紅外雙波段激光濾光膜的研制

宮大為，付秀華，耿似玉，楊道奇

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022；2.新美亞科技（深圳）有限公司，廣東深圳518038）

紅外雙波段激光濾光膜的研制

宮大為1，付秀華1，耿似玉2，楊道奇1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022；2.新美亞科技（深圳）有限公司，廣東深圳518038）

為了滿足紅外軍用儀器的特殊要求，根據(jù)薄膜理論進(jìn)行了紅外雙波段濾光膜的膜系設(shè)計(jì)；采用電子束真空鍍膜的方法，通過對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整，在多光譜ZnS基底上鍍制了1 064 nm高反、3～5 μm高透的紅外雙波段濾光膜。利用低能離子轟擊，使膜層與基底間的應(yīng)力明顯減小；使用BGS 6341薄膜應(yīng)力測(cè)試儀，采用漸變梯度法，測(cè)得其壓應(yīng)力由122 MPa降到51 MPa。另外，通過低能離子轟擊和真空退火處理，提高了膜層的抗損傷閾值。結(jié)果顯示所鍍膜層滿足紅外軍用儀器的使用要求。

光學(xué)薄膜；激光濾光膜；離子轟擊；真空退火

1 引 言

現(xiàn)代軍事空間技術(shù)的迅速發(fā)展，使得紅外光學(xué)儀器的應(yīng)用越來越廣泛，如紅外成像傳感器、紅外激光器等。3～5 μm波段是重要的大氣窗口，也是紅外探測(cè)器的主要工作區(qū)域，該波段激光對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)、煙塵等惡劣環(huán)境穿透能力較強(qiáng)，因而紅外光學(xué)薄膜對(duì)控制紅外探測(cè)器的性能非常重要。紅外光學(xué)薄膜的透過率和抗激光損傷閾值是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，因此，改進(jìn)薄膜制備工藝，提高3～5 μm波段透過率和抗激光損傷閾值是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。本文從膜系設(shè)計(jì)，鍍膜材料的選取，沉積工藝和薄膜檢測(cè)等方面對(duì)軍用光學(xué)儀器所需的紅外雙波段濾光膜進(jìn)行了深入研究［1］。

2 膜系設(shè)計(jì)

2.1 材料選取

ZnS晶體未鍍膜時(shí)，單面反射率約為15％，透明區(qū)為0.38～14 μm，具有良好的機(jī)械、光學(xué)性能且吸收小，目前，已廣泛應(yīng)用于紅外與激光系統(tǒng)中。本文根據(jù)光譜參數(shù)要求，選擇多光譜ZnS作為基底材料。

選擇薄膜材料時(shí)，要求其在兩個(gè)波段內(nèi)透明、具有較小的吸收和散射特性以及較高的機(jī)械牢固度等。常用的高折射率材料有Si，Ge和ZnS。Si在3～5 μm波段范圍內(nèi)具有透光性能好，吸收小，粘附性好，折射率高等優(yōu)點(diǎn)，所以最終選擇Si作為高折射率薄膜材料［2～4］。

由于低折射率材料YbF3具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、光學(xué)性能好、抗激光損傷閾值高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)Si和YbF3有良好的匹配，所以選擇YbF3作為低折射率薄膜材料。

2.2 膜系設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)膜系時(shí)，需要對(duì)基片的兩個(gè)面鍍制薄膜。膜層材料如表1所示。

表1 雙側(cè)膜層材料Tab.1 Bilateral film materials

圖1 950～5 500 nm理論光譜透過率曲線Fig.1 Theorical design curve for transmittance in 950～5 500 nm

圖2 3～5 μm理論光譜透射率曲線Fig.2 Theorical design curve for transmittance in 3～5 μm

綜合考慮薄膜設(shè)備條件、工藝參數(shù)以及膜層厚度監(jiān)控等因素的影響，忽略背面的影響［5］。初始膜系為：Sub|（0.5HL0.5H）?7|Air。其中H代表高折射率材料Si，L代表低折射率材料YbF3，Sub表示基底，Air表示空氣。采用 TFC和 Michael-Yu膜系設(shè)計(jì)軟件對(duì)膜層厚度和透過率等因素進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的膜系在950～5 500 nm的理論光譜透過率曲線如圖1所示。

對(duì)于背面增透膜系的設(shè)計(jì)，應(yīng)用雙有效界面法并結(jié)合膜系設(shè)計(jì)軟件，采用ZnS和YbF3作為鍍膜材料，設(shè)計(jì)膜系為Sub|LAL|Air，其中A，L分別代表ZnS，YbF3，其3～5 μm的理論光譜透射率曲線如圖2所示。

