CN114217364A - 一种超低吸收的co2激光双面增透膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CO2波段超低吸收双面增透膜及其制备方法，CO2激光波段超低吸收双面增透膜，其结构为：Air/qHpL/Sub/pLqH/Air；其中，Sub代表基底；H代表高折射率膜料ZnSe膜层；L代表低折射率膜层，L为两种低折射率膜料L1膜层和L2膜层的混合膜层，两种低折射率膜料L1膜层和L2膜层的折射率均为1～1.6，低折射率膜料L1膜层和低折射率膜料L2膜层所用材料不同，低折射率膜料L1膜层：低折射率膜料L2膜层的光学厚度比例控制在1：3～1：6。本发明在硒化锌基片两侧表面镀制膜系，并通过结合两种低折射率膜料混镀，实现10600nm增透，减少了吸收，提高了透过率，平均透过率大于99.7％，单面反射小于0.1％，吸收由原先的0.3％降低到0.1％以内，抗激光损伤阈值经检测由原先的6000W/CM2提升到10000W/CM2。
Description
技术领域
本发明涉及一种超低吸收的CO2激光双面增透膜及其制备方法，属于减反膜领域。
背景技术
随着光电子技术，尤其是激光技术、光纤通讯等高科技产品的发展，光学薄膜涂层在基础光学、激光技术、光谱学等领域得到越来越广泛的应用。例如，高功率激光中，低吸收、高损伤阈值的薄膜元件是获得优质激光束的关键元件。正因为如此，薄膜技术也在飞速发展。
在光学元件中，CO2减反膜的优点是制备工艺较简单，难点是膜层吸收大，透过率低，透过率很难提升至99.7％以上，且膜层抗激光损伤阈值较难提升。本发明开发了一种CO2激光波段超低吸收双面增透膜，降低了减反膜膜层的吸收，将两种膜料控制比例进行混镀，达到提升透过率和抗激光损伤阈值的目的。
发明内容
本发明提供一种CO2激光波段超低吸收双面增透膜及其制备方法，通过膜系设计和工艺改进，在基底两侧表面镀制膜系，实现10600nm增透，平均透过率大于99.7％，单面反射小于0.1％，吸收由原先的0.3％降低到0.1％以内；抗激光损伤阈值由原先的 6000W/CM2提升到10000W/CM2。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种CO2激光波段超低吸收双面增透膜，其结构为：Air/qHpL/Sub/pLqH/Air；其中，Sub代表基底；H代表高折射率膜料ZnSe膜层，高折射率膜料ZnSe膜层的折射率为 2～3；L代表低折射率膜层，L为两种低折射率膜料L1膜层和L2膜层的混合膜层，两种低折射率膜料L1膜层和L2膜层的折射率均为1～1.6，低折射率膜料L1膜层和低折射率膜料 L2膜层所用材料不同，低折射率膜料L1膜层：低折射率膜料L2膜层的光学厚度比例控制在1：3～1：6；p、q分别代表各膜层的光学厚度系数。
p、q数值大小和参考波长λ有关，且0≤p≤100，0≤q≤200。Air为空气侧。
申请人经研究发现，低折射率膜料L1膜层(YF3膜层或YbF3膜层)：L2膜层(BaF2膜层)的光学厚度比例控制在1：3到1：6之间对高功率激光薄膜的吸收值具有决定性的作用，通过膜系优化，在一定程度上控制温度场与热应力场的分布，可以大大降低薄膜的吸收值，显著提高抗激光损伤阈值；另一方面考虑到镀膜效率及膜层所造成的吸收、散射、不牢等多方面因素，本申请使用最少的膜层数、最小吸收的膜料厚度匹配，第一组YF3或YBF3膜层厚度为160±5nm，BaF2膜层厚度为945±5nm，第二组YF3或YBF3膜层厚度为270±5nm，BaF2膜层厚度为810±5nm，得到了光学性能和机械性能均优异的CO2波段超低吸收增透膜，解决了现有CO2波段的增透膜吸收大的问题，改善了镜片的使用效果，延长了镜片的使用寿命。
优选，基底正反面的膜层称对称设置。
对于CO2波段来说，膜料在此波段的吸收是第一考虑要素，考虑到吸收、折射率、附着力、耐湿性、耐温性等情况，优选，高折射率膜层所用膜料为硒化锌(ZnSe)；低折射率膜层所用膜料为氟化物材料。进一步优选，低折射率膜料L1为YF3或YbF3，低折射率膜料L2为BaF2。
