CN210237752U

CN210237752U - 一种耐高温的co2激光增透膜

Info

Publication number: CN210237752U
Application number: CN201920499500.2U
Authority: CN
Inventors: Quanmin Li; 李全民; Li Chen; 陈莉; Min Zhu; 朱敏; Guoli Wang; 王国力; Yutang Wu; 吴玉堂
Original assignee: Nanjing Wavelength Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Wavelength Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2029-04-15

Abstract

本实用新型公开了一种耐高温的CO₂激光增透膜，包括基底层，基底层上依次沉积有第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层，其中，第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层的覆盖面积均为基底层表面面积的95％以上。本实用新型耐高温的CO₂激光增透膜，结构简单、设计精巧，第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层四层结合具有耐高温、高透过率、膜层牢固、膜层相互间应力互补、膜层不易破裂等特点，可满足元件连续在高温条件下作业的情况；各层所用材料均无放射性，不会对操作员以及环境造成损害。

Description

一种耐高温的CO2激光增透膜

技术领域

本实用新型涉及一种耐高温的CO₂激光增透膜，属于CO₂激光增透膜领域。

背景技术

近年来随着信息产业的发展，陶瓷、玻璃、印刷电路板、有机物等材料得到了大量的使用，对于这些材料的加工成为研究的热点，为此CO₂激光技术被日益重视。

激光薄膜既是激光系统中的重要元件，也是所有元件中最薄弱的环节，激光薄膜的性能优劣很大程度上决定了激光输出的性能。激光对光学元件的破坏是限制激光向高功率、高能量发展的瓶颈，也是影响元件使用寿命的主要原因。因此，不断提高薄膜的抗激光强度，具有非常重要的意义。

光学元件，特别是光学膜层，由于材料本身和镀膜工艺的原因，膜层中存在各种缺陷，缺陷在膜层中以一定的方式和密度分布，这些缺陷往往是导致光学元件损伤的主要原因。耐温性差是目前CO₂激光增透膜普遍存在的缺陷，而目前关于CO₂增透膜层的耐高温报道甚少。

实用新型内容

本实用新型提供一种耐高温的CO₂激光增透膜，通过优化膜系设计结构，从而达到膜层耐高温的性能的提升，进而通过提升抗激光损伤阈值来延长元件使用寿命；进一步，通过制备工艺的改进，减少了膜层缺陷，使膜层的综合性能得到显著提升。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种耐高温的CO₂激光增透膜，包括基底层，基底层上依次沉积有第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层，其中，第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层的覆盖面积均为基底层表面面积的95％以上。

本申请基底层上沉积有低折射率的第一氟化钇层，氟化钇层上沉积有低折射率的氟化镱钙层，氟化镱钙层上沉积有高折射率的硒化锌层，硒化锌层上沉积有第二氟化钇层。

膜料要求是：1、本身不吸收或很少吸收激光器输出光；2、在实际使用的条件下吸收系数随温度的变化尽可能地小；3、应具有较好的导热性，以便能在必要时工作条件恶劣或高功率输出)采取措施有效地冷却以保障元件正常工作；4、应具有一定的强度。申请人经研究发现：在红外波段，相对而言ZnSe的吸收最小，其他特性较好，合适的低折射率材料有YF₃(氟化钇)、YBF₃-Ca(氟化镱钙)、ThF₄(氟化钍)、BaF₂(氟化钡)等几种材料，但是由于Th元素有放射性，故选择了YF₃和YBF₃-Ca，此两种膜料中，YF₃随着温度的变化，吸收情况变化很大，导致膜层应力情况发生了变化进而出现击坏的现象，YBF₃-Ca相对来说较稳定，但是应力呈现张应力，与基底结合不牢，而将两种材料结合使用，不仅稳定性好，且远红外10.6um波段的透过率达到99.5％，并且能承受300度的高温，有效提高了镜片元件应用的使用寿命。

第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层中，氟化镱钙层的物理厚度最大，硒化锌层的厚度次之，第一氟化钇层和第二氟化钇层的厚度最小，这样膜层相互间应力互补效果好，膜层不易破裂，增透膜的透过率高、耐温性好。

优选，氟化镱钙层的物理厚度为第一氟化钇层物理厚度的8-9.5倍，硒化锌层的物理厚度为第一氟化钇层物理厚度的2-3倍，第二氟化钇层的物理厚度为第一氟化钇层物理厚度的0.95-1.05倍。这样能进一步促进各膜层之间的互补效果，提高增透膜的稳定性和耐温性。

