547,x₄＝0.5478±0.0274,x₅＝0.2883±0.0144,x₆＝0.3019±0.0151。

本发明还提供了一种减反射薄膜的构建方法，其包括以下步骤：

S1：以宽带减反射薄膜的母膜系构建两层减反射膜；

S2：对膜层进行替换；

S3：基于数值优化算法对每层膜的系数进行初步优化，得到每层膜的光学厚度系数。

其中，所述步骤S1中，所构建的基本膜系结构如下：

S/2H’L’/Air

其中，单位光学厚度为λ₀/4，H’和L’分别代表折射率未知的高、低折射率材料，S代表硫化锌基底材料，参考波长为λ₀。

其中，所述步骤S2中，选择折射率高、中、低的薄膜材料分别为锗、硫化锌和氟化钇，用H、M和L分别代表为高折射率、中折射率和低折射率材料，用HLH组合替换H’材料，用MLM组合替换L’材料，六层的膜系结构如下：

Sub/x₁H x₂Lx₃H x₄M x₅L x₆M/Air

x₁～x₆分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4。

其中，所述步骤S3中，以低剩余反射率为目标对膜层厚度进行优化计算，得到x₁～x₆的初始数值：

分别为：x₁＝0.5178±0.0259,x₂＝0.1951±0.0098,x₃＝0.8357±0.0418,x₄＝0.6313±0.0316,x₅＝0.3397±0.0170,x₆＝0.2686±0.0134。

其中，所述步骤S4中，限制L层的厚度上限，使之小于0.4um，再次以低剩余反射率为目标，进行数值优化计算，可得到最终的x₁～x₆的数值，分别为：x₁＝0.5298±0.0265,x₂＝0.1411±0.0071,x₃＝1.0932±0.0547,x₄＝0.5478±0.0274,x₅＝0.2883±0.0144,x₆＝0.3019±0.0151。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜，仅使用了一次膜对替换，可有效优化出在7.5-9.7μm范围内的超低剩余反射率的膜层结构，同时通过对高应力的材料进行厚度控制，避免了膜层脱落和开裂的风险。本发明可以实现最大剩余反射率0.5％以下、平均剩余反射率0.1％以下的硫化锌基底宽带超低剩余反射率减反射薄膜设计，膜系具有较高的应用价值。

附图说明

图1-硫化锌表面宽带减反射薄膜示意图。

图2-硫化锌材料光学常数。

图3-锗材料光学常数。

图4-氟化钇材料光学常数。

图5-硫化锌材料单面剩余反射率。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为了解决现有技术中的技术问题，本发明提供一种超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜，减反射薄膜结构为：

Sub/x₁H x₂Lx₃H x₄M x₅L x₆M/Air

其中，基底Sub为ZnS，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，x₁～x₆分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4。

进一步地，高、中、低的折射率材料分别为锗、硫化锌和氟化钇。

每层膜的光学厚度系数为：x₁＝0.5298±0.0265,x₂＝0.1411±0.0071,x₃＝1.0932±0.0547,x₄＝0.5478±0.0274,x₅＝0.2883±0.0144,x₆＝0.3019±0.0151。

基于上述减反射薄膜结构，本实施例减反射薄膜的构建方法包括以下步骤：

S1：以宽带减反射薄膜的母膜系构建两层减反射膜。

单位光学厚度为λ₀/4，H’和L’分别代表折射率未知的高、低折射率材料，S代表硫化锌基底材料，参考波长为λ₀，所构建的基本膜系结构如下：

S/2H’L’/Air

S2：对膜层进行替换。

选择折射率高、中、低的薄膜材料分别为锗、硫化锌和氟化钇。用H、M和L分别代表为高折射率、中折射率和低折射率材料，用HLH组合替换H’材料，用MLM组合替换L’材料。

膜系结构示意图如附图1所示，六层的膜系结构如下：

Sub/x₁H x₂Lx₃H x₄M x₅L x₆M/Air

x₁～x₆分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4。

S3：基于数值优化算法对六层膜的系数进行初步优化，可得到x₁～x₆的初始数值。

分别为：x₁＝0.5178±0.0259,x₂＝0.1951±0.0098,x₃＝0.8357±0.0418,x₄＝0.6313±0.0316,x₅＝0.3397±0.0170,x₆＝0.2686±0.0134。

以上步骤使用膜对替换法对初始基本膜系进行变换，以低剩余反射率为目标对膜层厚度进行优化计算，有效降低了硫化锌基底的反射率。

S4：低折射率层氟化钇的应力较大，当其厚度较大时容易出现膜层开裂或者脱膜的现象，构建膜系时需要对其厚度进行控制，限制L层的厚度上限，使之小于0.4um。

再次以低剩余反射率为目标，进行数值优化计算，可得到最终的x₁～x₆的数值，分别为：x₁＝0.5298±0.0265,x₂＝0.1411±0.0071,x₃＝1.0932±0.0547,x₄＝0.5478±0.0274,x₅＝0.2883±0.0144,x₆＝0.3019±0.0151。