两种低折射率膜料的比例不同。两种低折射率的膜料通过比例混合达到应力和吸收降低。
上述基底所用材料为折射率2～3的CO2激光窗口玻璃。优选，基底所用材料为硒化锌，厚度为3±0.2mm。
作为本申请具体的优选方案，超低吸收的CO2激光双面增透膜，其结构为其结构为： Air/0.2H(pmL1pnL2)/Sub/(pnL2pmL1)0.2H/Air，其中，H代表ZnSe膜层，L1代表 YF3膜层，L2代表BaF2膜层，其中pm:pn＝i，3≤i≤6。
上述CO2激光波段超低吸收双面增透膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)基底加热：镀膜前对基底在抽真空状态下进行烘烤加热，提高基底温度，烘烤温度为150℃～250℃，时间为1～1.5h；
(2)离子束清洗：对基底进行离子束清洗，离子清洗时长为1～15min，离子束电压为200～400V，离子束流为1～8A；
(3)基底正面膜系镀制：根据膜系设计中的膜系结构，在基底正面依次镀制各膜层；
(4)基底背面膜系镀制：正面膜系镀制完成后，取出元件，重复步骤(1)～(2)对反面各膜层依次镀制。
上述方法使用电子束蒸发以及合适的烘烤温度等特定的工艺条件，采用双面镀膜方式，可实现3mm厚的硒化锌镜片在10600nm波段具有良好的透过效果，平均透过率在99.7％以上；提高了CO2激光镜片的光学效率，并保证了光学镜片的抗激光损伤阈值，使得此光学元件在CO2激光应用上使用寿命更长。
为了提高膜层附着力，步骤(1)中，烘烤前，用无尘布蘸环保擦拭液和丙酮体积比为(6-8):1的混合液擦拭基底。
膜层制备时条件的控制，也是非常关键的，各膜层的制备条件不仅影响着单膜层的致密性等性能，还影响着与相邻膜层的结合力以及整体膜层的光学性能，优选，步骤(3)和步骤(4)中：
YF3(或YbF3)膜层镀制：将YF3(或YbF3)膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为 0.5nm/s；
BaF2膜层镀制：将BaF2膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为1-5nm/s，优选为1-3nm/s；
ZnSe膜层镀制：将ZnSe膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为1-5nm/s，优选为1-2nm/s；
需要特别提出，YF3或YbF3膜层和BaF2膜层是同时蒸发，通过调整沉积速率来保证蒸镀比例，进一步优选，YF3或YbF3的沉积速率为0.5nm/s，BaF2沉积速率为1.5nm/s或者YF3或YbF3的沉积速率为0.5nm/s，BaF2沉积速率为3nm/s。
上述通过膜系设计和工艺改进，在3mm厚硒化锌基片两侧表面镀制膜系实现10600nm增透，降低吸收，提高了透过率，平均透过率≥99.7％，单面反射≤0.1％；抗激光损伤阈值经检测由原先的6000W/CM2提升到10000W/CM2。
本底真空度是指在真空镀膜中，利用真空抽气系统使在一定的空间内的气体达到一定的真空度，而这一真空度恰能满足该种被镀物品沉积时所要求的真空度(不同货品对本底真空度有不同的需求)。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明超低吸收的CO2激光双面增透膜，在硒化锌基片两侧表面镀制膜系，并通过结合两种低折射率膜料混镀，实现10600nm增透，减少了吸收，提高了透过率，平均透过率大于99.7％，单面反射小于0.1％，吸收由原先的0.3％降低到0.1％以内，抗激光损伤阈值经检测由原先的6000W/CM2提升到10000W/CM2。
附图说明
图1为本发明实施例1中10600nm波段超低吸收增透膜的结构示意图；
