CN1103054C - 汽相沉积物料、带有光学涂层的光学基体以及它们的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及折射率在约1.6-1.9之间的中等折射率光学涂层，它采用具有对应于通式I的化学组成的汽相沉积物料在光学基体上通过真空汽相沉积而获得，YAlxOz (I)其中x＝0.5-5，并且z＝3/2·(1+x)。

Description

汽相沉积物料、带有光学涂层的光学基体以及它们的制备方法
薄的氧化物涂层广泛用于工业，特别是光学领域中，作为保护涂层或用于光学功能目的。举例来说，它们可以作为防止腐蚀和机械损伤的保护层，或者用于涂覆光学部件和仪器，尤其是透镜、平面镜、棱镜等等的表面。薄的氧化物涂层还可以用于产生高、中和低折射率的光学涂层，从而增加或降低反射。主要的应用领域是在光学基体，如眼镜透镜、用于镜头透镜的部件、双筒镜以及用于光学测量仪器和激光技术的光学部件上形成抗反射涂层。其它的领域是产生具有一定折射率和/或一定光学吸收性能的涂层，例如在干涉镜、光束分离器、热过滤器和透热镜中。
用于形成这种氧化物涂层的起始物料是已知的。常用的物料为二氧化硅和多种金属氧化物(如果需要彼此组合在一起)。其选择主要是通过试验根据所追求的光学性能和操作性能而作出的。这些涂层可以通过已知的真空汽相沉积法而产生的。为了举例说明，这里可以参照德国专利1228489，该专利描述了可以采用的原料，工艺方法以及在这方面存在的问题。
为了产生中等折射率的涂层，即光学折射率在约1.6-1.9(在波长500纳米下)的涂层，在原则上适用的起始物料的范围是有限的。合适的起始物料主要是铝、镁、钇、镧、镨的氧化物，还有氟化铈和氟化镧，及其混合物。
但是，这些适用的物料存在多种缺陷，这些缺陷在处理过程中从实用角度来看变得特别明显。
一方面是这些物质具有较高的熔点和沸点，此外，它们还彼此相当接近。从实用角度来看，这些汽相沉积材料在发生大量蒸发之前完全熔化是很重要的。只有这样，才能确保均匀和适度的蒸发。这是必需的，由此可以在所涂覆的物体上形成厚度均匀的均匀涂层。但是，对于镁和钇的氧化物来说，在实际使用条件下就不是这样了，它们在常用的工作条件下仅仅不完全地熔化，或根本不熔化。它们很难蒸发并会产生厚度不同的涂层。
因此，需要通过合适的添加剂来降低这些物料的熔点。添加剂还可以用来以特殊方式在一定范围内改变并设定所得到的涂层的折射率。
选择适用于这些目的的添加剂受到没有吸收的要求的限制。因此适用于作为合适添加剂的金属氧化物是那些在近红外和在可见光范围内以及近UV波长范围内(约200纳米以下)不发生吸收的那些金属氧化物。
在真空汽相沉积技术中采用混合物是不合适的。其原因在于混合物通常不能一致地蒸发，即它们在蒸发过程中会改变它们的组成，所沉积的涂层的组成以及它们的折射率相应地发生了改变。其典型的例子是氧化钽/氧化铝或氧化铪/氧化铝混合物系统。
本发明的目的在于找到用于通过真空汽相沉积技术产生中等折射率的光学涂层的汽相沉积物料，这些物料没有已知物料的缺点，尤其是，利用这些物料可以产生在可见光区域内没有吸收的均匀组成的均匀涂层。
出乎人们意料的是，现在已经发现具有对应于通式I的化学组成的汽相沉积物料特别适用于在光学基体上通过真空汽相沉积而产生折射率在约1.6-1.9之间的中等折射率光学涂层，
          YAlxOz                  (I)其中x＝0.5-5，并且z＝3/2·(1+x)。已经发现这些物料可以很容易地蒸发并且不会在真空中飞溅而且很容易在真空汽相沉积技术中在常用的工作条件下产生均匀、没有吸收、稳定的具有所需折射率的涂层。
因此本发明涉及采用具有对应于通式I的化学组成的汽相沉积物料，从而通过在光学基体上真空沉积涂层而产生折射率值在约1.6-1.9之间的中等折射率的光学涂层。
本发明还涉及产生中等折射率的光学涂层的方法，其中通过真空汽相沉积用这些汽相沉积物料涂覆光学基体。
