CN111007584B - 一种氧化物体系红外增透保护膜的设计方法 - Google Patents

一种氧化物体系红外增透保护膜的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氧化物体系红外增透保护膜的设计方法，属于光学薄膜技术领域。本发明设计了一种基于氧化物薄膜体系的红外增透保护膜设计方法，该方法采用Y2O3薄膜为主体薄膜材料、Al2O3薄膜材料为过渡层、HfO2薄膜为最外层保护膜的设计方案，通过匹配三种氧化物实现复合红外增透保护膜的设计。该红外增透保护膜能够实现ZnS红外窗口在7.5μm‑9.7μm波段的高效增透，同时由于Al2O3薄膜过渡层及HfO2最外层保护膜的引入，降低了膜系应力并提高了膜系机械强度，使得该红外增透保护膜在恶劣服役环境下的稳定性得到增强，对于红外光学窗口在精确制导等方面的应用具有重要价值。

Description

一种氧化物体系红外增透保护膜的设计方法
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种氧化物体系红外增透保护膜的设计方法。
背景技术
红外光学窗口由基底材料和红外增透保护膜组成，工作于高速导弹导引头前端，是高速导弹结构功能一体化关键部件，起到传输目标红外信号、保持气动外形、保护内部成像系统的作用。高速导弹面临恶劣服役环境，高速飞行状态下会受到气动热和气动力的共同作用，红外光学窗口处于复杂的热力混合作用，影响其结构和光学特性，容易导致红外增透保护膜出现脱落、破裂等失效现象发生。为满足红外探测与制导的工作需求，一方面要求红外光学窗口具有足够的保护性能，能够承受高温、高压、热冲击、大气中的游离灰尘和冰雹等固体粒子的撞击，尤其是抵抗风沙雨蚀能力；另一方面，要具备优良的光学性能，即在工作波段具有足够高的透过率、低的吸收系数、低散射等光学性能。中波红外光学窗口往往选择ZnS为基底材料，但是仅仅依靠基底材料无法满足复杂的性能需求，因此需要在在ZnS基底表面制备红外增透保护膜，共同组成红外光学窗口以完成正常服役要求。
常见的ZnS基底红外增透保护膜多采用DLC薄膜，但在实际制备及应用过程中DLC薄膜存在以下几点不可避免的缺点，包括大厚度DLC薄膜难以制备、热稳定性差、高温抗氧化能力较差、与ZnS基底材料的结合强度较弱等问题。由此可见，在保证红外增透保护膜光学性能满足应用需求的基础上，提高红外光学窗口的高温结构稳定性问题也亟待解决。
综上所述，为满足“看得见、跑得快、打得准”的精确制导需求，如何在保证光学性能满足工作需求的前提下，提高红外增透保护膜的结构稳定性成为限制其应用的瓶颈技术问题。
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：在保证红外光学窗口增透保护膜透过率满足工作需求的前提下，如何提高其结构稳定性以解决高温下结构失效问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化物体系红外增透保护膜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)给出ZnS基底的透过率曲线和光学常数；
2)给出Y2O3薄膜材料、Al2O3薄膜材料及HfO2薄膜材料的光学常数；
3)基于Y2O3薄膜确定红外增透保护膜的初始膜系；
4)设置优化目标，对初始膜系进行结构优化，得到优化膜系；
5)确定Al2O3薄膜的单层厚度和层数，然后作为过渡层等间隔插入到Y2O3薄膜中，得到红外增透保护膜的膜系结构；
6)确定HfO2薄膜的单层厚度，将HfO2薄膜作为最外层硬质保护膜，得到最终的氧化物体系红外增透保护膜。
优选地，步骤3中，确定红外增透保护膜的初始膜系为：
Sub/H/Air
其中，基底Sub为ZnS材料，H代表Y2O3薄膜，单位光学厚度为λ0/4，Air为空气，λ0为参考波长。
优选地，步骤4中，以工作波长范围内透过率为优化目标，将优化目标值设置为100％，对初始膜系进行结构优化，得到优化膜系：
Sub/αH/Air
其中α为优化后Y2O3薄膜的光学厚度所增加的倍数。
优选地，步骤5中，确定Al2O3薄膜的单层厚度β和层数n-1，然后形成过渡层插入到Y2O3薄膜中间，得到红外增透保护膜的膜系结构：
Figure BDA0002282380240000031
其中，L代表Al2O3薄膜。
优选地，步骤6中，根据膜系透过率确定HfO2薄膜的单层厚度γ，然后将单层HfO2薄膜作为最外层硬质保护膜，得到最终红外增透保护膜的膜系结构：
