CN108793738B - 一种光学薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学薄膜领域，其公开了一种光学薄膜，所述的光学薄膜的材质为平均配位数为2.35‑2.5的三元硫系玻璃。本发明的目的是提供一种光学薄膜，该光学薄膜在该体系里具有最小的脆性指数，因此具有最好的结构稳定性，同时本发明还公开了其制备方法。

Description

一种光学薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学薄膜领域，具体涉及一种光学薄膜及其制备方法。
背景技术
硫系玻璃是一种由硫族元素硫、硒、碲中的一种或多种与玻璃形成元素硅、锗、磷、砷，锑等形成的共价键化合物，具有较大的密度、较弱的键强、高的线性折射率、高的非线性折射率系数和超快的响应时间(飞秒到亚皮秒量级)，其光学透过范围取决于材料成分，可从可见(600nm)扩展到远红外区域(20μm)，因此是红外光学中一类重要的材料，在军事应用(如红外追踪、干扰、搜索靶标导航以及光学遥感探测等)和民用领域(如大气监测、红外光谱学、环保以及生物医疗等)都具有广泛的应用。
目前国际、国内市场上存在的商业化硫系玻璃产品有六种，包括As2Se3,Ge33As12Se55,Ge10As40Se50，Ge28Sb12Se60，Ge22As20Se58,Ge20Sb15Se65,由于玻璃材料共价键的本质，材料本身存在较大的结构弛豫，这造成基于这些材料的光学器件存在着严重的使用寿命，即长期使用可能由于材料本身结构的不稳定造成产品性能的降低，因此设计制造具有最小结构弛豫的新型玻璃材料具有重要的意义。
当硫系材料用于光学波导时，需要将硫系玻璃制备成平面薄膜的形式，这样的薄膜通常是在真空状态下将块体材料分解成分子、离子或团簇的状态然后重新在基片上凝聚而成。这样通过分解-凝聚过程制备的薄膜由于是在热力学非平衡状态下进行的，因此与块体材料相比较，薄膜包含大量的缺陷键，结构弛豫相较块材更为明显，因此对于平面薄膜波导，更需要使用结构稳定的光学材料。
玻璃材料中一个重要的概念是玻璃的脆性指数(fragility index)，它被定义为，在玻璃转变温度以上，粘度随着温度增加变化的快慢，是一种用来评价玻璃结构稳定性好坏的指标。脆性指数大的材料意味着玻璃转变温度以上很小的温度变化都可能导致非晶网络结构的迅速崩溃，因此较小脆性指数的玻璃具有较小的结构弛豫，也是理想的硫系玻璃材料。
在光学玻璃薄膜的制备领域中，光学玻璃薄膜的稳定性和光学性能与结构弛豫的关系密切，因此需要以此思路开发出一种优秀的光学玻璃薄膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学薄膜，该光学薄膜具有理想的脆性指数、折射率以及结构稳定性，同时本发明还公开了其制备方法。
本发明的具体方案如下：一种光学薄膜，所述的光学薄膜的材质为平均配位数为2.35-2.5的三元硫系玻璃。
在上述的光学薄膜中，所述的光学薄膜的材质为Ge-As-Se硫系玻璃，平均配位数为2.4-2.5。
在上述的光学薄膜中，所述的Ge-As-Se硫系玻璃由如下摩尔组分组成：Ge：10-17.5；As：11-25；Se：62.5-71.5。
在上述的光学薄膜中，所述的Ge-As-Se硫系玻璃由如下摩尔组分组成：Ge：11.5；As：24；Se：64.5。
在上述的光学薄膜中，所述的光学薄膜的材质为Ge-Sb-Se硫系玻璃；平均配位数为2.35-2.45。
在上述的光学薄膜中，所述的Ge-Sb-Se硫系玻璃由如下摩尔组分组成：Ge：12.5-17.5；Sb：10-12.5；Se：65-75。
在上述的光学薄膜中，所述的Ge-Sb-Se硫系玻璃由如下摩尔组分组成：Ge：15；Sb：10；Se：75。
同时，本发明还公开了一种光学薄膜的制备方法，将如上所述的硫系玻璃按照其配比制备成为硫系玻璃，然后采用热蒸发或溅射的方式在真空状态下制备相应的薄膜。