图2为本发明实施例1中10600nm波段超低吸收增透膜的设计曲线；
图3为本发明实施例1中10600nm波段超低吸收增透膜的反射镀膜曲线；
图4为本发明实施例1中10600nm波段超低吸收增透膜的透过镀膜曲线；
图5为本发明实施例1中10600nm波段超低吸收增透膜的吸收实测曲线。
图6为本发明实施例1中镀膜前镜片的面型；
图7为本发明实施例1中镀膜后镜片的面型。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
薄膜的制备是在南光1100真空箱式镀膜机上完成的，膜厚采用光控+晶控控制系统。此镀膜机配备电子束和热阻蒸发双种蒸发源方式，冷凝泵确保设备内无油无水。
实施例1
如图1所示，一种CO2激光波段超低吸收双面增透膜，其结构为：Air/0.2H(pmL1pnL2)/Sub/(pnL2pmL1)0.2H/Air，其中，Sub代表基底，材料为硒化锌，基底厚度为3mm； H代表ZnSe膜层，L1代表YF3膜层，L2代表BaF2膜层，其中pm:pn＝1：3，物理厚度分别为YF3270nm、BaF2810nm、ZnSe 225nm。
实施例2
将实施例1中的YF3膜层替换为YbF3，其它参照实施例1。
实施例3
与实施例1所不同的是：物理厚度分别为YF3160nm、BaF2945nm、ZnSe 214nm。
上述实施例1-3中，增透膜的制备方法，均包括如下步骤：
(1)基底加热：用无尘布蘸环保擦拭液(佛山佳劲ECH-CS)和丙酮体积比为7:1的混合液擦拭基底，对基底在抽真空状态下进行烘烤加热，提高基底温度，其中，烘烤温度为200℃～210℃，烘烤时间为1.5小时；
(2)离子束清洗：对基底进行离子束清洗，离子清洗时长为2min，离子束电压为100V，离子束流为4A；
(3)基底正面膜系镀制：根据膜系设计中的膜系结构，在基底正面依次镀制各膜层；
(4)基底反面膜系镀制：正面膜系镀制完成后，取出元件，重复步骤(1)～(3)对反面各膜层依次镀制；
步骤(3)和步骤(4)中，ZnSe膜层镀制：将ZnSe膜料放到坩埚中，采用电子束蒸发的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为0.5nm/s；BaF2膜层镀制：将BaF2膜料放到坩埚中，采用电子束蒸发的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为3nm/s；YF3或YbF3膜层镀制：将YF3或YbF3膜料放到坩埚中，采用电子束蒸发的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为0.5-1nm/s。YF3膜层或YbF3膜层与BaF2膜层是同时蒸发(同时开始同时结束)。
使用布鲁克分光光度计进行指标检测，由图3-图5可见，实施例1中增透膜单面反射小于0.1％，双面透过率大于99.7％，吸收由原先的0.3％降低到0.1％以内。经测试实施例2-3中增透膜单面反射均小于0.1％，双面透过率均大于99.7％，吸收均降低到0.1％以内。
实施例1中10600nm波段超低吸收增透膜的抗激光损伤阈值经检测由原先的6000W/CM2提升到10000W/CM2。
图6-7为实施例1中镀膜前、后镜片的面型，可看出镀膜前pv值为0.552，镀膜后 pv值为0.578，面型变化不大，可看出应力很小。
为了保证光学元件的可靠性，根据使用要求对样品进行了环境试验：
附着力测试：用宽度1英寸的3M专用胶带紧贴镀膜表面，然后沿膜面垂直方向迅速拉起，反复拉扯20次实施例1-3膜层均未有脱膜现象。
湿热测试：在温度为50℃的水里浸泡48小时后，实施例1-3膜层均无任何变化；
耐高温验证：常温升至300℃烘烤12小时后降至常温后，实施例1-3膜层均无任何变化。
对比例1
与实施例1所不同的是：物理厚度分别为YF3270nm、BaF2675nm，同时对YF3的沉积速率适应性调整。单面反射率为0.7％，双面透过率为98％，吸收率为0.5％；300℃烘烤12小时后降至常温后，膜层直接碎掉。
