基于氧化物的0.8～1.7μm和3.7～4.8μm硬質(zhì)寬帶紅外增透膜研制

王彤彤

（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.中國(guó)科學(xué)院光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033）

基于氧化物的0.8～1.7μm和3.7～4.8μm硬質(zhì)寬帶紅外增透膜研制

王彤彤1，2

（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.中國(guó)科學(xué)院光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033）

從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),在0°入射的條件下,在ZnS基底上針對(duì)0.8～1.7μm和3.7～4.8μm兩個(gè)紅外波段,設(shè)計(jì)并制備了雙波段紅外增透膜。論述了材料選擇、膜系設(shè)計(jì)和制備方法,最終使用等離子輔助沉積技術(shù)在ZnS窗口上制備出雙波段紅外增透膜,透過(guò)率及環(huán)境測(cè)試結(jié)果表明：在0.8～1.7μm波段雙面平均透過(guò)率大于95％,在3.7～4.8μm波段雙面平均透過(guò)率大于96％。膜層結(jié)合牢固并有良好的耐摩擦性能。

紅外增透膜；硫化鋅；等離子輔助；雙波段增透膜

1 引言

現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展,使得高速飛行器發(fā)揮的作用越來(lái)越重要,并由此帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展。高速度飛行和全天候工作是兩個(gè)主要發(fā)展方向,而高速飛行器的紅外裝置通常都需要在前視方向加裝紅外窗口以保護(hù)整個(gè)紅外系統(tǒng),這就要求前視紅外窗口可以滿足在高速度飛行和全天候作戰(zhàn)的條件下工作［1-3］。當(dāng)飛行器高速飛行時(shí),大氣中存在的水滴,灰塵,沙礫等都會(huì)和前視方向的紅外窗口發(fā)生強(qiáng)烈的撞擊及摩擦,造成窗口在高速飛行時(shí)承受高壓、熱沖擊以及明顯的雨蝕或者沙蝕等嚴(yán)酷的考驗(yàn)。由于飛行過(guò)程中對(duì)窗口的破壞和磨損會(huì)造成非常顯著的光學(xué)性能損失,致使紅外系統(tǒng)整體性能嚴(yán)重下降,甚至工作異常,所以如何在嚴(yán)酷的環(huán)境下正常工作給應(yīng)用于紅外波段窗口的物理、化學(xué)和機(jī)械性能提出了越來(lái)越高的要求［4-7］。

硫化鋅（ZnS）在紅外波段具有良好的光學(xué)性能,因此經(jīng)常用來(lái)制作紅外窗口。但是ZnS的折射率較高,在2.2左右,具有較大的剩余反射率,因此必須鍍制增透膜才能使用。而高速飛行器的特殊使用條件,又要求增透膜同時(shí)具有較好的防護(hù)能力,對(duì)基底提供保護(hù)。所以ZnS的增透膜需同時(shí)滿足增加透過(guò)率和保護(hù)基底兩個(gè)要求。

根據(jù)薄膜光學(xué)原理［8］,適當(dāng)?shù)牟牧虾湍は翟O(shè)計(jì)可以有效提高透過(guò)率,降低剩余反射率,從而提高整個(gè)紅外光學(xué)系統(tǒng)的效率。基于這種原理,科研人員開(kāi)展了多方面的研究。采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備的金剛石膜［9-10］或類金剛石［11］（Diamond Like Carbon,DLC）獲得了較好的保護(hù)效果,但是其光學(xué)性能稍差。磷化硼制備的薄膜具有較好的機(jī)械和光學(xué)性能［12］,但是這種材料有劇毒,制備困難。碳化鍺［13］也是一種良好的膜層材料,不過(guò)這種材料在近紅外區(qū)的吸收較大。

本文根據(jù)ZnS紅外窗口的技術(shù)要求,論述了應(yīng)用于高速飛行器的0.8～1.7μm和3.7～4.8μm雙波段紅外增透膜的材料選擇、膜系設(shè)計(jì)和制備方法,并給出了相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。

2 材料選擇

為了達(dá)到良好的使用效果,通常都是由多層薄膜構(gòu)成,這種薄膜結(jié)構(gòu)可以依據(jù)膜系設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行組合,具有保護(hù)性能好、可靠性好、不改變基底形狀、不增加額外的阻力和重量等特點(diǎn)。

圖1是頭罩鍍制具有保護(hù)作用的紅外增透膜前后的損傷示意圖。在沒(méi)有鍍制膜層之前,高速飛行時(shí),雨滴和固態(tài)顆粒等直接沖擊窗口表面,窗口很快就會(huì)損傷,嚴(yán)重時(shí)會(huì)被完全破壞。鍍制了具有保護(hù)作用的紅外增透膜后,可以有效抵御雨滴和固態(tài)顆粒的破壞,窗口得到了保護(hù),同時(shí),光學(xué)性能損失也較小。