Figure BDA0002282380240000032
其中，M代表HfO2薄膜。
优选地，设计氧化物薄膜体系的7.5-9.7μm波段红外增透保护膜时，参考波长设置为8.5μm。
优选地，步骤4中得到优化后红外增透保护膜膜系结构为Sub/0.904H/Air。
优选地，步骤5中，设计3层Al2O3薄膜过渡层，Al2O3薄膜单层厚度为10nm，得到红外增透保护膜膜系结构为Sub/(0.22596111H/0.00570245L)^3/0.22596111H/Air。
优选地，设计HfO2薄膜厚度为50nm，得到最终红外增透保护膜膜系结构为Sub/(0.22596111H/0.00570245L)^3/0.22596111H/0.03612725M/Air。
(三)有益效果
本发明设计了一种基于氧化物薄膜体系的红外增透保护膜设计方法，该方法采用Y2O3薄膜为主体薄膜材料、Al2O3薄膜材料为过渡层、HfO2薄膜为最外层保护膜的设计方案，通过匹配三种氧化物实现复合红外增透保护膜的设计。该红外增透保护膜能够实现ZnS红外窗口在7.5μm-9.7μm波段的高效增透，同时由于Al2O3薄膜过渡层及HfO2最外层保护膜的引入，降低了膜系应力并提高了膜系机械强度，使得该红外增透保护膜在恶劣服役环境下的稳定性得到增强，对于红外光学窗口在精确制导等方面的应用具有重要价值。
附图说明
图1为ZnS基底光学常数曲线图；
图2为HfO2薄膜光学常数曲线图；
图3为Y2O3薄膜光学常数曲线图；
图4为Al2O3薄膜光学常数曲线图；
图5、图6、图7、图8为红外增透保护膜理论计算透过率曲线图。
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。
本发明提供了一种基于氧化物薄膜体系的红外增透保护膜的设计方法，包括以下步骤：
1)首先给出ZnS基底的光学常数，并导入薄膜设计软件中；
2)其次给出Y2O3薄膜材料、Al2O3薄膜材料及HfO2薄膜材料的光学常数，并导入薄膜设计软件中；
3)确定红外增透保护膜的初始膜系：
Sub/H/Air
其中，基底Sub为ZnS材料，H代表Y2O3薄膜，单位光学厚度为λ0/4，Air为空气，λ0为参考波长；
4)以工作波长范围内透过率为优化目标，将优化目标值设置为100％，对初始膜系进行结构优化，得到优化膜系：
Sub/αH/Air
其中α为优化后Y2O3薄膜的光学厚度所增加的倍数；
5)确定Al2O3薄膜的单层厚度β和层数n-1，然后形成过渡层插入到Y2O3薄膜中间，插入Al2O3薄膜过渡层对膜系透过率影响应尽可能小，得到红外增透保护膜的膜系结构：
Figure BDA0002282380240000051
其中，L代表Al2O3薄膜；
6)根据膜系透过率确定HfO2薄膜的单层厚度γ，然后将单层HfO2薄膜作为最外层硬质保护膜，得到最终红外增透保护膜的膜系结构：
Figure BDA0002282380240000052
其中，M代表HfO2薄膜。
下面以氧化物薄膜体系的7.5-9.7μm波段红外增透保护膜为实例进行设计，设计步骤如下：
1)根据设计要求，选择ZnS为基底材料，光学常数如图1所示，将ZnS材料光学常数输入到薄膜设计软件中。
2)选择Y2O3薄膜为红外增透保护膜的主体薄膜材料，其光学常数如图2所示；选取Al2O3薄膜为过渡层，其光学常数如图3所示；选取HfO2薄膜为最外层保护膜，其光学常数如图4所示；将Y2O3薄膜、Al2O3薄膜及HfO2薄膜的光学常数输入到薄膜设计软件中。
3)设计红外增透保护膜的初始结构为Sub/H/Air，参考波长设置为8.5μm，初始红外增透保护膜的理论计算透过率如图5所示。
4)在薄膜设计软件中将优化目标设置为7.5-9.7μm透过率等于100％，优化Y2O3薄膜厚度，优化后红外增透保护膜膜系结构为Sub/0.904H/Air，理论计算透过率曲线如图6所示；此时单层Y2O3薄膜断裂因子计算结果为0.224，断裂因子越大，薄膜发生破裂等结构失效现象的可能性越大。
5)为尽量避免引入Al2O3薄膜过渡层对红外增透保护膜透过率的影响，设计3层Al2O3薄膜过渡层，Al2O3薄膜单层厚度为10nm，得到红外增透保护膜膜系结构为Sub/(0.22596111H/0.00570245L)^3/0.22596111H/Air，理论计算透过率曲线如图7所示；此时Al2O3薄膜断裂因子计算结果为0.00027，Y2O3薄膜断裂因子计算结果为0.056，由于Al2O3过渡层的引入，Y2O3薄膜的断裂因子大大降低，提高了该红外增透保护膜的结构稳定性。
