引 言

随着战争环境的多样化和伪装技术的发展,对光学仪器特别是军用光学仪器的要求越来越高,使用单波段的产品将难以满足实际需要,取而代之的是多波段减反射膜。

随着对光学薄膜要求的不断提高,光学薄膜的设计理论和镀制技术得到飞速的发展,减反射膜的波段宽度不断扩展,低反射带宽(λ_max/λ_min)达到3的超宽带减反射膜批量生产。但要进一步拓宽减反射光谱范围,膜系设计就会变得十分困难。

具有渐变折射率的光学薄膜能够得到宽带减反射的效果。理想的渐变折射率膜由高折射率(与窗口折射率相同)渐变到低折射率(与入射介质折射率相同),可以得到很好的减反射效果。因此,多波段减反射膜可以采用基于渐变折射率的膜系设计方法。

1 多波段减反射膜的设计

多波段减反射膜涉及可见、激光、红外波段,具体为可见波段(0.45～0.75 μm)、近红外波段(1.064 μm 和1.54 μm)和中远红外波段(7.5～12 μm),窗口材料通常采用ZnS^{[ 1 ]}。对于ZnS基底,未镀膜单面剩余反射率高达14%,窗口的透过率约为74%(见图 1),因此需要对窗口镀多波段减反射膜。

图 1

Fig. 1

图 1 ZnS基片透射实测光谱Fig. 1 Testing transmission spectrum of ZnS plate

对于超宽带减反射膜,唐晋发等总结和归纳了一系列已发表的设计结果,选用了一个用于估计最低反射率平均值的经验公式^{[ 2 ]}:

经验公式表明,低反射率平均值取决于低反射带宽、高低折射率差值、减反射膜总的光学厚度和最外层薄膜的折射率。低反射带宽对低反射率平均值影响较大,虽然文献^{[ 2 ]}中分析的带宽(λ_max/λ_min)在1.5～3.0之间,但已经表明带宽越大,反射率平均值也越高。对公式进一步分析可得,当低反射带宽大于3时,最低反射率平均值R_AVE急剧上升;而低反射带宽等于5时,通常情况下超宽带减反射膜已无实际意义^{[ 3,4 ]}。这一方面说明,经验公式具有局限性;同时也说明对于多波段减反射膜的低反射带宽接近30,传统的减反射膜设计理论难以得到满意的设计结果。

对低反射带宽大于3的超宽带减反射膜研究,唐晋发等利用三层对称膜等效原理^{[ 5 ]},只用高低折射率两种膜料为锗基片设计了一个39层的低反射带宽达到10的超宽带减反射膜^{[ 6 ]}。这个设计说明,低反射带宽大于3的超宽带减反射膜是有可能实现的。鄢秋荣等^{[ 7 ]}利用傅里叶合成方法原理,用Ge和YF₃两种膜料,求得折射率分布曲线,在ZnSe基底上设计了超宽带减反射膜,这是一个膜层厚度为20 μm、折射率在1.35～4.0之间的变折射率薄膜,理论计算表明在3～12 μm的波段范围内的平均透射率达到95％。在余怀之^{[ 8 ]}应用梯度折射指数法,将折射率分布曲线台阶化,用ZnSe和YF₃两种膜料,在ZnSe基底上设计了超宽带减反射膜,低反射带宽达到20。

对于渐变折射率膜,其实现的基础是共蒸发技术^{[ 9 ]},即在成膜时采用两个蒸发源同时蒸发,一个蒸发源蒸发高折射率膜料,另一个蒸发源蒸发低折射率膜料。控制两个蒸发源的蒸发速率比例,理论上可以得到上述高、低折射率值之间的任意折射率。但无论是渐变折射率膜还是简化后的台阶膜,都要求镀膜设备具有共蒸发功能,渐变折射率膜还要求镀膜软件具有变速率自动控制功能,这是一般的镀膜设备所不具备的,同时在实际镀制中也存在诸多的困难。因此多波段减反射膜的设计必须在上述基本(或简化)膜系的基础上进行改进。

1.2 多波段减反射膜的设计

按照渐变折射率膜设计理论^{[ 10 ]},要在ZnS窗口上实现超宽带减反射,高折射率膜料选择与窗口折射率相同的ZnS(n≈2.3),低折射率膜料选择YF₃(n≈1.5)。如果高折射率膜料的蒸发速率由最大逐渐降为零、同时低折射率膜料的蒸发速率由零逐渐升到最大,就可以得到折射率从2.3渐变到1.5的渐变折射率膜。此时,单面剩余反射率从15%降到4%,减反射效果十分明显。

