溫度變化對金屬Ag膜反射鏡偏振特性的影響研究

蔣麗媛，劉定權(quán)*，馬 沖，蔡清元,3，高凌山,3

(1.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2.上?？萍即髮W(xué) 物質(zhì)學(xué)院，上海 200031；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

1 引 言

隨著人們對探索太空需求的提升，對航天遙感儀器的光學(xué)指標(biāo)提出越來越嚴(yán)格的要求，有時需要對光學(xué)儀器進(jìn)行全系統(tǒng)偏振控制。金屬膜反射鏡作為光學(xué)系統(tǒng)中的主要光學(xué)器件，其偏振特性對系統(tǒng)的偏振靈敏度控制有著重要影響。金屬銀(Ag)膜具有反射光譜范圍寬和偏振性能優(yōu)良的特點(diǎn)，所以Ag膜反射鏡在航天光學(xué)遙感儀器中有著廣泛的應(yīng)用。同時由于傾斜入射時偏振效應(yīng)小，Ag膜成為低偏振依賴金屬反射膜的良好選擇[1-2]。此外，航天光學(xué)遙感儀器在空間軌道工作時，受到太陽光的照射、地球的反射光、以及紅外輻射等方面的影響，還有儀器材料的光熱吸收等因素的綜合作用[3-4]，Ag膜反射鏡可能面臨一定的溫度波動，即使采取了溫度控制措施也無法完全避免。因此，制備具有光學(xué)性能穩(wěn)定的Ag膜反射鏡，并研究溫度變化對其偏振等光學(xué)特性的影響，對于空間光學(xué)有效載荷的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

2 Ag膜和反射鏡的測量

單層Ag膜的質(zhì)地較軟，機(jī)械強(qiáng)度不夠，與基底之間的附著力較弱，通過鍍制Ni-Cr金屬膜層來增強(qiáng)其與基底的結(jié)合力。Ag膜的環(huán)境穩(wěn)定性也較差，長期暴露在空氣中，容易受空氣中的硫化物和鹵化物的腐蝕而導(dǎo)致反射率等光學(xué)性能退化[5-6]，需要在其表面鍍制適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)膜。有研究人員用氧化硅(SiO2)膜層保護(hù)Ag膜，來提高其抗腐蝕能力[7]。我們在Ag膜和SiO2之間添加了一層氧化鋁(Al2O3)膜層，以增加膜層間的結(jié)合力。單層Ag薄膜和Ag膜反射鏡樣品采用牌號JGS-1的光學(xué)石英玻璃為基底，膜層在高真空(1～3×10-3Pa)環(huán)境中蒸發(fā)沉積得到，薄膜沉積時基底溫度控制在30～60 ℃范圍。反射鏡樣品的膜層厚度依次為：Sub.//Ni-Cr 10 nm/Ag 120 nm/Al2O320 nm/SiO255 nm//Air，膜層厚度誤差在1 nm以內(nèi)。

樣品的偏振特性測量采用美國J.A.Woollam公司的VB-400型可見近紅外波段偏振光譜儀。為此儀器配置了變溫樣品臺，可以實(shí)現(xiàn)常溫到300 ℃范圍的溫度變化，控溫精度達(dá)±0.5 ℃，設(shè)定溫度穩(wěn)定10 min后再測量偏振數(shù)據(jù)。

2.1 橢圓偏振儀的測量原理

Rothen A.最早提出了橢偏儀并發(fā)展至今[8]，實(shí)驗(yàn)用橢偏儀測量原理如圖1所示。當(dāng)一束線偏振光以某一特定入射角度入射到樣品上，經(jīng)樣品反射，線偏振光會分解為s光分量和p光分量，變成橢圓偏振光，將p光和s光的反射系數(shù)rp和rs之比定義為ρ。

金屬膜層選擇用Born和Wolf的復(fù)折射率表達(dá)方法，即介質(zhì)膜層的復(fù)數(shù)折射率N1。根據(jù)菲涅爾公式，當(dāng)光束傾斜入射時，得到s光和p光的菲涅爾反射系數(shù)[9]分別為：

N1cosθ1=u1+iv1,

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，ψ和Δ為儀器能夠測量的樣品橢偏參數(shù)，tanΨ為p光與s光的振幅比的變化值，Δ為相位差。通過菲涅爾公式(2)、(3)和(4)可以看出，對于某一特定波長的橢偏參數(shù)變化和入射角度有關(guān)，同時與薄膜的折射率n值和消光系數(shù)k值有著密切關(guān)系。