该步骤是在考虑高应力膜层对膜系稳定性的影响的前提下，对膜系进行的优化计算。本步骤不仅可以保证膜系结构具有超低剩余反射率，而且可以有效降低整体膜层的应力，提高膜层的稳定性和应用可靠性。

下面以具体的实例对本发明方法进行进一步详细描述。

(1)以硫化锌材料作为基底，选择薄膜材料主要为锗、硫化锌和氟化钇，设计参考波长λ₀为8μm，单位光学厚度为2um。

膜系结构如附图1所示，六层的膜系结构如下：

Sub/x₁H x₂Lx₃H x₄M x₅L x₆M/Air

x₁～x₆分别代表每层膜的光学厚度系数。

(2)硫化锌材料的光学常数见附图2：锗材料的光学常数见附图3；氟化钇材料的光学常数见附图4。

(3)基于数值优化算法，以低剩余反射率为目标，对六层膜的光学厚度系数进行初始优化，得到x₁～x₆的数值如下：

x₁＝0.5178,x₂＝0.1951,x₃＝0.8357,x₄＝0.6313,x₅＝0.3397,

x₆＝0.2686。

(4)将氟化钇薄膜的厚度限定在391nm，再次对膜系进行优化，得到x₁～x₆的最终数值如下：

x₁＝0.5298,x₂＝0.1411,x₃＝1.0932,x₄＝0.5478,x₅＝0.2883,

x₆＝0.3019

宽带减反射薄膜的最终膜系如下：

Sub|0.5298H 0.1411L 1.0932H 0.5478M 0.2883L 0.3019M|Air

此时，由邻近基底的第一层薄膜至最外层薄膜对应的物理厚度分别为：264.5nm,191.6nm,545.7nm,492.9nm,391.5nm和271.6nm。该膜系的总物理厚度在2um左右。

由上制得的宽带减反射薄膜的剩余反射率见附图5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜，其特征在于，所述减反射薄膜结构为：

Sub/x₁H x₂L x₃H x₄M x₅L x₆M/Air

其中，基底Sub为ZnS，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，x₁～x₆分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4，λ₀为参考波长，其波长范围为7.5-9.7um。

2.如权利要求1所述的超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜，其特征在于，所述高折射率、中折射率和低折射率材料分别为锗、硫化锌和氟化钇。

3.如权利要求2所述的超低剩余反射率ZnS基底长波减反射薄膜，其特征在于，所述每层膜的光学厚度系数为：x₁＝0.5298±0.0265,x₂＝0.1411±0.0071,x₃＝1.0932±0.0547,x₄＝0.5478±0.0274,x₅＝0.2883±0.0144,x₆＝0.3019±0.0151。

4.基于权利要求1-3中任一项所述的减反射薄膜的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：以宽带减反射薄膜的母膜系构建两层减反射膜；

S2：对膜层进行替换；

S3：基于数值优化算法对每层膜的系数进行初步优化，得到每层膜的光学厚度系数；

S4：低折射率层氟化钇的应力较大，当其厚度较大时容易出现膜层开裂或者脱膜的现象，构建膜系时需要对其厚度进行控制，限制L层的厚度上限，使之小于0.4um；

再次以低剩余反射率为目标，进行数值优化计算，可得到最终的x₁～x₆的数值，分别为：x₁＝0.5298±0.0265,x₂＝0.1411±0.0071,x₃＝1.0932±0.0547,x₄＝0.5478±0.0274,x₅＝0.2883±0.0144,x₆＝0.3019±0.0151。

5.如权利要求4所述的减反射薄膜的构建方法，其特征在于，所述步骤S1中，所构建的基本膜系结构如下：

S/2H’L’/Air

其中，单位光学厚度为λ₀/4，H’和L’分别代表折射率未知的高、低折射率材料，S代表硫化锌基底材料，参考波长为λ₀，其波长范围为7.5-9.7um。

6.如权利要求5所述的减反射薄膜的构建方法，其特征在于，所述步骤S2中，选择折射率高、中、低的薄膜材料分别为锗、硫化锌和氟化钇，用H、M和L分别代表为高折射率、中折射率和低折射率材料，用HLH组合替换H’材料，用MLM组合替换L’材料，六层的膜系结构如下：

Sub/x₁H x₂L x₃H x₄M x₅L x₆M/Air

x₁～x₆分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4。

7.如权利要求6所述的减反射薄膜的构建方法，其特征在于，所述步骤S3中，以低剩余反射率为目标对膜层厚度进行优化计算，得到x₁～x₆的初始数值：

分别为：x₁＝0.5178±0.0259,x₂＝0.1951±0.0098,x₃＝0.8357±0.0418,x₄＝0.6313±0.0316,x₅＝0.3397±0.0170,x₆＝0.2686±0.0134。