CN115185027A - 空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜及其制备方法，属于空间激光通信技术领域，在反射膜的基片上渡有金属膜，所述金属膜上渡有介质膜，所述金属膜为金膜，所述介质膜由低折射率的介质材料和高折射率的介质材料交替沉积而成。本发明示例的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜及其制备方法，针对空间激光通信光学系统在800±5nm和1550±5nm收发效率大于98％的要求，采用Essential Macleod膜系设计软件结合物理气相沉积设备，在微晶玻璃上完成了空间激光通信光学系统中近红外反射膜的研制，利用Lamda1050光谱仪测试了反射镜的光谱曲线，结果表明所研制的膜层在800±5nm和1550±5nm处反射率均值分别为99.3867％和99.1717％，满足技术指标要求。
Description
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，特别是涉及空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜及其制备方法。
背景技术
空间激光通信是以光波为信息传输媒质在自由空间实现信息传递的一种通信技术，其通讯速率高达几百Mbps至几十Gbps，兼具频带宽、指向性好、抗电磁干扰和传输速率高等优点，在GEO与GEO之间、LEO与LEO之间、GEO与地面之间、飞机与GEO或LEO之间可建立多个光学空间通信链路。
第一代空间光通信系统以830nm波段为载波，通信速率在300Mbps以内，随着激光器件与技术的发展，以美国OPALS项目和欧洲OPTEL项目为代表的第二代空间光通信系统采用1550nm波段的技术路线，通信速率为2.5Gbps。另外，800nm和1550nm波段的相干光空间光通信系统也受到了广泛的关注与研究。目前，国际上空间激光通信中强度调制/直接检测(IM/DD)链路已经非常成熟，正在朝IM/DD、BPSK、DPSK、QPSK等多种调制格式兼容的高速激光通信发展。关键技术和核心部件已进入应用研究阶段。2021年，长春理工大学光电信息学院给出杂散光抑制能力分析模型，进而对光学系统衍射杂光点源透过率和光学系统杂散光抑制能力点源透过率进行了分析。西南林业大学提出采用离轴三反光学天线降低后向散射从而实现高隔离度激光通信的终端光学系统。
国内外科研工作者对空间激光通信中光学系统的设计、杂散光抑制能力分析、误码率、通信速率等进行了深入研究，2030我国将实现“天地一体化信息网络”重大工程项目，但空间激光通信系统中薄膜器件的研究还鲜有报道。薄膜器件的性能决定了空间激光通信系统的发射和接收效率。因此，如何通过镀膜技术进一步提高空间激光通信系统的性能一直是国内外亟需解决的难题。本文根据空间激光通信系统的设计要求，对其中的高反射镜进行了研制。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜及其制备方法，针对空间激光通信光学系统在800±5nm和1550±5nm收发效率大于98％的要求，采用Essential Macleod膜系设计软件结合物理气相沉积设备，在微晶玻璃上完成了空间激光通信光学系统中近红外反射膜的研制，利用Lamda1050光谱仪测试了反射镜的光谱曲线，结果表明所研制的膜层在800±5nm和1550±5nm处反射率均值分别为99.3867％和99.1717％，满足技术指标要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
提供了一种空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜，在反射膜的基片上渡有金属膜，所述金属膜上渡有介质膜。
进一步的，所述金属膜为金膜。
进一步的，所述介质膜由低折射率的介质材料和高折射率的介质材料交替沉积而成。
进一步的，所述低折射率的介质材料为SiO2。
进一步的，所述高折射率的介质材料为H4。
一种空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜的制备方法，包括以下步骤：
S1：在真空环境下对基片进行加温，当温度达到180-220℃时维持30min，开启离子源轰击，沉积速率为0.4-0.8nm·s-1，同时发射氧离子束；
S2：在真空环境下进行金属膜的镀制，沉积速率为0.4-0.7nm·s-1；
S3：在真空环境下进行介质膜的镀制，沉积速率为0.5-0.8nm·s-1。
进一步的，步骤S1中，所述真空环境的真空度为2.0×10-4Pa，离子源轰击时间为180s。
进一步的，步骤S2中，所述金属膜采用电子束蒸发的方式进行镀制，真空环境的真空度为2.0×10-4Pa。
进一步的，所述介质膜的介质材料为H4及SiO2。
进一步的，所述介质膜采用H4及SiO2交替沉积而成，所述介质膜采用电子束蒸发的方式进行镀制，真空环境的真空度为2.0×10-4Pa。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明示例的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜，利用Au膜在红外区的反射率比的特性，并结合H4和SiO2作为介质膜材料，金属膜和介质膜组合即发挥了金属膜反射带宽的优势又结合了介质膜吸收小、反射率高的优点，制备出的反光膜具有抗激光损伤阈值高、附着力强、环境适应性强等特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为反射率理论设计曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
1、空间激光通信光学系统中近红外反射膜的设计