将渐变折射率膜作简化,即高折射率膜料的蒸发速率分段变化,由最大降为零;同时低折射率膜料的蒸发速率也分段变化,由零升到最大,就可以得到折射率从2.3变到1.5的台阶膜。假设折射率梯度为0.05,则低反射带宽达到17。折射率台阶分布为线性,得到17层等差台阶膜(λ₀=900 nm),其单面剩余反射率约为4%～5%(见图 2)。

图 2

Fig. 2

图 2 镀17层台阶膜的剩余反射率Fig. 2 Residual reflectance of 17-layer films

采用对称膜系(PQP)等效折射率的方法,是实现台阶膜各台阶的折射率的另一种方法。作为三层对称膜系的一个特例,当对称膜系中各分层的厚度很小时,等效折射率几乎是一常数,介于N_p和N_q之间,取决于分层厚度的比值ψ ^{[ 5 ]},即:

为使膜系的折射率E由高到低地变化,ψ应由大到小变化。为简化起见,每层膜的位相厚度δ_p、δ_q并不严格按照公式的计算值,而是采用等差变化,即高折射率材料的位相厚度递减,低折射率材料的位相厚度递增。用ZnS 和YF₃两种折射率实现ZnS窗口的超宽带减反射。

假定多波段减反射膜膜系为20层,设计波长为800 nm,膜系结构为:

图 3

Fig. 3

图 3 设计波长为800 nm、20层膜系的剩余反射率Fig. 3 Residual reflectance of 20-layer films in 800 nm

(1)膜层层数不变(20层),膜层厚度增加一倍(见图 4);

图 4

Fig. 4

图 4 设计波长为1 600 nm、20层膜系的剩余反射率Fig. 4 Residual reflectance of 20-layer films in 1 600 nm

(2)膜层层数增加(40层),膜层厚度也随着增加一倍(见图 5);

图 5

Fig. 5

图 5 设计波长为800 nm、40层膜系的剩余反射率Fig. 5 Residual reflectance of 40-layer films in 800 nm

(3)膜层层数增加(40层),膜层厚度不变(见图 6)。

图 6

Fig. 6

图 6 设计波长为400 nm、40层膜系的剩余反射率Fig. 6 Residual reflectance of 40-layer films in 400 nm

将上述四种膜系的结构及低反射波段列于表 1。可以看出,低反射波段与膜层层数和膜层厚度的关系。综合考虑后确定为30层,设计波长为800 nm。再对可见波段(0.45～0.75 μm)、近红外波段(1.064 μm和1.54 μm)和中远红外波段(7.5～12 μm)进行优化,得到一个23层的多波段减反射膜结果,剩余反射率见图 7,要求波段的剩余反射率低于2%。

表 1(Table 1)

表 1 膜系的结构及低反射波段的关系 Tab. 1 Relation between film structure and low-reflecting wave band 膜系结构 膜系物理厚度/nm 低反射波段/nm 设计波长800 nm,20层, 1 200 500 ～9 000 设计波长1 600 nm,20层 2 500 1 000 ～16 000 设计波长400 nm,40层 1 100 500 ～9 000 设计波长800 nm,40层 2 500 500 ～16 000

表 1 膜系的结构及低反射波段的关系 Tab. 1 Relation between film structure and low-reflecting wave band

图 7

Fig. 7

图 7 设计波长为800 nm、23层膜系的剩余反射率Fig. 7 Residual reflectance of 23-layer films in 800 nm

2 多波段减反射膜工艺

多波段减反射膜的膜系结构是一组高低折射率膜料的交替,因此,其镀膜工艺与一般膜系的镀膜工艺相似。但有几个方面值得注意:一是要求膜料在如此宽的波段内透明,对膜料的选择有很大的限制;二是膜系中膜层厚度差别较大,对膜系的镀制和最终性能影响大^{[ 11 ]}。

以等效折射率概念设计的高低折射率交替的膜系,要求高折射率不得低于基底,ZnS透明范围0.38～14 μm,是较好的选择^{[ 12 ]}。在低折射率膜料中,Na₃AlF₆的折射率是相对较低,但机械性能较差、容易潮解的缺点限制了它的使用。YF₃是近年来开发出来的膜料新品种,其透明范围0.35～12 μm,膜层虽然也是软膜,但具有良好的附着力和较低的应力,可以与ZnS组合成多层膜且性能良好^{[ 13 ]}。