本发明的有益效果为：
本发明的光学薄膜的结构稳定，在持续的光照实验中保持了较为优异的光学稳定性。
附图说明
图1为不同的的Ge-Sb-Se硫系玻璃的性能测试结果图。
图2为不同的的Ge-As-Se硫系玻璃的性能测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
Ge-Sb(AS)-Se硫系玻璃的制备方法：
包括以下步骤：
1)原料准备：分别按照实施例及对比例的原料配比称量好各种原料并混合均匀，并将混合后的原料分别封装于真空度为10-5Torr以下的石英安培瓶中，实施例1～4及对比例的原料及配比见表1；
2)高温熔融及淬冷：加热石英安培瓶，对封装的混合原料进行高温熔融，加热温度为850℃，加热时间24h；加热结束后将石英安培瓶用强风对石英安培瓶及内封装的熔融物进行淬冷，得到半成品硫系玻璃；
3)退火及冷却：将石英安培瓶连同半成品玻璃一起置入热退火炉中退火，退火温度为200-220℃，退火时间为3h；退火结束后将石英安培瓶连同半成品玻璃一起以5℃/h的降温速率降至室温，打开石英安培瓶，取出硫系玻璃，并测试其性能。
参考上述方法，按照下表1的配方制备得到Ge-Sb-Se硫系玻璃，并进行测试，测试得到实施例1-4以及对比例1-2的结果，如下：
表1不同配比Ge-Sb-Se的硫系玻璃的性能参数
Figure BDA0001749265510000041
将上述的配方应用于薄膜材料后，测试其光照条件下的薄膜折射率变化，其结果如图1。图1中横坐标为光辐照通量，单位为kJ/cm2；纵坐标为薄膜材料在1.5μm波段的折射率。
参考上述方法，按照下表2的配方制备得到Ge-As-Se硫系玻璃，并进行测试，测试得到实施例1-5以及对比例1-2的结果，如下：
表2不同配比的Ge-As-Se硫系玻璃的性能参数
Figure BDA0001749265510000042
Figure BDA0001749265510000051
将上述的配方应用于薄膜材料后，测试其光照条件下的薄膜折射率变化，其结果如图2。图1中横坐标为光辐照通量，单位为kJ/cm2；纵坐标为薄膜材料在1.5μm波段的折射率。
薄膜材料的制备方法为：将制备的Ge-Sb(As)-Se玻璃作为蒸发材料，采用热蒸发或溅射的方式在真空状态下制备相应的薄膜。
从图1和图2可见，对比例的两种材料随光照通量的增加，变化明显，说明这些材料结构稳定性不好；相比较而言，本实施例的四种材料，折射率几乎没有变化或变化很小，说明了本发明在没有改变Ge-Se硫系玻璃主要优点的前提下，大幅减小了材料的脆性指数，从而减小了材料的结构弛豫，大大增加了材料的结构稳定性，用于波导结构可以大大稳定器件的性能参数，延长使用寿命。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光学薄膜，其特征在于，所述的光学薄膜的材质为平均配位数为2.35-2.5的三元硫系玻璃；其制备方法如下：
1）原料准备：分别按照原料配比称量好各种原料并混合均匀，并将混合后的原料分别封装于真空度为10-5Torr以下的石英安培瓶中；
2）高温熔融及淬冷：加热石英安培瓶，对封装的混合原料进行高温熔融，加热温度为850℃，加热时间24h；加热结束后将石英安培瓶用强风对石英安培瓶及内封装的熔融物进行淬冷，得到半成品硫系玻璃；
3）退火及冷却：将石英安培瓶连同半成品玻璃一起置入热退火炉中退火，退火温度为200-220℃，退火时间为3h；退火结束后将石英安培瓶连同半成品玻璃一起以5℃/h的降温速率降至室温，打开石英安培瓶，取出硫系玻璃；
所述的Ge-As-Se硫系玻璃由如下摩尔组分组成：Ge：17.5；As：11；Se：71.5。
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