硒化锌基底多波段红外增透膜的研究_陈星聿.pdf

收稿日期：2022-10-28第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022硒化锌（ZnSe）作为高功率激光器常用的红外窗口材料，在0.520 m波段有高且均匀的光学透过率，并且具有热膨胀小、光学吸收低、导热性好、机械强度高等特性1-2。但是目前还没有单一材料基底可以满足窗口片应具备的光学性能、机械性能和化学性能，需要对窗口材料进行镀膜3-5。近几年国内开始对硒化锌基底红外增透膜展开研究。2006年，林炳6等人采用离子辅助技术，在 7.810.6 m波段实现平均透过率达到 98%以上。2010 年，潘永强7等人采用热蒸发技术，在216 m波段实现平均透过率达到93%以上。2021年，何光宗8等人以硫化锌、硒化锌、氟化镱为材料，在 7.510.5 m波段透过率达到98%以上，在0.633 m处的透过率为71.7%。但是对于近红外波段以硒化锌为基底的增透膜研究很少，文中研究在短中波红外多波段具有高透过率的增透膜。1技术参数根据设备的技术需求确定增透膜的技术参数如表1所示。表1 增透膜技术指标波段/m0.8080.8800.9153.74.810.6指标T91%T91%T91%T95%T95%光学设计 硒化锌基底多波段红外增透膜的研究陈星聿，关冉昀，张守立，孙宏宇，程伟宁（中国电子科技集团公司光电研究院，天津）摘要：为了满足光电设备窗口片的使用要求，设计了一种以硒化锌为基底的多波段红外增透膜。为了达到多波段增透的目的，选取硫化锌、氟化镱分别作为高、低折射率材料，在硒化锌基底前后表面镀制相同的多波段红外增透膜。最终实现0.808 m、0.880 m、0.915 m处透过率在91%以上，3.74.8 m和10.6 m处透过率在95%以上，并且膜层具有良好耐环境适应性。关键词：光学薄膜；红外增透膜；多波段；硒化锌中图分类号：O484文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0018-04Study of Multi-band Infrared Antireflection Coatingson Zinc Selenide SubstrateCHEN Xingyu，GUAN Ranyun，ZHANG Shouli，SUN Hongyu，CHENG Weining(Academy of Opto-Electronics,China Electronics Technology Group Corporation(AOE CETC),Tianjin,China)Abstract:In order to meet the requirements of optoelectronic devices for the use of windows,a multi-bandinfrared antireflection coating based on zinc selenide is designed.In order to achieve the purpose of multi-band anti-reflection,zinc sulfide and ytterbium fluoride are selected as high and low refractive index materials respectively,and the same multi-band infrared anti-reflection film is coated on the front and rear surfaces.Finally,the transmittance at 0.808 m,0.880 m,and 0.915 m is more than 91%,and the transmittance at 3.74.8 m and 10.6 mis more than 95%,and the film layer has good environmental adaptability.Key words:optical film;infrared antireflection coating;multi-band;zinc selenide第6期陈星聿等：硒化锌基底多波段红外增透膜的研究经分析计算，如果基板两面镀制相同的增透膜，在设计单面膜时，0.808 m、0.880 m、0.915 m处，透过率达到 95.5%以上；3.74.8 m、10.6 m处，透过率达到97.5%以上。由于增透膜应用在设备窗口，还应具备耐高低温、耐湿热、耐盐雾等耐环境适应性9-10。2材料选择与膜系设计对于多层膜的特性计算可利用虚拟的等效界面进行简便运算，多层介质膜的矩阵方程是E0H0=j=1kcosjijsinjijsinjcosjEK+1HK+1（1）并且因为基底中只有正向波，得出规整膜系的特征矩阵为BC=j=1k0ijij01k+1（2）在设计减反射膜时常选择两个不同折射率n1、n2的材料相互叠加沉积在折射率为ns的基底上，在矩阵中可表示为j()j=2x+1=1、j()j=2x=2，特征矩阵可化简为BC=21k20012k21s（3）等效界面的导纳用 Y 表示，因而Y=12Ks，多层膜反射率R为R=0-Y0+Y2=0-12Ks0+12Ks2（4）可见当n1、n2相差越大，反射率R越小。对于红外增透膜常用的高折射率材料有锗（Ge）、碳化锗（GeC）、硫化锌（ZnS）等，常用的低折射材料有氟化镱（YbF3）、氟化钡（BaF2）、氟化钙（CaF2）等。BaF2、CaF2薄膜松软并且容易吸潮，但是 YbF3不仅在0.3512 m具有良好的透光性，还有较强的机械性能，常与ZnS组合制备多层增透膜。在薄膜制备过程中，材料由电子枪产生的光斑加热蒸发，材料微粒在真空室中热运动，沉积在基板表面。