圖1 橢圓偏振儀溫控測量原理圖 Fig.1 Schematic diagram of temperature control measurement for ellipsometer

2.2 反射鏡橢偏參數(shù)的測量

利用J. A.Woollam 公司VB-400型橢圓偏振儀對制備的Ag膜反射鏡樣品進(jìn)行偏振測量，測量光線入射角為45°和60°。通過改變樣品溫控平臺的溫度，分別測量了樣品在溫度為25、75、125和150 ℃時的的橢偏參數(shù)值，圖2和圖3為橢偏測量光譜。對反射鏡樣品進(jìn)行升溫降溫試驗(yàn)，將樣品升溫到150 ℃后保持10 min，再降溫至25 ℃的室溫，加熱前后測量了樣品的橢偏參數(shù)，光譜對比情況如圖4所示。

圖2 不同溫度Ag膜反射鏡45°入射橢偏光譜 Fig.2 Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag thin film mirror at different temperatures and 45° incidence

圖3 不同溫度Ag膜反射鏡60°入射橢偏光譜 Fig.3 Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag thin film mirror at different temperatures and 60° incidence

圖4 加熱試驗(yàn)前后Ag膜反射鏡45°橢偏光譜 Fig.4 Spectral curves of elliptical polarization parameters of the Ag film mirror at 25 ℃ and 45° incidence before and after 150 ℃ heating

2.3 Ag膜光學(xué)特性的測量

為了更好探討反射鏡的偏振特性，研究Ag膜的光學(xué)特性。相對于介質(zhì)氧化物薄膜，溫度變化對金屬膜層的光學(xué)特性影響更為明顯[10]，金屬膜層反射光的振幅變化和相位差變化主要與其折射率和消光系數(shù)密切相關(guān)[11]。由于銀反射鏡的振幅比變化很小，主要考察相位差的變化情況。

根據(jù)菲涅爾反射公式(1)和(2)得到，垂直于入射面的s光和平行入射面的p光的相位變化可以表示[9]為：

(5)

(6)

其中

(7)

(8)

金屬Ag膜在波長600 nm處的折射率NAg=0.06+3.75i，45°角入射時利用公式(5)和(6)計算得到其反射偏振光s和p的相位差Δ=97.58°。同樣求得Al2O3和SiO2膜層產(chǎn)生的相位差分別為15.51°和10.67°，Ag對相位差Δ貢獻(xiàn)更大。

利用前述橢偏光譜儀，測量了Ag膜樣品，測量時樣品溫度分別設(shè)定25、75、125和150 ℃。金屬Ag膜厚度比光的穿透深度大得多，膜層第二個界面上的反射光可以忽略不計，故直接引用單界面反射的菲涅爾反射系數(shù)公式，推算后得金屬膜層的折射率n和消光系數(shù)k：

(9)

k=tan2ΨsinΔ,

(10)

式中，n0和θ0分別表示入射介質(zhì)的折射率和入射角。圖5為Ag膜的折射率光譜曲線，反射率光譜曲線在圖6中給出。

為了研究在溫度升高至125 ℃后Ag膜表面變化情況，通過原子力顯微鏡(AFM)分別觀察了在25 ℃和125 ℃時的表面形貌，如圖7所示。選擇同一樣品，溫控平臺加溫至125 ℃保持10 min，待受熱均勻后，觀察125 ℃溫度下Ag膜的表面。

圖5 不同溫度下Ag膜的折射率光譜曲線 Fig.5 Spectral curves of the refractive index of single silver thin film at different temperature

圖6 Ag膜在25 ℃和150 ℃溫度下的反射光譜 Fig.6 Reflective spectrum of silver thin film at 25 ℃ and 150 ℃ temperature

圖7 Ag膜在25 ℃和125 ℃時的表面形貌 Fig.7 Surface morphology of Ag film at 25 ℃ and 125 ℃

3 討論與分析

比較圖2和3發(fā)現(xiàn)，無論入射角為45°還是60°，溫度從25 ℃到150 ℃依次增加的過程中，表示振幅比的橢偏參數(shù)Ψ變化很小，變化量可以忽略。相位差Δ的變化則十分明顯：當(dāng)波長小于600 nm時，隨著溫度升高Δ值逐漸減?。划?dāng)波長大于650 nm時，隨著溫度升高Δ值逐漸增大；在600～650 nm波長范圍，溫度對Δ值的影響較小。對于該膜系結(jié)構(gòu)，溫度升高時，在大部分可見光波段，反射光中s光與p光的相位差減??；紅外波段中s光與p光的相位差則增大；同時在600～650 nm波長的紅光波段，出現(xiàn)了一個對溫度不敏感的偏振穩(wěn)定窗口。