3 薄膜制備

采用國(guó)產(chǎn)南光TXX-Ⅱ型鍍膜機(jī)制備薄膜，該設(shè)備采用電子束真空鍍膜方法，配備考夫曼離子源進(jìn)行離子輔助沉積，使用IC/5型石英晶控儀控制膜層的物理厚度和材料的沉積速率。

放置Si材料的石墨坩堝經(jīng)常炸裂，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Si的特性受溫度的影響很大，石墨坩堝會(huì)在一定高溫下絕熱，冷卻時(shí)由于Si受熱不均勻而膨脹，撐裂坩堝。因此在每層Si鍍制完畢后，采用手動(dòng)預(yù)熔的方式逐漸降低束流，防止由于冷卻不均勻造成材料表面突起或撐裂坩堝。

實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，YbF3經(jīng)常噴濺是由于YbF3材料特性決定的。因此，在鍍制過程中要用較低的束流進(jìn)行充分預(yù)熔，加大電子槍的掃描范圍使光斑變大，且均勻掃描整個(gè)坩堝，以免束流過大或者材料局部溫度過高造成材料噴濺。

對(duì)于增透膜，設(shè)計(jì)的膜系結(jié)構(gòu)第一層是YbF3，為了提高膜與基底的黏附性，采用了預(yù)鍍層技術(shù)，先在基底 ZnS上沉積30～40 nm厚的ZnS，再依次按照設(shè)計(jì)的膜系進(jìn)行鍍制。在鍍制過程中采用考夫曼離子源輔助沉積，合理控制ZnS和YbF3的離子能量，提高沉積薄膜的聚集密度，增加膜層的附著力，改善膜層的光學(xué)和機(jī)械性能。由于ZnS的蒸發(fā)速率很快，所以在鍍制過程中需注意控制關(guān)閉擋板的時(shí)間，從而減少膜厚控制誤差。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，離子源能量對(duì)膜層壓力和激光損傷閾值均有影響。在鍍膜前用考夫曼離子源轟擊基片表面，其作用是清潔基片使基片表面活化，改善膜基過渡層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，提高沉積薄膜的聚集密度。離子源的具體參數(shù)如表2所示。

表2 考夫曼離子源的具體參數(shù)Tab.2 Concrete parameters of Kaufmann ion source

4 測(cè)試與分析

4.1 光譜測(cè)試與分析

采用日本島津UV-3150型分光光度計(jì)測(cè)試膜層的近紅外區(qū)光譜特性，光譜曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，曲線在1 064 nm處透過率為1.85％，而在970 nm處透過率為1.14％。利用膜系設(shè)計(jì)軟件模擬，由于Si膜的整體厚度偏少，鍍膜過程中膜厚控制誤差積累造成曲線向短波漂移。通過修改Si膜的監(jiān)控厚度，采用光控和晶控同時(shí)監(jiān)控，制備的實(shí)驗(yàn)樣件光譜曲線如圖4所示。

圖3 ZnS基底雙面鍍膜實(shí)測(cè)透射率曲線Fig.3 Measured transmittance curve of both surfaces coated on ZnS substrate

圖4 ZnS基底雙面鍍膜實(shí)測(cè)修正透射率曲線Fig.4 Measured transmittance corrected curve of both surfaces coated on ZnS substrate

采用FTIR-8400S型傅里葉紅外光譜儀對(duì)膜層的中紅外區(qū)光譜特性進(jìn)行測(cè)試，2.5～7.0 μm內(nèi)的光譜透射曲線如圖5所示。

圖5 2.5～70 μm波段實(shí)測(cè)透射率曲線Fig.5 Measured transmittance curve of both surfaces coated on ZnS substrate in 2.5～7.0 μm

由圖5可以看出，曲線在2.75～3.25 μm存在一個(gè)吸收峰，該吸收峰是由于YbF3材料在該波段存在較小的吸收導(dǎo)致的。中紅外波段3～5 μm的平均透射率為93.2％，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 應(yīng)力測(cè)試與分析

鍍膜時(shí)通過采用離子輔助沉積，可改變Si的致密性，從而改變其熱膨脹系數(shù)，尤其是與基底相接觸界面處Si的晶格結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到減小應(yīng)力的效果。采用BGS 6341型薄膜應(yīng)力測(cè)試儀研究離子轟擊前后Si膜應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖6所示，其中1為正常情況應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線；2為低能離子轟擊后應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。

圖6 離子轟擊前后Si膜應(yīng)力對(duì)比圖Fig.6 Comparison of stress states of Si film before and after ion bombardments

