基于ZF6基底的可見(jiàn)光寬譜帶高性能增透膜

曲 鋒，朱華新，劉桂林，李 帥，孫 強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033;2.江南大學(xué)理學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122)

1 引言

20世紀(jì)30年代研發(fā)的增透膜促進(jìn)了薄膜光學(xué)的早期發(fā)展。對(duì)于推動(dòng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展來(lái)說(shuō)，增透膜在所有的光學(xué)薄膜中起著最為重要的作用［1-3］，直至今天，其生產(chǎn)總量仍然超過(guò)所有其他類(lèi)型的薄膜。因此，研究增透膜的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)，對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐有著重要的意義［4-9］。

由于未鍍膜的玻璃表面存在反射，損失了光能量，從而降低了像的亮度。另外，經(jīng)過(guò)多次反射或漫射的表面反射光，極易形成雜散光，進(jìn)而影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。為此，有必要通過(guò)蒸鍍?cè)鐾改?lái)提高光學(xué)元件的光強(qiáng)透過(guò)率，減小其表面的剩余反射，提高成像系統(tǒng)中像的質(zhì)量、平衡、作用距離及襯度等參數(shù)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。由于絕大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)工作于可見(jiàn)光波段，可見(jiàn)光區(qū)寬帶增透膜的設(shè)計(jì)一直是研究的熱點(diǎn)［10-12］。

2 寬帶減反膜理論

根據(jù)菲涅耳反射原理，光學(xué)玻璃表面對(duì)光具有一定的反射(折射率越變)作用，通?？筛鶕?jù)菲涅耳公式求出其反射率。雖采用簡(jiǎn)單的單層低折射率膜層能降低玻璃界面處的反射率，提高透射，但反射率曲線(xiàn)一般呈現(xiàn)為V形，即只能在某一狹窄的波段內(nèi)產(chǎn)生明顯的增透效果，其他波段增透效果不明顯，從而導(dǎo)致玻璃表面會(huì)產(chǎn)生顏色。為在較寬波段內(nèi)產(chǎn)生減反的效果，通常采用多層膜結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文采用多層膜系理論進(jìn)行理論設(shè)計(jì)。

對(duì)于多層膜，由光學(xué)薄膜理論可知，其特征矩陣為:

式中:δi表示膜層的位相厚度:

式中:θi為第i層膜的折射角;ηi為第i層膜的有效光學(xué)導(dǎo)納，di是第i層膜的厚度。

多層膜的導(dǎo)納為:

由于入射介質(zhì)為空氣，因此入射介質(zhì)的導(dǎo)納為η0。為使表面反射為零，理論上必須要使多層膜的導(dǎo)納在參考波長(zhǎng)范圍內(nèi)達(dá)到或接近η0，這樣根據(jù)菲涅耳公式，表面反射才能達(dá)到零。

3 ZF6基底光學(xué)特性

設(shè)計(jì)ZF6基底上的寬帶增透膜，首先要得到ZF6基底的折射率。先將一塊Φ25×3(mm)的ZF6平板測(cè)試片放入光譜儀中測(cè)試其透過(guò)率，得到透過(guò)率曲線(xiàn)如圖1所示，在可見(jiàn)光區(qū)范圍內(nèi)其透過(guò)率約為85%。由光學(xué)薄膜理論中的非相干疊加計(jì)算可知，單面的表面剩余反射約為8%，因此，在未鍍膜的情況下，隨著反射面的增加，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，所以，鍍制增透膜是相當(dāng)必要的。

圖1 ZF6基底的透過(guò)率曲線(xiàn)Fig.1 Transmittance curve of ZF6 substrate

圖2 ZF6基底的色散曲線(xiàn)Fig.2 Dispersion curve of ZF6 substrate

根據(jù)實(shí)測(cè)ZF6基底的透過(guò)率曲線(xiàn)，可以由菲涅耳公式計(jì)算出其色散曲線(xiàn)，如圖2所示。從圖中看出，在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)范圍內(nèi)的折射率隨波長(zhǎng)增加而減小，換言之ZF6玻璃為正常色散，折射率約為1.77，這也與實(shí)際查得光學(xué)手冊(cè)的折射率一致。基底光學(xué)常數(shù)的測(cè)定是整個(gè)膜系設(shè)計(jì)的前提。

4 膜料的選擇

本實(shí)驗(yàn)要求膜料滿(mǎn)足較高的機(jī)械牢固度和化學(xué)穩(wěn)定性，在可見(jiàn)光波段內(nèi)透明，具有較小的吸收、散射特性等。同時(shí)，還要考慮到膜層之間以及膜層與基底材料之間的應(yīng)力匹配問(wèn)題，避免應(yīng)力集中，導(dǎo)致膜層龜裂，且要保證膜層之間及膜層與基底之間結(jié)合的牢固度［3］。