近红外反射膜是空间激光通信光学系统中的重要光学元件，本实施例将对其展开研究。根据空间激光通信光学系统的使用要求，近红外反射膜具体技术指标如表1所示。
表1空间激光通信光学系统中中反射镜技术指标
近红外波段常用的金属材料有Au、Ag、Al等，其中Au膜在红外区的反射率比Al高，强度和化学稳定性比Ag好，因此本实施例选择Au作为镀膜材料。但Au膜与基片的附着力较差，因此在Au膜沉积过程中，需要用离子源轰击以提高Au膜与基片的附着力。金属膜和介质膜组合即发挥了金属膜反射带宽的优势又结合了介质膜吸收小、反射率高的优点，综合考虑抗激光损伤阈值、附着力和高低温等环境适应性要求，本实施例选择H4和SiO2作为介质膜材料。
依据物理气象沉积的基础理论，对于k(k＝1,2,3,…)层膜结构，膜层与基片的特征矩阵为
式中，ηj为第j层薄膜材料的有效导纳，ηs为基底材料的有效导纳，σj为第j层膜的位相厚度，薄膜反射率为
式中，η0为入射介质的有效导纳。由技术指标可知，当光线垂直入射时，在800±5nm和1550±5nm处R>99％。利用Essential Macleod膜系设计软件，将膜系要求和镀膜材料导入膜系设计软件中，得到空间激光通信光学系统中近红外反射膜的理论设计曲线如图1所示。在800±5nm处反射率均值为99.5367％，在1550±5nm处反射率均值为99.3317％，满足设计要求。
2、空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜的制备
该激光通信光学系统中近红外激光高反射膜的制备在德国莱宝光学公司设计生产的高性能光学镀膜机上进行的，包括以下步骤：
当真空度达到2.0×10-4Pa时给基片加温，待温度达200℃时维持30min，开启离子源轰击180s，当真空室内真空度达到2.0×10-4Pa时开始蒸镀，Au、H4和SiO2沉积工艺参数如表1所示。
表2Au、H4和SiO2沉积工艺参数
3、光谱及环境测试
空间激光通信光学系统中近红外反射膜的反射光谱采用Perkin Elemer公司生产的Lamda1050光谱仪进行测试。结果表明所研制的膜层在800±5nm和1550±5nm处反射率均值分别为99.3867％和99.1717％，实测值比理论值在800±5nm处反射率低0.15％，在1550±5nm处反射率低0.16％，分析误差主要来源于薄膜的吸收和散射损耗，虽然实测结果不如设计结果理想但仍能满足设计要求。
对播磨的厚度均匀性进行了测试，结果显示，其膜层厚度均匀性达到99％以上，符合要求。
将口径300mm的镀膜样品进行环境测试，在附着力试验中，以1cm宽剥离强度不小于3N/cm的胶带纸牢牢粘在试件膜层表面上，垂直迅速拉起，无脱膜现象。在温度试验中，试件在温度为±80℃的温度下各保持24h，无起皮、脱膜、裂纹、起泡现象。在湿度实验中，试件在相对湿度为95％～100％的条件下保持24h无起皮、脱膜、裂纹、起泡现象。在激光损伤实验中，以6.5W/cm2的连续激光照射膜层表面，膜层无起皮、脱膜、裂纹、起泡现象。
4、结论
本文采用Essential Macleod软件设计了800±5nm和1550±5nm处R>99％的近红外激光高反射膜。结合系统技术指标，选择微晶玻璃作为空间激光通信光学系统反射镜的基底材料，采用金属与介质膜混合结构在德国莱宝光学镀膜机上实现了膜层的制备。镀膜样品采用Lamda1050光谱仪进行测试，测试结果表明镀膜样品满足技术指标要求并通过了环境测试。
本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜，其特征在于，在反射膜的基片上渡有金属膜，所述金属膜上渡有介质膜。
2.根据权利要求1所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜，其特征在于，所述金属膜为金膜。
3.根据权利要求1所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜，其特征在于，所述介质膜由低折射率的介质材料和高折射率的介质材料交替沉积而成。
4.根据权利要求3所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜，其特征在于，所述低折射率的介质材料为SiO2。
5.根据权利要求3所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜，其特征在于，所述高折射率的介质材料为H4。
6.一种权利要求1-5任一项所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在真空环境下对基片进行加温，当温度达到180-220℃时维持30min，开启离子源轰击，沉积速率为0.4-0.8nm·s-1，同时发射氧离子束；
S2：在真空环境下进行金属膜的镀制，沉积速率为0.4-0.7nm·s-1；
S3：在真空环境下进行介质膜的镀制，沉积速率为0.5-0.8nm·s-1。
7.根据权利要求6所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述真空环境的真空度为2.0×10-4Pa，离子源轰击时间为180s。
8.根据权利要求6所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述金属膜采用电子束蒸发的方式进行镀制，真空环境的真空度为2.0×10-4Pa。
9.根据权利要求6所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜的制备方法，其特征在于，所述介质膜的介质材料为H4及SiO2。
10.根据权利要求7所述的空间激光通信光学系统中近红外激光高反射膜的制备方法，其特征在于，所述介质膜采用H4及SiO2交替沉积而成，所述介质膜采用电子束蒸发的方式进行镀制，真空环境的真空度为2.0×10-4Pa。
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