采用普通方法制備的薄膜，壓應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，最后趨于一常數(shù)，這是由于界面處的原子活性隨時(shí)間而發(fā)生變化。初始時(shí)，界面處積累了鍍膜過程中的部分能量，處于亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，即由真空狀態(tài)到自然狀態(tài)時(shí)，初始階段會(huì)存在較大的能量釋放，從而改變界面處原子的分布狀態(tài)，使膜層原子間距趨向于基底的晶格大小，使得壓應(yīng)力迅速減小。但是隨著能量的釋放，界面處再一次形成一種新的結(jié)構(gòu)，即隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，壓應(yīng)力逐漸趨于定值。

采用漸變梯度法，利用低能離子轟擊制備的薄膜，壓應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，最終趨于常數(shù)，這是由于初始時(shí)，界面兩側(cè)原子間距匹配較好，當(dāng)離開真空環(huán)境，在垂直方向上，原子間距的改變會(huì)使界面處膜層原子間距偏離平衡位置，從而增大應(yīng)力。界面分布狀態(tài)發(fā)生變化，應(yīng)力隨時(shí)間最終趨于定值。綜上所述，采用漸變梯度法，利用低能離子轟擊，壓應(yīng)力由 122 MPa降到51 MPa，減小了膜層與基底間的應(yīng)力。

4.3 激光損傷閾值的測(cè)試與分析

圖7為采用低能離子轟擊基底前后薄膜激光損傷閾值的變化；圖8為真空退火前后薄膜激光損傷閾值的變化。

圖7 低能離子轟擊基底前后激光損傷閾值示意圖Fig.7 Laser damage thresholds of substrate before and after low energy ion bombardments

圖8 真空退火處理前后激光損傷閾值示意圖Fig.8 Laser damage thresholds of substrate before and after vacuum annealings

由圖7可以看出，在整個(gè)膜系制備之前，通過對(duì)基底進(jìn)行10 min的離子轟擊，可使膜層的激光損傷閾值從7.8 J/cm2提高到9.36 J/cm2。這是由于基底經(jīng)過離子轟擊后，一方面可以去除基底表面的灰塵、污物，增加基底表面的潔凈度和膜基結(jié)合力，減少散射損耗和吸收，降低膜內(nèi)熱量的生成；另一方面可去除表層原子，減少表面缺陷，從而提高損傷閾值。

從圖8可以看出，將鍍膜后的樣品直接在鍍膜室中進(jìn)行真空退火處理，在溫度為150℃，真空度為1.0×10-2Pa的條件下，保溫2.5 h，樣品的激光損傷閾值從7.8 J/cm2提高到10.7 J/cm2，提高了37.1％。這是由于經(jīng)過退火后膜層各個(gè)界面的擴(kuò)散效果較好，平整度得到提高，因此可以提高膜層的激光損傷閾值。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并鍍制了1 064 nm高反、3～5 μm高透的紅外雙波段濾光膜，選擇Si和YbF3為高低折射率材料，并對(duì)樣品前、中、后期分別進(jìn)行了相關(guān)的處理，最后對(duì)制備的樣品進(jìn)行測(cè)試。通過離子輔助沉積，減小了膜層與基底間應(yīng)力分布；采用低能轟擊與退火，提高了激光抗損傷閾值。雖然制備的濾光膜滿足使用要求，但是還達(dá)不到理論設(shè)計(jì)的要求，所以提高中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)3～5 μm處的平均透射率，解決2.75～3.25 μm處的吸收峰，是今后研究和改進(jìn)的方向。

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Design and manufacture of infrared double waveband laser filter films

GONG Da-wei1，F(xiàn)U Xiu-hua1，GENG Si-yu2，YANG Dao-qi1

（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；2.Sanmina-SCI Optical Technology（Shenzhen）Co.，Ltd.，Shenzhen 518038，China）

In order to meet the special requirements of infrared military equipment，an infrared double waveband filter film system was designed according to the theory of thin film and an infrared dual-band filter membrane with a high reflection at 1 064 nm and a high antireflection in 3～5 μm was produced on a multi-spectral ZnS substrate by adjusting process parameters and using electron beam vacuum deposition.With ion bombardment of low energy and vacuum annealing，the anti-damage threshold of thin film was improved.Furthermore，the stress between the film layer and the substrate was reduced to 51 MPa from 122 MPa measured by the BGS 6341 stress tester with gradient method.This film meets the requirements of infrared military equipment.

optical thin film；laser filter membrane；ion bombardment；vacuum annealing

2011-02-21；

2011-04-23

O484.1

A

1674-2915（2011）03-0293-06

宮大為（1985— ），男，吉林四平人，碩士研究生，主要從事光學(xué)薄膜技術(shù)方面的研究。

E-mail：gongkenannan@sina.com

付秀華（1963—），女，山東濱州人，教授，主要從事光學(xué)薄膜技術(shù)及半導(dǎo)體激光器制造工藝方面的研究。

E-mail：goptics@126.com