最常用的幾種可見(jiàn)光區(qū)光學(xué)薄膜材料主要以氧化物為主［2，4-5］。二氧化鈦(TiO2)薄膜的折射率較高，其透明區(qū)為0.35～12 μm，在整個(gè)可見(jiàn)光波段和紅外光譜區(qū)都是透明的，膜層呈壓應(yīng)力，且牢固穩(wěn);不過(guò)TiO2在電子槍加熱蒸發(fā)過(guò)程中極易分解，生成低價(jià)氧化物，使薄膜的吸收增大，但在高溫充氧條件下可有效減少吸收，因此，選擇TiO2作為高折射率材料。SiO2是分解很少的低折射率氧化物材料，透明區(qū)波段為0.18～12 μm，膜層呈現(xiàn)壓應(yīng)力;其分子形式可以充實(shí)其它材料造成的表面缺陷，改善多層膜表面的微觀形態(tài);同時(shí)它的光吸收很小，牢固性好，且抗磨耐腐蝕，可起到保護(hù)作用［2-3］，故這里選用SiO2作為折射率材料。選擇TiO2、SiO2作為高、低折射率材料后，它們相互組合呈現(xiàn)應(yīng)力匹配良好、散射損耗低等優(yōu)點(diǎn)［8］。

采用單因素變量法考察了稱(chēng)樣量對(duì)測(cè)定的影響。分別選用稱(chēng)樣量為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0g進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)：當(dāng)稱(chēng)樣量不大于1.0g時(shí)，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)較大，這可能是因?yàn)榉Q(chēng)樣量太小，樣品代表性較差；當(dāng)稱(chēng)樣量大于1.0g時(shí)，測(cè)量結(jié)果的RSD較小?？紤]到稱(chēng)樣量大于3.0g時(shí)，消耗的硝酸-酒石酸混酸和滴定液體積會(huì)相應(yīng)增多，最終實(shí)驗(yàn)選擇稱(chēng)樣量為2.0g。

5 膜系設(shè)計(jì)

以 ZF6 作為基底，設(shè)計(jì)在 0.4 ～0.8 μm 波段的寬帶增透膜。對(duì)增透膜來(lái)說(shuō)，膜系設(shè)計(jì)的基本原則就是在給定基底材料的前提下，以盡可能少的層數(shù)，實(shí)現(xiàn)盡可能高的透過(guò)率。在薄膜材料給定即折射率給定的前提下，通常把薄膜的厚度和薄膜的層數(shù)作為設(shè)計(jì)參數(shù)。結(jié)合實(shí)際的制備方法和工藝，設(shè)計(jì)過(guò)程主要考慮以下幾點(diǎn)原因:(1)為減少累積誤差，采用較少的層數(shù)。(2)單層膜厚度應(yīng)保持均勻，過(guò)厚則可能因應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生膜層龜裂、脫膜等;過(guò)薄則使得膜層不易監(jiān)控，增加誤差。(3)采用常規(guī)結(jié)構(gòu)作為膜系初始結(jié)構(gòu)［3］，以保證膜層在工藝制作過(guò)程中的穩(wěn)定性、可操作性和重復(fù)性。設(shè)計(jì)膜系采用經(jīng)典［3］的 Sub|aH bL 2H L|Air初始結(jié)構(gòu)，H、L分別代表參考波長(zhǎng)1/4光學(xué)厚度，參考波長(zhǎng)為550 nm。其中2H層對(duì)于參考波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是虛設(shè)層，起平滑膜系反射特性的作用，圖3為此初始結(jié)構(gòu)透過(guò)率曲線(xiàn)。

圖3 初始結(jié)構(gòu)透過(guò)率曲線(xiàn)Fig.3 Transmittance curve of origin structure

根據(jù)圖3可得，在可見(jiàn)光波段內(nèi)，該初始結(jié)構(gòu)的平均透過(guò)率約為99.04%，相比未鍍膜面提高了14.04%，且最大透過(guò)率達(dá)到99.99%，但在長(zhǎng)波處的透過(guò)率略顯偏低，800 nm處的透過(guò)率僅為97.00%，這是初始結(jié)構(gòu)的帶寬不夠，無(wú)法滿(mǎn)足寬帶增透的要求造成的，所以，要優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，圖4是在膜層數(shù)量仍為4層優(yōu)化后(調(diào)整膜層厚度)的透過(guò)率曲線(xiàn)。

由圖4可看出，在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)，曲線(xiàn)較為平緩且反射率低，增透帶寬展寬也較為明顯，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)要求波段范圍內(nèi)，平均透過(guò)率達(dá)到99.37%，最大透過(guò)率為99.94%。由于膜層的數(shù)量被固定為4層，透過(guò)率已經(jīng)無(wú)法再進(jìn)一步優(yōu)化，使得透過(guò)率在長(zhǎng)波處仍稍偏低，800 nm處的透過(guò)率僅為98.24%，但相比優(yōu)化前有大幅度的提高。

圖4 優(yōu)化后的透過(guò)率曲線(xiàn)Fig.4 Transmittance curve of optimized structure

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的膜系進(jìn)行允差分析來(lái)適應(yīng)薄膜制備工藝中的厚度監(jiān)控誤差。當(dāng)帶入2%的隨機(jī)相對(duì)厚度誤差時(shí)，其透過(guò)率變化由圖5所示。