6)ZnS材料硬度在2.79Gpa左右，而HfO2薄膜硬度在9Gpa左右，因此在最外层HfO2薄膜能够有效提高ZnS红外光学窗口的硬度，综合考虑HfO2薄膜作为最外层的硬质保护作用及对膜系透过率的影响，设计HfO2薄膜厚度为50nm，得到最终红外增透保护膜膜系结构为Sub/(0.22596111H/0.00570245L)^3/0.22596111H/0.03612725M/Air，理论计算透过率曲线如图8所示，平均透过率达到93.2％以上。
可以看出，本发明提供的一种基于氧化物薄膜体系的红外增透保护膜的设计方法，通过在Y2O3薄膜中间等间隔插入多层Al2O3薄膜过渡层，最外层添加HfO2薄膜为硬质保护膜，降低了Y2O3薄膜单层厚度，打断了Y2O3薄膜连续生长状态，降低了膜系应力并增强了膜系机械强度，提高了红外增透保护膜的高温稳定性。本发明提供了一种新型的中波红外增透保护膜的设计思路，对红外光学窗口在恶劣服役环境下的使用具有重要价值。
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 (9)

1.一种氧化物体系红外增透保护膜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)给出ZnS基底的透过率曲线和光学常数；
2)给出Y2O3薄膜材料、Al2O3薄膜材料及HfO2薄膜材料的光学常数；
3)基于Y2O3薄膜确定红外增透保护膜的初始膜系；
4)设置优化目标，对初始膜系进行结构优化，得到优化膜系；
5)确定Al2O3薄膜的单层厚度和层数，然后作为过渡层等间隔插入到Y2O3薄膜中，得到红外增透保护膜的膜系结构；
6)确定HfO2薄膜的单层厚度，将HfO2薄膜作为最外层硬质保护膜，得到最终的氧化物体系红外增透保护膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，确定红外增透保护膜的初始膜系为：
Sub/H/Air
其中，基底Sub为ZnS材料，H代表Y2O3薄膜，单位光学厚度为λ0/4，Air为空气，λ0为参考波长。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4中，以工作波长范围内透过率为优化目标，将优化目标值设置为100％，对初始膜系进行结构优化，得到优化膜系：
Sub/αH/Air
其中α为优化后Y2O3薄膜的光学厚度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤5中，确定Al2O3薄膜的单层厚度β和层数n-1，然后形成过渡层插入到Y2O3薄膜中间，得到红外增透保护膜的膜系结构：
Figure FDA0002883268430000011
其中，L代表Al2O3薄膜。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6中，根据膜系透过率确定HfO2薄膜的单层厚度γ，然后将单层HfO2薄膜作为最外层硬质保护膜，得到最终红外增透保护膜的膜系结构：
Figure FDA0002883268430000021
其中，M代表HfO2薄膜。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，设计氧化物薄膜体系的7.5-9.7μm波段红外增透保护膜时，参考波长设置为8.5μm。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4中得到优化后红外增透保护膜膜系结构为Sub/0.904H/Air。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤5中，设计3层Al2O3薄膜过渡层，Al2O3薄膜单层厚度为10nm，得到红外增透保护膜膜系结构为Sub/(0.22596111H/0.00570245L)^3/0.22596111H/Air。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，设计HfO2薄膜厚度为50nm，得到最终红外增透保护膜膜系结构为Sub/(0.22596111H/0.00570245L)^3/0.22596111H/0.03612725M/Air。
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