为了兼顾增透膜的透过率、稳定性和耐温性，优选，第一氟化钇层的物理厚度为95-100纳米。

为了兼顾增透膜的透过率、稳定性和耐温性，优选，氟化镱钙层的物理厚度为860-870纳米。

为了兼顾增透膜的透过率、稳定性和耐温性，优选，硒化锌层的物理厚度为240-250纳米。

为了兼顾增透膜的透过率、稳定性和耐温性，优选，第二氟化钇层的物理厚度为95-100纳米。

为了确保增透膜的透过率，优选，基底层为硒化锌基底层。申请人经研究发现，硒化锌具有良好的红外透射性能及很小的吸收系数，是基底层的最佳选择。硒化锌基底层的厚度优选为3±0.1mm。

上述耐高温的CO₂激光增透膜的制备方法，以真空蒸发的方式在基底层上依次沉积第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层。

为了减少膜缺陷，优选，上述耐高温的CO₂激光增透膜的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：

1)对氟化钇、氟化镱钙和硒化锌膜料进行单独预熔处理，去除膜料内部的杂质(包括气泡、水汽等)；

2)将基底层清洁后，置于真空室内，在真空室内压强为(1.8±0.2)×10^-3Pa、烘烤温度为100±5℃的条件下，在基底层的表面依次沉积第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层。

为了进一步确保膜层的牢固性，步骤2)中，第一氟化钇层、氟化镱钙层以及第二氟化钇层蒸发过程中需要离子辅助沉积。

为了更进一步确保膜层的牢固性，步骤2)中，沉积第一氟化钇层时，氟化钇的蒸发速率为0.28±0.02nm/S，离子源束流为20A；

沉积氟化镱钙层时，氟化镱钙的蒸发速率为0.28±0.02nm/S，离子源束流为20A，本层只在前100nm使用离子源；

沉积硒化锌层时，硒化锌蒸发速率为0.17±0.02nm/S，不使用离子源；

沉积第二氟化钇层时，氟化钇的蒸发速率为0.28±0.02nm/S，离子源束流为20A。

本实用新型为了提高CO2激光聚焦镜的使用温度，从膜层材料的选材和应力匹配等方面对膜系结构进行了优化，采用离子辅助沉积的电子束蒸发工艺，制备了光学性能好﹑附着性能优良﹑基于硒化锌基底的耐高温增透膜。该膜系具有在远红外10.6um波段的透过率达到99.5％，并且能承受300℃以上的高温，有效提高了镜片元件应用的使用寿命。

本实用新型未提及的技术均参照现有技术。

本实用新型耐高温的CO₂激光增透膜，结构简单、设计精巧，第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层四层结合具有耐高温、高透过率、膜层牢固、膜层相互间应力互补、膜层不易破裂等特点，可满足元件连续在高温条件下作业的情况；各层所用材料均无放射性，不会对操作员以及环境造成损害。

附图说明

图1为实施例1中耐高温的CO₂激光增透膜的结构示意图；

图2为实施例1中耐高温的CO₂激光增透膜的单面反射率曲线图(横坐标为波长/nm，纵坐标为反射率/％)；

图3为对比例1中普通的CO₂激光增透膜的结构示意图；

图4为对比例1中普通的CO₂激光增透膜的单面反射率曲线图；

图中，1为基底层，2为第一氟化钇层，3为氟化镱钙层，4为硒化锌层，5为第二氟化钇层，6为空气，7为第二硫化锌层。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。

下例中采用南光800型镀膜机，晶控采用了INFICON SQC-310控制仪，是利用石英晶体振荡频率变化来测量薄膜质量厚度的。离子源采用中科九章研制的考夫曼离子源，通过合理控制离子能量，可以提高沉积薄膜的致密度，改善光学和机械性能。

实施例1

如图1所示，一种耐高温的CO₂激光增透膜，包括基底层，基底层上依次沉积有第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层，其中，第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层的覆盖面积均为基底层表面面积的98％。

第一氟化钇层的物理厚度为96纳米；氟化镱钙层的物理厚度为866纳米；硒化锌层的物理厚度为242纳米；第二氟化钇层的物理厚度为97纳米；基底层为厚度为3mm硒化锌基底层。

