CN111286700A - 基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法 - Google Patents

基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法，同时利用电子束双源共蒸技术和离子束辅助沉积技术，在基底的非镀膜或者在镀膜后面形较凹的待镀膜面沉积离子束辅助混合物单层膜，形成折射率与基底相同的光学虚设层来调谐镀膜元件面形。本发明能够对沉积在任意折射率基底上的镀膜元件进行面形补偿，减少镀膜引起的波面的质量下降，且不影响镀膜元件的光谱性能，该方法对单面镀膜和双面镀膜元件均适用。

Description

基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法
技术领域
本发明涉及光学薄膜，特别是一种基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法。
背景技术
波面质量是光学薄膜元件的性能参数之一，薄膜元件的波面质量会影响激光装置的光束输出质量。膜层本征应力会引起镀膜元件在镀膜后波面质量改变，面形补偿技术是提升镀膜元件波面质量的有效技术途径。目前采用的面形补偿技术包括基底预面形技术和膜层应力补偿技术。基底预面形技术根据膜层引起的面形变化量，将基底加工成的相反面形量，目前的基底加工技术很难实现这种面形定量化的加工。
膜层应力补偿包括三种：
一是在基底非镀膜面镀制二氧化硅膜层以抵消功能膜面的应力，这种补偿技术只适用于折射率与二氧化硅材料接近的基底，如熔石英基底；
二是在基底两面镀制相同的膜层，这种方法增加了镀膜成本，并且不适用于基底两面需要不同技术指标的薄膜元件；
三是采用不同的沉积技术制备高、低折射率膜层，例如采用原子层沉积技术制备Al2O3，采用离子束溅射技术制备SiO2层(参见Applied Surface Science,2019,476:521-527)，该方法每制备一层膜就需要更换一次镀膜设备，实际制备工艺难度极大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法，该方法能够对沉积在任意折射率基底上的镀膜元件进行面形补偿，减少镀膜引起的波面质量下降，且不影响镀膜元件的光谱性能，该方法对单面镀膜和双面镀膜元件均适用。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法，其特点在于：同时利用电子束双源共蒸技术和离子束辅助沉积技术，在基底的非镀膜或者在镀膜后面形较凹的待镀膜面沉积离子束辅助混合物单层膜，形成折射率与基底相同的光学虚设层来调谐镀膜元件面形；包括以下步骤：
①向计算机输入参数：包括基底折射率nS、离子束辅助沉积高折射率材料折射率nH、离子束辅助沉积低折射率材料折射率nL，其中，nH>nS>nL；离子束辅助沉积高折射率材料膜层在使用环境的应力σH、离子束辅助沉积低折射率材料膜层在使用环境的应力σL、混合物单层膜总沉积速率v、功能薄膜A的膜层数NA、功能薄膜A在使用环境的应力σA、功能薄膜A的厚度dA、功能薄膜B的膜层数NB、功能薄膜B在使用环境的应力σB、功能薄膜B的厚度dB，其中，σB·dB＞σA·dA。
②计算机计算混合物单层膜中高折射率材料的占比、混合物单层膜的物理厚度、混合物单层膜中高折射率和低折射率材料的沉积速率。
a.根据公式(1)计算混合物单层膜中高折射率材料的占比x：
Figure BDA0002415588580000021
b.根据公式(2)计算混合物单层膜的厚度dM：
Figure BDA0002415588580000022
c.根据公式(3)计算混合物单层膜中高折射率材料的沉积速率vH：
vH＝v·x (3)
d.根据公式4)计算混合物单层膜中低折射率材料的沉积速率vL：
vL＝v·(1-x) (4)
③基底清洗与装夹：清洗基底并晾干，然后将所述的基底装夹到镀膜设备的夹具盘上；
④薄膜制备：将基底加热至50℃～230℃；当真空度优于9.0×10-3Pa时，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为90V～170V；打开电子枪高压和束流，分别以vH和vL的沉积速率同时沉积混合物单层膜的高折射率材料和低折射率材料，当混合物单层膜厚度达到dM时，关闭等离子体源；开始镀制下一层，当已镀膜层总数达到NA+1时，停止镀膜；
⑤基底翻面：待真空腔室冷却至50℃以下时，打开真空腔室，将基底已镀膜的表面朝上放置，并关闭真空腔室。
⑥薄膜制备：将基底加热至50℃～230℃；当真空度优于9.0×10-3Pa时，打开电子枪高压和束流开始镀制下一层膜，当已镀膜层总数达到NB时，关闭电子枪高压和束流；
⑦镀膜结束。
本发明的技术效果：
本发明同时利用电子束双源共蒸技术和离子束辅助沉积技术，在基底的非镀膜或者在镀膜后面形较凹的待镀膜面沉积离子束辅助混合物单层膜，形成折射率与基底相同的光学虚设层来调谐镀膜元件面形。
本发明能够对沉积在任意折射率基底上的镀膜元件进行面形补偿，减少镀膜引起的波面质量下降，且不影响镀膜元件的光谱性能，该方法对单面镀膜和双面镀膜元件均适用。
本发明非常适合于需要对膜层应力引起的波面质量改变进行补偿的薄膜元件的制备。
附图说明
图1为本发明基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿实物实施例的示意图。
附图标注说明：1-功能薄膜A；2-用于面形补偿的混合物膜层；3-基底；4-功能薄膜B。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1为本发明基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿实物实施例的示意图。
以K9玻璃作为基底，采用HfO2和SiO2作为混合物单层膜中的高、低折射率材料，对单面1064nm高反射膜的面形补偿为例，说明本发明基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法，该方法包括下列步骤：
①向计算机输入参数：包括基底折射率nS(1.51)、离子束辅助沉积高折射率材料折射率nH(1.90)、离子束辅助沉积低折射率材料折射率nL(1.44)；离子束辅助沉积高折射率材料膜层在使用环境的应力σH(-100Mpa)、离子束辅助沉积低折射率材料膜层在使用环境的应力σL(-420MPa)、混合物单层膜总沉积速率v(0.4nm/s)、功能薄膜A的膜层数NA(0)、功能薄膜A在使用环境的应力σA(0)、功能薄膜A的厚度dA(0)、功能薄膜B的膜层数NB(27)、功能薄膜B在使用环境的应力σB(-60Mpa)、功能薄膜B的厚度dB(5636nm)；
②计算机计算混合物单层膜中高折射率材料的占比、混合物单层膜的物理厚度、混合物单层膜中高折射率和低折射率材料的沉积速率：
a.根据公式(1)计算混合物单层膜中高折射率材料的占比x，得到x＝0.15：
Figure BDA0002415588580000041
b.根据公式(2)计算混合物单层膜的厚度dM，得到dM＝909nm：
Figure BDA0002415588580000042
c.根据公式(3)计算混合物单层膜中高折射率材料的沉积速率vH，得到vH＝0.06nm/s：
vH＝v·x (3)
d.根据公式4)计算混合物单层膜中低折射率材料的沉积速率vL，得到vL＝0.34nm/s：
vL＝v·(1-x) (4)
③基底清洗与装夹：清洗基底并晾干，然后将基底装夹到镀膜设备的夹具盘上；
④薄膜制备：将基底加热至200℃；当真空度优于9.0×10-4Pa时，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为150V；打开电子枪高压和束流，分别以vH(0.06nm/s)和vL(0.34nm/s)的沉积速率同时沉积混合物单层膜的高折射率材料HfO2和低折射率材料SiO2，当混合物单层膜厚度达到dM(909nm)时，关闭等离子体源；开始镀制下一层，当已镀膜层总数达到NA+1(1)时，停止镀膜；
⑤基底翻面：待真空腔室冷却至50℃以下时，打开真空腔室，将所述的基底的已镀膜的表面朝上放置，并关闭真空腔室。
⑥薄膜制备：将所述的基底加热至200℃；当真空度优于9.0×10-4Pa时，打开电子枪高压和束流开始镀制下一层膜，当已镀膜层总数达到NB(27)时，关闭电子枪高压和束流。
⑦镀膜结束。
表1所示为未采用和采用本发明方法制备实施例中单面1064nm高反射膜的理论性能对比。可以看出，本发明同时利用电子束双源共蒸技术和离子辅助沉积技术，在基底的非镀膜或者在镀膜后面形较凹的待镀膜面沉积离子辅助混合物单层膜，形成折射率与基底相同的光学虚设层来调谐镀膜元件面形。本发明能够对沉积在任意折射率基底上的镀膜元件进行面形补偿，减少镀膜引起的波面质量下降，且不影响镀膜元件的光谱性能，该方法对单面镀膜和双面镀膜元件均适用。
表1.未采用和采用本发明方法制备实施例中单面1064nm高反射膜的理论性能对比
Figure BDA0002415588580000051