ZnS和YF₃膜料的蒸发温度不高,均可使用电子枪或蒸发舟作为蒸发源。由于膜系涉及到红外波段, 膜系相对较厚,有条件的情况下应采用多个蒸发舟。多波段减反射膜为23层的非规整膜系,减反射性能对膜厚并不十分敏感,因此石英晶体膜厚控制方式比较合适。ZnS-YF₃多 层膜系属于软膜,常规工艺下镀 制的薄膜机械强度及抗环境性能还是较差。以往通用的方法是成膜后进行热处理,以改善其性能。近年来日趋成熟的离子束辅助镀膜技术在膜层改性方面得到广泛的应用,因此可以采用。

ZnS、YF₃膜料试验是在成都真空机械厂的ZZS800箱式真空镀膜机上进行,设备装备了中科院空间所的Φ120宽束离子源。ZnS、YF₃镀膜工艺参数见表 2,在该工艺条件下,ZnS、YF₃的光学常数见表 3和表 4。

表 2(Table 2)

表 2 ZnS、YF3工艺参数 Tab. 2 Technical parameters of ZnS and YF3 镀膜环境 ZnS YF3 烘烤温度/℃ 175 175 蒸发方式 E-Gun E-Gun 蒸发速率/(nm·s-1) 0.5 0.5 加速电压/V 200 200 束流/mA 15 5 阳极电压/V 60 80 阴极电流/A 13 12 保温温度/℃ 175 175 保温时间/min 20 20

表 2 ZnS、YF3工艺参数 Tab. 2 Technical parameters of ZnS and YF3

表 3(Table 3)

表 3 ZnS光学常数 Tab. 3 Optical constant of ZnS λ/nm n k 408 2.446 0 0.002 12 466 2.410 0 0.001 18 572 2.360 1 0.000 20 738 2.299 5 0 1 095 2.233 6 0 1 597 2.215 6 0 2 000 2.200 0 0 10 000 2.150 0 0.001 50

表 3 ZnS光学常数 Tab. 3 Optical constant of ZnS

表 4(Table 4)

表 4 YF3光学常数 Tab. 4 Optical constant of YF3 λ/nm n k 416 1.518 3 0 495 1.513 6 0 518 1.511 4 0 688 1.505 9 0 739 1.502 2 0 1 030 1.500 0 0 1 473 1.490 0 0 4 000 1.480 0 0 10 000 1.300 0 0.001 3

表 4 YF3光学常数 Tab. 4 Optical constant of YF3

3 研制结果

研制的多波段减反射膜在可见波段(0.45～0.75 μm)、近红外波段(1.064 μm和1.54 μm)和中远红外波段(7.5～12 μm)具有明显的减反射作用。经美国PerkinElmer公司Lambda900分光光度计和Spectrum GX OPTICA 红外分光光度计进行测试,得到双面镀膜后的透射光谱(见图 8)。在0.4～0.5 μm和超过10.5 μm 波长范围内,透过率的下降是由基片吸收引起的。

图 8

Fig. 8

图 8 双面镀多波段减反射膜后的透射光谱实测曲线Fig. 8 Testing transmission spectrum of plate coated with multiband anti-reflection coating in double surfaces

膜层机械强度和和抗环境性能,按照《光学零件镀膜》中的JB/T 8226.1 减反射膜标准进行检验,结果见表 5。试验结果表明,采用离子束辅助镀膜技术镀制的多波段减反射膜,具有良好的机械强度和和抗环境性能。

表 5(Table 5)

表 5 膜层的机械强度和和抗环境性能 Tab. 5 Mechanical intensity and environment-resistant capability 试验项目 试验条件 检验项目 试验结果 表面质量 目测检验 外观﹑麻点﹑擦痕﹑色斑是否满足要求 合格 擦试 脱脂布蘸酒精乙醚擦拭 有无擦痕 合格 恒定湿热 温度(40±2)℃,湿度90%～95%,24 h 有无膜层脱落,光学性能是否满足要求 合格 低温 温度(-40±3)℃,2 h 有无膜层脱落,光学性能是否满足要求 合格

表 5 膜层的机械强度和和抗环境性能 Tab. 5 Mechanical intensity and environment-resistant capability

4 结 论

多波段减反射膜的研制表明,基于渐变折射率和等效折射率概念,用两种膜料组成折射率等差台阶膜,对高折射率基底具有良好的宽带减反射特性。等差台阶膜可以用两种高低折射率膜料组成的多层膜系替代,高折射率膜料的折射率应大于或等于基底的折射率,高折射率膜料的折射率应接近入射介质。采用热蒸发技术(电子枪或蒸发舟)与离子束辅助技术的结合,再辅以热处理,可以镀制出较为牢固的ZnS-YF₃多层膜,能够满足常规光学仪器的使用条件。