為了給基底提供較好的保護(hù),紅外增透膜的最外層膜需要具有較高的硬度,同時(shí)和膜系中的其他材料能較好的匹配,結(jié)合牢固。自然界中最硬的材料是金剛石,摩氏硬度達(dá)到了10,但是金剛石不能用作膜層材料,通常使用的都是類金剛石（DLC）膜。DLC膜具有和金剛石相似的晶體結(jié)構(gòu),具有紅外透明,機(jī)械強(qiáng)度高,耐沙蝕、雨蝕,化學(xué)穩(wěn)定性好等類似金剛石膜的優(yōu)點(diǎn),并且DLC膜的制備方法比較簡(jiǎn)單,工藝參數(shù)易控制,沉積溫度較低,容易制備出符合預(yù)期要求結(jié)構(gòu)和性能的膜材料。和金剛石膜相比,DLC膜可以和Ge有相對(duì)較好的結(jié)合,但是和ZnS及ZnSe結(jié)合不牢。DLC膜在制備過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力,當(dāng)鍍制的薄膜過(guò)厚時(shí),會(huì)產(chǎn)生龜裂,因此很難形成厚膜。除了應(yīng)力的問(wèn)題,DLC膜的光學(xué)吸收也比較大。

剛玉是除了金剛石外自然界中第二硬的材料,摩氏硬度達(dá)到了9。剛玉的主要成分是氧化鋁（Al2O3）,Al2O3的長(zhǎng)波吸收限在6μm處,符合光學(xué)指標(biāo)要求。作為蒸發(fā)材料的Al2O3在成膜之后,硬度比塊狀材料有所降低,但是依然可以對(duì)ZnS窗口有很好的保護(hù)作用。

技術(shù)要求需要在兩個(gè)波長(zhǎng)較寬的紅外波段實(shí)現(xiàn)增透,因此高折射率材料應(yīng)有較高的折射率以外,還應(yīng)和Al2O3結(jié)合牢固,并且應(yīng)力較小。最終選擇TiO2作為高折射率材料。

3 膜系設(shè)計(jì)

根據(jù)光學(xué)薄膜原理,通過(guò)不同厚度的高低折射率變換的膜層,可以實(shí)現(xiàn)某些特定波段的高透過(guò)率。

光學(xué)薄膜的膜系中的一層可以表示為：

其中矩陣稱為薄膜的特征矩陣,它包含了薄膜全部有用的參數(shù)。

由基片和薄膜的特征矩陣可以得到組合導(dǎo)納：

同理,對(duì)于多層膜可以得到膜系的特征矩陣為：

其中

式中

稱為第j層膜的特征矩陣。

通過(guò)式（3）可以計(jì)算膜系的透過(guò)率和吸收率。

根據(jù)以上光學(xué)薄膜理論推導(dǎo)出來(lái)的公式,結(jié)合數(shù)學(xué)運(yùn)算,利用膜系設(shè)計(jì)軟件提供的強(qiáng)大優(yōu)化功能,可以通過(guò)對(duì)非規(guī)整膜系的復(fù)雜計(jì)算實(shí)現(xiàn)不同的要求。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,要實(shí)現(xiàn)雙波段的增透,需要復(fù)雜的非規(guī)整膜系。在膜系設(shè)計(jì)時(shí),注意了以下幾個(gè)方面：

（1）層數(shù)盡量少,以減少膜系制備時(shí)的技術(shù)難度；

（2）每層的厚度不要過(guò)厚或過(guò)薄；

（3）膜層的總厚度不要太大；

（4）Al2O3在最外層,有合適的厚度。

根據(jù)以上原則,在0°入射條件下,最終使用Essential Macleod軟件計(jì)算優(yōu)化的膜系設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。第1層為緊挨空氣的最外層,第10層為膜系的最后一層,緊挨基底ZnS。

從膜系的設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出,膜系的層數(shù)為10層,其中沒(méi)有過(guò)厚或過(guò)薄的膜層,總厚度也適中,最外層為Al2O3層,總體符合膜系設(shè)計(jì)之初提出的幾個(gè)要點(diǎn)。

圖2是膜系設(shè)計(jì)的結(jié)果,從圖中可知,在0.8～1.7μm剩余反射率小于2％,在3.7～4.8μm剩余反射率小于1.5％,相對(duì)于沒(méi)有鍍制增透膜時(shí)14％的剩余反射率,有了顯著降低。