这种新型汽相沉积物料不是两种氧化物的混合物，而是具有独特的、化学计量确定的组成的混合氧化物化合物。氧化钇和氧化铝以2∶1-1∶5的摩尔比存在于这些化合物中。在所有情况下的氧含量均是按照化学计量的。
用这些新型物料，在真空蒸发过程中不会释放出氧。在真空汽相沉积技术中，在常用的工作条件下很容易形成没有吸收的涂层。已经发现所产生的涂层的光学性能基本上不受在真空汽相沉积过程中残余氧气压力的变化的影响。
这些发现是特别出人意料的并且是无法预见的。
这些新型汽相沉积物料可以通过以2∶1-1∶5的摩尔比混合氧化钇(Y2O3)和氧化铝(Al2O3)并且在低于熔点的温度下、在空气气氛中烧结该混合物而获得。用于该汽相沉积物料的这种制备方法同样被本发明覆盖。这些烧结产物可以以坚硬的、灰色至白色的颗粒形式，在约1600-1700℃的温度下完全熔化并且可以在约10-4毫巴的真空下、在1800-1900℃的温度下蒸发。
典型的新型汽相沉积物料具有对应于Y4Al2O9(Y2O3∶Al2O3摩尔比＝2∶1)、Y3Al5O12(3∶5)，Y2Al4O9(1∶2)和YAl5O9(1∶5)的化学组成。
该新型汽相沉积物料可以以已知的方式并且在常用于本领域的真空汽相沉积设备中、在常规工艺条件下使用。该真空汽相沉积不仅可以通过热蒸发而进行，而且可以通过电子束蒸发而进行。
该新型物料可以在任何一种合适的基体上产生具有均匀厚度和良好粘接性能的均匀薄涂层，这些涂层特别抗机械和化学影响。该涂层具有中等折射率，根据进行测量的波长，该折射率位于约1.6-1.9之间。这些涂层在从近UV(从约200纳米)到可见光范围以及近IR(约7000纳米)的波长范围内具有较高的透光性，并且没有吸收，特别是在可见光波长范围内。
实施例1：
由42.9％重量的氧化钇(III)和57.1％重量的氧化铝(III)(摩尔比为1∶3)制备粉末混合物并且将该混合物造粒。选择该组成从而形成通式为YAl3O6的化合物。
在1645℃的温度下，在空气气氛中将这些颗粒烧结5小时。所得到的产物具有约1700℃的熔点。实施例2：
由57.1％重量的氧化钇(III)和42.9％的氧化铝(III)(摩尔比为3∶5)粉末混合物并且将该混合物造粒。选择该组成从而形成通式为Y3Al5O12的化合物。
在1645℃的温度下，在空气气氛中将这些颗粒烧结5小时。所得到的产物具有约1700℃的熔点。
实施例3：用途
将来自例1的颗粒放在铜蒸发坩埚中并放入可以从市场上买到的带电子束蒸发的真空汽相沉积设备中。
用来沉积-涂覆的基体由石英或玻璃组成。
在1800-1900℃的温度和2×10-4毫巴的残余氧气压力下，在150℃的基体温度下，以0.4纳米/秒的沉积速度进行涂覆，直到达到360纳米的涂层厚度。
该涂层在500纳米下具有n＝1.58的折射率。该涂层在可见光范围内以及在不超过约200纳米的波长下没有吸收。
对来自例2的颗粒进行类似的处理，结果产生在500纳米下具有n＝1.62的折射率的涂层。

Claims (4)

1.具有对应于通式I的化学组成的汽相沉积物料，它适合用于在光学基体上通过真空汽相沉积而产生折射率在1.6-1.9之间的中等折射率光学涂层，
               YAlxOZ              (I)其中x＝0.5-5，但不包括x＝0.5和x＝5/3的情况，并且z＝3/2·(1+x)。
2.在光学基体上通过真空汽相沉积而产生折射率在1.6-1.9之间的中等折射率光学涂层的方法，其特征在于用具有对应于权利要求1所述的通式I的化学组成的汽相沉积物料来沉积-涂覆该基体。
3.光学基体，其特征在于它有折射率在1.6-1.9之间的中等折射率光学涂层，该涂层是用具有对应于权利要求1所述的通式I的化学组成的汽相沉积物料进行真空汽相沉积而形成的。
4.用于制备具有对应于权利要求1所述的通式I的化学组成的真空汽相沉积物料的方法，其特征在于以2∶1-1∶5的摩尔比混合Y2O3和Al2O3并且在低于熔点的温度下、在空气气气氛中烧结该混合物。
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