從圖4的橢偏光譜可以發(fā)現(xiàn)，樣品在先升溫到150 ℃再恢復(fù)室溫后，Ag反射鏡的橢偏參數(shù)發(fā)生了一定的改變，對比未升溫樣品在波長200～600 nm區(qū)域內(nèi)反射相位差Δ整體降低，說明膜層發(fā)生了不可恢復(fù)的改變。

圖5的測量曲線可以看出，波長大于350 nm以后，Ag膜的折射率隨著溫度的增加而增加。從室溫升高到125 ℃的過程中，折射率只有少量的增加；在溫度從125 ℃增加到150 ℃的過程中，Ag膜折射率明顯增加，在波長500～1 200 nm的波段范圍內(nèi)折射率的增量達(dá)到50%以上。在這一波段，Ag膜折射率表現(xiàn)為正溫度系數(shù)。當(dāng)溫度升高時，金屬膜層中自由電子變得活躍，引起電導(dǎo)率增加，表現(xiàn)為折射率的升高。在測量過程中發(fā)現(xiàn)，溫度低于125 ℃時，Ag膜表面穩(wěn)定；高于125 ℃時，觀察到Ag膜的表面開始發(fā)生變化，圖7通過原子力顯微鏡觀測了加溫前后Ag膜的表面形貌變化情況。溫度升高以前整個薄膜表面較為平整，極少的突起和凹陷；溫度升高以后，表面有明顯的突起，且顆粒間高度差變化較大，起伏變得細(xì)碎和陡峭，表面散射的光線也更多地投向臨近的突起結(jié)構(gòu)，從而增加吸收，該變化會降低表面的鏡像反射率，當(dāng)波長增加時表面散射的影響會降低，這與圖6和變化趨勢對應(yīng)。

從該反射鏡膜層結(jié)構(gòu)分析，Ni-Cr金屬膜層厚度只有約10 nm，其光學(xué)作用可以忽略[12]；金屬Ag膜層在可見光和近紅外波段幾乎是不透明的；保護(hù)層SiO2和Al2O3膜層較薄，在可見光和近紅外波段透過率高。金屬Ag膜具有復(fù)折射率，其虛部(即吸收系數(shù))對偏振特性具有明顯的影響[13]，SiO2和Al2O3在該波長區(qū)域的消光系數(shù)很小，SiO2和Al2O3對偏振特性的影響也較小。溫度升高至超過125 ℃，加速Ag膜與大氣中的H2S、SO2、和O2等氣氛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[14]，破壞光學(xué)表面。Ag膜的被腐蝕過程往往產(chǎn)生Ag2S成分，由于Ag2S其自身的光學(xué)特性，加上反常趨膚效應(yīng)會引入額外的吸收[15]。綜合上述原因，減少了350～900 nm波長范圍的反射率。

對于反射鏡而言，由于保護(hù)膜層的存在，化學(xué)反應(yīng)的貢獻(xiàn)不大，主要貢獻(xiàn)為物理作用。當(dāng)Ag膜反射鏡的溫度超過125 ℃后，表面也會變得粗糙，與Ag膜樣品一樣能夠裸眼觀察到表面變化，改變主要來自Ag層的氧化作用。

4 結(jié) 論

通過測量并分析25～150 ℃不同溫度下的Ag膜反射鏡的偏振光譜和反射率光譜，在125 ℃以下的溫度環(huán)境中，制備的Ag膜反射鏡總體保持穩(wěn)定；環(huán)境溫度高于125 ℃時，Ag膜表面發(fā)生變化，導(dǎo)致Ag膜在350～900 nm波長范圍反射率降低。同時在溫度升高的過程中，Ag膜反射鏡的偏振特性在一定的波長范圍出現(xiàn)了不同的變化，其中偏振特性對溫度不敏感的穩(wěn)定窗口出現(xiàn)在600～650 nm波長范圍的紅光波段。作為空間遙感有效載荷的金屬Ag膜反射鏡，在長期穩(wěn)定工作中需要得到良好的保護(hù)，需要對環(huán)境溫度進(jìn)行控制，極端溫度不應(yīng)超過100 ℃。