对比例2
与实施例1所不同的是：物理厚度分别为YF3120nm、BaF2840nm，同时对YF3的沉积速率适应性调整。单面反射率为0.5％，双面透过率为98.5％，吸收率为0.35％；300℃烘烤12小时后降至常温后，膜层有起皮现象。
Claims (10)
1.一种超低吸收的CO2激光双面增透膜，其特征在于：其结构为：Air/qHpL/Sub/pLqH/Air；其中，Sub代表基底；H代表高折射率膜料ZnSe膜层，高折射率膜料ZnSe膜层的折射率为2～3；L代表低折射率膜层，L为两种低折射率膜料L1膜层和L2膜层的混合膜层，两种低折射率膜料L1膜层和L2膜层的折射率均为1～1.6，低折射率膜料L1膜层和低折射率膜料L2膜层所用材料不同，低折射率膜料L1膜层：低折射率膜料L2膜层的光学厚度比例控制在1：3～1：6；p、q分别代表各膜层的光学厚度系数。
2.如权利要求1所述的超低吸收的CO2激光双面增透膜，其特征在于：低折射率膜料L1膜层为YF3膜层或YbF3膜层，低折射率膜料L2膜层为BaF2膜层。
3.如权利要求1或2所述的超低吸收的CO2激光双面增透膜，其特征在于：基底所用材料为硒化锌，厚度为3±0.2mm。
4.如权利要求1或2所述的超低吸收的CO2激光双面增透膜，其特征在于：其结构为：Air/0.2H(amL1 anL2)/Sub/(anL2 amL1)0.2H/Air，其中，H代表ZnSe膜层，L1代表YF3膜层，L2代表BaF2膜层，其中am:an＝i，3≤i≤6。
5.权利要求1-4任意一项所述的超低吸收的CO2激光双面增透膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)基底加热：镀膜前对基底在抽真空状态下进行烘烤加热，提高基底温度，烘烤温度为150℃～250℃，时间为1～1.5h；
(2)离子束清洗：对基底进行离子束清洗，离子清洗时长为1～15min，离子束电压为200～400V，离子束流为1～8A；
(3)基底正面膜系镀制：根据膜系设计中的膜系结构，在基底正面依次镀制各膜层；
(4)基底背面膜系镀制：正面膜系镀制完成后，取出元件，重复步骤(1)～(2)对反面各膜层依次镀制。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，烘烤前，用无尘布蘸环保擦拭液和丙酮体积比为(6-8):1的混合液擦拭基底。
7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)和步骤(4)中，ZnSe膜层镀制：将ZnSe膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为1-2nm/s。
8.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)和步骤(4)中，YF3膜层或YbF3膜层与BaF2膜层是同时蒸发。
9.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)和步骤(4)中，YF3膜层镀制：将YF3膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为0.5-1nm/s；YbF3膜层镀制：将YbF3膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为0.5-1nm/s。
10.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)和步骤(4)中，BaF2膜层镀制：将BaF2膜料放到坩埚或者钼皮舟中，采用电子束蒸发或者电阻加热的方法进行镀制，其本底真空度高于9.5×10-4Pa，沉积速率为1-3nm/s。
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