圖5 厚度誤差引入后的透過(guò)率曲線(xiàn)Fig.5 Transmittance curves of thickness error

從圖中可見(jiàn)，圖5共引入了5種隨機(jī)厚度相對(duì)誤差，由于參考波長(zhǎng)設(shè)定為550 nm，2H的虛設(shè)層在參考波長(zhǎng)兩端一定范圍內(nèi)可以起到緩沖作用，使得在帶寬的兩端透過(guò)率均有下降。短波處的下降是因?yàn)楹穸日`差對(duì)短波波長(zhǎng)有較大的影響，長(zhǎng)波處的下降是因其初始結(jié)構(gòu)透過(guò)率就偏低，膜系在該波段處也沒(méi)有匹配至最佳，同樣厚度誤差也會(huì)引起透過(guò)率的下降。

總體來(lái)說(shuō)，厚度誤差的影響在設(shè)計(jì)要求可接受的范圍內(nèi)，即此膜系的厚度允差度良好，而此厚度誤差對(duì)于INFICON的SQC310石英晶體膜厚監(jiān)控儀來(lái)說(shuō)也是合理的。

6 工藝實(shí)現(xiàn)

鍍制工藝條件(沉積速率、真空度、基板溫度等)對(duì)薄膜材料的光學(xué)特性的影響很大，因此要想制作出理想的膜層，必須要有適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。

實(shí)驗(yàn)中將ZF6基片懸浮固定在拱型夾具盤(pán)后開(kāi)始抽真空，當(dāng)真空室的真空度達(dá)到4×10-3Pa時(shí)，打開(kāi)加熱燈絲將基片加溫至150℃，并恒溫2 h，然后打開(kāi)電子槍?zhuān)惶嬲舭l(fā)TiO2和SiO2這兩種材料，使用美國(guó) INFICON公司的SQC310型石英晶體控制儀控制沉積速率和沉積厚度，為了保證膜層有較好的均勻性與牢固度，TiO2的沉積速率為 0.3 nm/s，SiO2的沉積速率為0.25 nm/s，并在樣品的兩側(cè)均鍍制了增透膜。

基片透過(guò)率測(cè)試采用Edinburgh公司生產(chǎn)的光譜儀，測(cè)試波長(zhǎng)為0.4 ～0.8 μm，測(cè)試曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 測(cè)量的透過(guò)率曲線(xiàn)Fig.6 Measured transmittance curve

由測(cè)試結(jié)果得出，測(cè)得的實(shí)際制作樣品的透過(guò)率與設(shè)計(jì)相比波長(zhǎng)略有漂移，根據(jù)圖5的厚度允差分析，測(cè)試結(jié)果在膜層厚度允差范圍內(nèi)，其光譜曲線(xiàn)理論設(shè)計(jì)基本相符。

從實(shí)測(cè)曲線(xiàn)看出，0.4 ～0.8 μm 之間的最小透過(guò)率為82.95%(在400 nm處)，平均透過(guò)率約為98.15%，與未鍍膜的ZF6基底透過(guò)率相比，提高了13.15%，基本滿(mǎn)足寬帶增透的設(shè)計(jì)要求。

由于上述透過(guò)率為雙面鍍制增透的透過(guò)率，單面的剩余反射率可粗略認(rèn)為是雙面鍍制增透剩余反射的一半，也就是單面平均表面反射率為0.925%，與未鍍膜面相比其透過(guò)率提高了7%，與理論值相比僅有1.25%的相對(duì)誤差。

對(duì)樣品進(jìn)行了附著力等測(cè)試，將樣品浸入沸水中2 h后，膜層無(wú)脫落、起皺、龜裂現(xiàn)象。在高溫高濕環(huán)境(溫度為50℃，相對(duì)濕度為95% ～100%)下放置48 h，膜層外觀未有明顯變化，對(duì)樣品進(jìn)行了高低溫沖擊，相對(duì)濕度為50%，低溫為-20℃，高溫為70℃，循環(huán)時(shí)間為2 min，共循環(huán)30次，取出樣品，未出現(xiàn)膜層龜裂、脫落等現(xiàn)象。

7 結(jié)論

采用電子束蒸發(fā)物理氣相沉積方法制備了以ZF6 為基底、增透波長(zhǎng)為 0.4 ～0.8 μm 的寬譜帶可見(jiàn)光區(qū)增透膜。利用Edinburgh光譜儀對(duì)雙面鍍制該膜系樣品的透過(guò)率進(jìn)行測(cè)量，平均透過(guò)率達(dá)98.15%。通過(guò)光譜測(cè)試曲線(xiàn)的驗(yàn)證，該寬帶增透膜基本滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求，有效地減小了表面剩余反射。此外，通過(guò)機(jī)械強(qiáng)度及環(huán)境試驗(yàn)，表明該薄膜可靠性高，能夠應(yīng)用于復(fù)雜空間環(huán)境及其他可靠性要求較高的光學(xué)系統(tǒng)中。

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