上述耐高温的CO₂激光增透膜的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：

1)对氟化钇、氟化镱钙、硒化锌膜料进行单独预熔处理，去除膜料内部的杂质；

2)将基底层清洁后，置于真空室内，在真空室内压强为1.8×10^-3Pa、烘烤温度为100℃的条件下，在基底层的表面依次沉积第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层；沉积第一氟化钇层时，氟化钇的蒸发速率为0.28nm/S，离子源：加速电压为250V，屏极电压为400V，束流为20A；沉积氟化镱钙层时，氟化镱钙的蒸发速率为0.28nm/S，离子源：加速电压为250V，屏极电压为400V，束流为20A，本层只在前100nm使用离子源；沉积硒化锌层时，硒化锌蒸发速率为0.17nm/S，不使用离子源；沉积第二氟化钇层时，氟化钇的蒸发速率为0.28nm/S，离子源：加速电压为250V，屏极电压为400V，束流为20A。所得耐高温的CO₂激光增透膜在远红外10.6um波段的透过率达到99.5％。

实施例2

第一氟化钇层的物理厚度为98纳米；氟化镱钙层的物理厚度为863纳米；硒化锌层的物理厚度为246纳米；第二氟化钇层的物理厚度为99纳米；基底层为厚度为3mm的硒化锌基底层。

上述耐高温的CO₂激光增透膜的制备参照实施例1。所得耐高温的CO₂激光增透膜在远红外10.6um波段的透过率达到99.5％。

对上述各例所得膜进行如下性能测试，参照标准为美军标MIL-48497A薄膜环境可靠性试验的标准，具体结果如下：

1)耐高温测试：将镀膜样片在300℃下烘烤6小时后，降至常温，再继续升温至300℃烘烤6小时，膜层均无起皮、起泡、裂纹、脱膜等现象；

2)耐水性测试：将镀膜样片在温度为50℃下的水里浸泡24小时后，膜层均无碎裂，且用宽为2cm，剥离强度I>2.94N/cm的胶带纸粘牢在膜层表面，将胶带纸从零件的边缘朝表面的垂直方向迅速拉起后，膜层均无脱落、无损伤；

3)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10次，均无脱膜现象。

对比例1

如图3所示,一种普通的CO₂激光增透膜，包括基底层，基底层上依次沉积有第一氟化钇层和第二硫化锌层，其中，第一氟化钇层、第二硫化锌层的覆盖面积均为基底层表面面积的98％。

第一氟化钇层的物理厚度为967纳米；第二层硫化锌层为308纳米，基底层为厚度为3mm的硒化锌基底层。

上述普通的CO₂激光增透膜的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：

1)对氟化钇、硫化锌膜料进行单独预熔处理，去除膜料内部的杂质；

2)将基底层清洁后，置于真空室内，在真空室内压强为1.8×10^-3Pa、烘烤温度为100℃的条件下，在基底层的表面依次沉积第一氟化钇层和第二硫化锌层；沉积第一氟化钇层时，氟化钇的蒸发速率为0.28nm/S，离子源：加速电压为250V，屏极电压为400V，束流为20A，本层只在前100nm使用离子源；沉积硫化锌层时，硫化锌蒸发速率为0.17nm/S，不使用离子源；所得普通的CO₂激光增透膜在远红外10.6um波段的透过率达到99.5％。

1)耐高温测试：将镀膜样片在300℃下烘烤6小时后，降至常温，再继续升温至300℃烘烤6小时，膜层均出现起皮、起泡、裂纹、脱膜等现象；

Claims

1.一种耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：包括基底层，基底层上依次沉积有第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层，其中，第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层的覆盖面积均为基底层表面面积的95％以上。

2.根据权利要求1所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：氟化镱钙层的物理厚度大于硒化锌层的物理厚度。

3.根据权利要求2所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：第一氟化钇层的物理厚度和第二氟化钇层的物理厚度均小于硒化锌层的物理厚度。

4.根据权利要求3所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：氟化镱钙层的物理厚度为第一氟化钇层物理厚度的8-9.5倍，硒化锌层的物理厚度为第一氟化钇层物理厚度的2-3倍，第二氟化钇层的物理厚度为第一氟化钇层物理厚度的0.95-1.05倍。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：第一氟化钇层的物理厚度为95-100纳米。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：氟化镱钙层的物理厚度为860-870纳米。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：硒化锌层的物理厚度为240-250纳米。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：第二氟化钇层的物理厚度为95-100纳米。

9.根据权利要求1-4任意一项所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：基底层为厚度为3±0.1mm的硒化锌基底层。

10.根据权利要求1-4任意一项所述的耐高温的CO₂激光增透膜，其特征在于：第一氟化钇层、氟化镱钙层、硒化锌层和第二氟化钇层的覆盖面积均为基底层表面面积的98％以上；耐高温的CO₂激光增透膜在远红外10.6um波段的透过率达到99.5％，耐温性大于300℃。