4 薄膜制備

等離子輔助沉積（Plasma Ion Assisted Deposition,PIAD）技術(shù)是一種常用的光學(xué)薄膜制備技術(shù)［14］。霍爾離子源可以電離惰性氣體或反應(yīng)氣體,輸出離子流密度均勻并具有較高能量的等離子體用于薄膜輔助沉積。而且霍爾離子源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、易于維護(hù),很適合用于長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)鍍膜工藝［15-16］。

基底采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的ZnS材料,雙面拋光。在鍍膜之前,基底用去離子水,乙醇和石油醚分別進(jìn)行10 min的超聲波清洗。基底采用拱形夾具固定,在制備之前,基底用烘烤加熱到250℃并恒溫2 h。在鍍制薄膜之前,真空度抽至小于2× 10-3Pa。蒸發(fā)材料被施加8 kV高壓的電子槍發(fā)射出的高能電子束加熱蒸發(fā)。同時(shí)在霍爾離子源通入純度為99.99％的氧氣作為工作氣體。使用Telemark公司生產(chǎn)的MDC-360C型石英晶體沉積控制儀控制薄膜的沉積厚度和沉積速率,Al2O3和TiO2的沉積速率分別為0.15和0.1 nm/s。圖3是鍍膜工藝示意圖。

5 結(jié)果與討論

使用同一鍍制流程中雙面鍍制的同種材料測(cè)試片進(jìn)行相關(guān)的光譜測(cè)試和環(huán)境實(shí)驗(yàn)性測(cè)試,在光譜測(cè)試中測(cè)試了ZnS基底的透過(guò)率作為對(duì)比。

使用Perkin Elmer公司的Lambda 900型分光光度計(jì)測(cè)試0.8～1.7μm的近紅外波段透過(guò)率。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

使用Perkin Elmer公司的Spectrum GX型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試3.7～4.8μm的中波紅外波段透過(guò)率。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

在0.8～1.7μm的近紅外波段,雙面鍍制增透膜后平均透過(guò)率大于95％；在3.7～4.8μm的中波紅外波段,雙面鍍制增透膜后平均透過(guò)率大于96％。ZnS基底相對(duì)于沒(méi)有鍍制增透膜前透過(guò)率提高了22％以上,在近紅外波段和中波紅外波段都起到了良好的增透效果。

除了透過(guò)率外,膜層的結(jié)合力、耐摩擦性能及環(huán)境適應(yīng)性也是重要的指標(biāo)。牢固性和重摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

6 結(jié)論

針對(duì)高速飛行器應(yīng)用的ZnS窗口,進(jìn)行了近紅外波段和中波紅外波段的雙波段增透膜研究,闡述了材料選擇、膜系設(shè)計(jì)和制備方法等方面。最終使用等離子輔助沉積技術(shù)制備了相關(guān)膜系。測(cè)試結(jié)果表明：ZnS窗口雙面鍍制增透膜后在0.8～1.7μm波段雙面平均透過(guò)率大于95％,在3.7～4.8μm波段雙面平均透過(guò)率大于96％,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)該膜層同基底結(jié)合牢固并具有良好的耐摩擦性能。

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Fabrication of hard infrared anti-reflection coating with broadband in the wavelength of 0.8-1.7μm and 3.7-4.8μm based on oxidematerial

WANG Tong-tong1,2
（1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China；2.Key Laboratory of Optical System Adυanced Manufacturing Technology,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China）
*Corresponding author,E-mail：wangtongtong@126.com

This paper demonstrates the design and fabrication of the dual-band antireflection coating in 0.8-1.7μm and 3.7-4.8μm wavelength region at0°incident angle on the ZnS substrate based on oxidematerials.The choosing on evaporationmaterials,optical coating design and fabricationmethod,etal.are discussed in detail.The dual-band IR antireflection coating has been successfully produced by Plasma Ion Assisted Deposition（PIAD）technique on both side of the ZnS substrate.Transmittance and environment test results show that the average transmittance is larger than 95％during 0.8-1.6μm wavelength region and larger than 96％during 3.7-4.8μm wavelength region,respectively.The firm adhesion and good tribology ability have been obtained referring to the general specification for optical coatings.

IR antireflection coating；ZnS；Plasma Ion Assisted Deposition（PIAD）；dual-band antireflection coating

O484；TN304

A

10.3788/CO.20140705.0816

2095-1531（2014）05-0816-07

2014-05-11；

2014-07-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.60478035）

王彤彤（1979-）,男,吉林長(zhǎng)春人,博士,副研究員,2002年于延邊大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2008年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事先進(jìn)光學(xué)薄膜理論和制備方面的研究。E-mail：wangtongtong@126.com