Claims (1)

1.一种基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法，其特征在于：利用电子束双源共蒸技术和离子束辅助沉积技术，在基底的非镀膜或者在镀膜后的面形较凹的待镀膜面沉积离子束辅助混合物单层膜，形成折射率与基底相同的光学虚设层来调谐镀膜元件面形，该方法包括以下步骤：
①向计算机输入参数：包括基底的折射率nS、离子束辅助沉积高折射率材料的折射率nH、离子束辅助沉积低折射率材料的折射率nL，其中，nH>nS>nL；离子束辅助沉积高折射率材料膜层在使用环境的应力σH、离子束辅助沉积低折射率材料膜层在使用环境的应力σL、混合物单层膜总沉积速率v、功能薄膜A的膜层数NA、功能薄膜A在使用环境的应力σA、功能薄膜A的厚度dA、功能薄膜B的膜层数NB、功能薄膜B在使用环境的应力σB、功能薄膜B的厚度dB，其中，σB·dB＞σA·dA；
②计算机计算混合物单层膜中高折射率材料的占比、混合物单层膜的物理厚度、混合物单层膜中高折射率和低折射率材料的沉积速率：
a.根据公式(1)计算混合物单层膜中高折射率材料的占比x：
Figure FDA0002415588570000011
b.根据公式(2)计算混合物单层膜的厚度dM：
Figure FDA0002415588570000012
c.根据公式(3)计算混合物单层膜中高折射率材料的沉积速率vH：
vH＝v·x (3)
d.根据公式4)计算混合物单层膜中低折射率材料的沉积速率vL：
vL＝v·(1-x) (4)
③基底清洗与装夹：清洗基底并晾干，然后将基底装夹到镀膜设备的夹具盘上；
④薄膜制备：将基底加热至50℃～230℃；当真空度优于9.0×10-3Pa时，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为90V～170V；打开电子枪高压和束流，分别同时以沉积速率vH沉积混合物单层膜的高折射率材料和沉积速率vL沉积混合物单层膜的低折射率材料，当混合物单层膜的厚度达到dM时，关闭等离子体源；开始镀制下一层，当已镀膜层的总数达到NA+1时，停止镀膜；
⑤基底翻面：待真空腔室冷却至50℃以下时，打开真空腔室，将基底已镀膜的表面朝上放置，并关闭真空腔室；
⑥薄膜制备：将所述的基底加热至50℃～230℃；当真空度优于9.0×10-3Pa时，打开电子枪高压和束流开始镀制下一层膜，当已镀膜层的总数达到NB时，关闭电子枪高压和束流；
⑦镀膜结束。
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