在蒸发的过程中蒸发速率、基板的温度等因素的改变，均会影响材料的光学常数，从而影响薄膜的光学性能。沉积速率过低使材料分子的动能不足，当材料分子到达基板表面时更易聚集在大的凝结体上。沉积速率过高会使膜层致密，膜系的内应力增强的越显著，沉积到一定程度时薄膜更易破裂。经实验测试，ZnS、YbF3的速率分别为 0.8 nm/s、0.7 nm/s时蒸发状态稳定。提高基板的温度可以减少表面的残余气体，提高材料分子的附着力，还可以改善膜层间应力。同时，沉积温度过高也会使材料分子结构不稳定，甚至导致低熔点材料分解。经实验测试，在140 下材料吸收较小。此工艺下 ZnS与 YbF3的折射率曲线如图1所示。根据指标要求，采用减反射膜系 G|（HL）s|A作为初始膜系，G表示基底ZnSe、A表示空气、H表3.02.52.01.51.01 0002 0003 0004 0005 000Wavelength/nmRefractive index（a）ZnS折射率曲线2.01.51.00.50.0Refractive index1 0002 0003 0004 0005 000Wavelength/nm（b）YbF3折射率曲线图1 材料折射率曲线19光电技术应用第37卷图2 增透膜透过率理论曲线示高折射率材料 ZnS、L 表示低折射率材料 YbF3、s 表示周期数。借助 TFCalc 膜系设计软件对多层膜进行优化，得到的优化设计曲线如图2所示。其中 2（a）为全波段透过率曲线，图 2（b）为7001 000nm 波段透过率曲线。膜系结构为 G|2.72H 1.13L1.45H 1.25L 0.19H 2.95L|A，0入射时 0.808 m、0.880 m、0.915 m、10.6 m 处 透 过 率 分 别 为95.80%、98.47%、99.77%、98.82%，3.74.8 m 平均透过率为99.27%，满足指标要求。3薄膜制备实验采用 ZZS-1350双枪热蒸发式镀膜机，该设备配有分子泵、XTC/3 薄膜沉积控制器、IBD-HIT300中空阴极霍尔离子源、ZDF-5227复合真空计、SG2017双电子枪。在多层膜制备过程中晶控仪可以很好的控制膜层厚度的沉积精度。由于石英晶体的振动频率对质量的变化极其灵敏，可以实现对沉积厚度的监控。离子源辅助沉积技术可以改变膜层致密性，从而提高膜层的光学性能和机械性能。实验前先用无水乙醇将基片擦拭干净放置在工件盘上，在抽真空过程中工件盘以8 r/min的速度保持低速旋转。当真空度达到110-3电子枪对膜料进行自动预熔。恒温30 min后，打开离子源对基板清洗10 min，离子束轰击基板可以提高薄膜与基板的吸附性。制备过程中工件盘以15 r/min的速度高速旋转，离子源对真空室中的材料粒子施加数十至数百伏能量的离子轰击，离子对材料粒子的能量传递填补了暴露膜层的空隙，提高膜层的聚集密度和附着力。离子源工艺参数如表2所示。表2 离子源参数参数阳极电压阳极电流中和电流发射极电压发射极电流维持电压维持电流Ar气流量数值150 V1.47 A0.5 A21 V1.98 A14 V1 500 Ma8 sccm基板温度影响材料分子的晶体生长、聚集密度及凝聚系数等。选择适宜的沉积温度，对薄膜的折射率、应力、附着力等性能都会有显著提高。沉积速率影响着镀膜材料的分子生长结构，从而影响蒸发材料的光学性能和机械性能。ZnS与YbF3采用电子枪加热蒸发，最终确定的沉淀工艺如表3所示。表3 工艺参数材料ZnSYbF3烘烤温度/（）140140沉积速率/nm/s0.80.7真空度3.810-44.010-4束流236664测试结果与分析4.1光谱测试采用红外光谱仪对单面增透膜进行光谱测试。增透膜0入射下0.711 m波段的透过率曲线如图3所示。100806040200Transmittance/（%）2 0004 0006 0008 00010 000Wavelength/nm1008060402007007508008509009501 000Wavelength/nm（a）全波段（b）7001 000 nm波段Transmittance/（%）20第6期（下转第106页）可见测试曲线与设计曲线相比，光谱向右移，采用Macleod膜系设计软件对增透膜测试曲线进行逆向反演分析，将ZnS、YbF3分别设置为组1、组2，对各组进行 Tooling 调试，使设计曲线与测试曲线基本重合。组 1 的 Tooling 值为 0.984，组 2 的 Tooling 值为 1.012。调整膜层厚度后的光谱曲线与设计光谱曲线如图 4 所示。0.808 m、0.880 m、0.195 m、10.6 m 的 透 过 率 分 别 为 80.73%、82.38%、83.15%、83.22%，3.74.8 m的平均透过率为82.68%。测试结果满足指标要求，然后根据优化后的膜系结构进行双面增透膜的制备。双面增透膜测试曲线如图5所示。测得0.808 m、0.880 m、0.195 m、10.6 m的透过率分别为 91.28%、93.08%、94.83%、97.04%，3.74.8 m 的平均透过率为 95.79%，满足设计要求，制得增透膜如图6所示。4.2环境测试硒化锌作为窗口片应具有一定的耐环境适应性，根据GJB150-2009军用装备实验室环境试验方法新版标准，对镀膜后的硒化锌进行高低温测试、湿热测试、盐雾测试、淋雨测试。（1）高低温测试将硒化锌放入试验箱内，试验箱以5/min的速度逐渐升温至+60 并持续48 h，然后以相同速度降至室温。再对其进行低温试验，试验箱以3/min的速度降温至-45 保持48 h，然后以相同速度升至室温取出观察其表面，未发现有脱膜、膜裂的现象。（2）湿热测试先在试验箱内以相对湿度为5565、温度为23 2 的条件下，保持24 h。然后将参数调为相对湿度为9298、温度为35，保持48 h后，观测膜层外观无变化。图3 测试光谱曲线与设计曲线对比100806040