基于ZF6基底的可見光寬譜帶高性能增透膜

曲 鋒，朱華新，劉桂林，李 帥，孫 強

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.江南大學理學院，江蘇無錫214122)

1 引言

20世紀30年代研發的增透膜促進了薄膜光學的早期發展。對于推動光學技術發展來說，增透膜在所有的光學薄膜中起著最為重要的作用［1-3］，直至今天，其生產總量仍然超過所有其他類型的薄膜。因此，研究增透膜的設計和制備技術，對于生產實踐有著重要的意義［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，經過多次反射或漫射的表面反射光，極易形成雜散光，進而影響光學系統的成像質量。為此，有必要通過蒸鍍增透膜來提高光學元件的光強透過率，減小其表面的剩余反射，提高成像系統中像的質量、平衡、作用距離及襯度等參數，從而提高整個系統的性能。由于絕大多數光學系統工作于可見光波段，可見光區寬帶增透膜的設計一直是研究的熱點［10-12］。

2 寬帶減反膜理論

根據菲涅耳反射原理，光學玻璃表面對光具有一定的反射(折射率越變)作用，通常可根據菲涅耳公式求出其反射率。雖采用簡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，但反射率曲線一般呈現為V形，即只能在某一狹窄的波段內產生明顯的增透效果，其他波段增透效果不明顯，從而導致玻璃表面會產生顏色。為在較寬波段內產生減反的效果，通常采用多層膜結構來實現，本文采用多層膜系理論進行理論設計。

對于多層膜，由光學薄膜理論可知，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層膜的有效光學導納，di是第i層膜的厚度。

多層膜的導納為:

由于入射介質為空氣，因此入射介質的導納為η0。為使表面反射為零，理論上必須要使多層膜的導納在參考波長范圍內達到或接近η0，這樣根據菲涅耳公式，表面反射才能達到零。

3 ZF6基底光學特性

設計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平板測試片放入光譜儀中測試其透過率，得到透過率曲線如圖1所示，在可見光區范圍內其透過率約為85%。由光學薄膜理論中的非相干疊加計算可知，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，光學系統的成像質量受到嚴重影響，所以，鍍制增透膜是相當必要的。

圖1 ZF6基底的透過率曲線Fig.1 Transmittance curve of ZF6 substrate

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

根據實測ZF6基底的透過率曲線，可以由菲涅耳公式計算出其色散曲線，如圖2所示。從圖中看出，在整個可見光區范圍內的折射率隨波長增加而減小，換言之ZF6玻璃為正常色散，折射率約為1.77，這也與實際查得光學手冊的折射率一致。基底光學常數的測定是整個膜系設計的前提。

4 膜料的選擇

本實驗要求膜料滿足較高的機械牢固度和化學穩定性，在可見光波段內透明，具有較小的吸收、散射特性等。同時，還要考慮到膜層之間以及膜層與基底材料之間的應力匹配問題，避免應力集中，導致膜層龜裂，且要保證膜層之間及膜層與基底之間結合的牢固度［3］。

最常用的幾種可見光區光學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，其透明區為0.35～12 μm，在整個可見光波段和紅外光譜區都是透明的，膜層呈壓應力，且牢固穩;不過TiO2在電子槍加熱蒸發過程中極易分解，生成低價氧化物，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，透明區波段為0.18～12 μm，膜層呈現壓應力;其分子形式可以充實其它材料造成的表面缺陷，改善多層膜表面的微觀形態;同時它的光吸收很小，牢固性好，且抗磨耐腐蝕，可起到保護作用［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，它們相互組合呈現應力匹配良好、散射損耗低等優點［8］。

采用單因素變量法考察了稱樣量對測定的影響。分別選用稱樣量為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0g進行試驗，結果見表3。由表3可見：當稱樣量不大于1.0g時，測定結果的相對標準偏差(RSD)較大，這可能是因為稱樣量太小，樣品代表性較差；當稱樣量大于1.0g時，測量結果的RSD較小。考慮到稱樣量大于3.0g時，消耗的硝酸-酒石酸混酸和滴定液體積會相應增多，最終實驗選擇稱樣量為2.0g。

5 膜系設計

以 ZF6 作為基底，設計在 0.4 ～0.8 μm 波段的寬帶增透膜。對增透膜來說，膜系設計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，實現盡可能高的透過率。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作為設計參數。結合實際的制備方法和工藝，設計過程主要考慮以下幾點原因:(1)為減少累積誤差，采用較少的層數。(2)單層膜厚度應保持均勻，過厚則可能因應力過大產生膜層龜裂、脫膜等;過薄則使得膜層不易監控，增加誤差。(3)采用常規結構作為膜系初始結構［3］，以保證膜層在工藝制作過程中的穩定性、可操作性和重復性。設計膜系采用經典［3］的 Sub|aH bL 2H L|Air初始結構，H、L分別代表參考波長1/4光學厚度，參考波長為550 nm。其中2H層對于參考波長來說是虛設層，起平滑膜系反射特性的作用，圖3為此初始結構透過率曲線。

圖3 初始結構透過率曲線Fig.3 Transmittance curve of origin structure

根據圖3可得，在可見光波段內，該初始結構的平均透過率約為99.04%，相比未鍍膜面提高了14.04%，且最大透過率達到99.99%，但在長波處的透過率略顯偏低，800 nm處的透過率僅為97.00%，這是初始結構的帶寬不夠，無法滿足寬帶增透的要求造成的，所以，要優化其結構，圖4是在膜層數量仍為4層優化后(調整膜層厚度)的透過率曲線。

由圖4可看出，在整個帶寬范圍內，曲線較為平緩且反射率低，增透帶寬展寬也較為明顯，完全滿足設計要求。在設計要求波段范圍內，平均透過率達到99.37%，最大透過率為99.94%。由于膜層的數量被固定為4層，透過率已經無法再進一步優化，使得透過率在長波處仍稍偏低，800 nm處的透過率僅為98.24%，但相比優化前有大幅度的提高。

圖4 優化后的透過率曲線Fig.4 Transmittance curve of optimized structure

通過對優化后的膜系進行允差分析來適應薄膜制備工藝中的厚度監控誤差。當帶入2%的隨機相對厚度誤差時，其透過率變化由圖5所示。

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

從圖中可見，圖5共引入了5種隨機厚度相對誤差，由于參考波長設定為550 nm，2H的虛設層在參考波長兩端一定范圍內可以起到緩沖作用，使得在帶寬的兩端透過率均有下降。短波處的下降是因為厚度誤差對短波波長有較大的影響，長波處的下降是因其初始結構透過率就偏低，膜系在該波段處也沒有匹配至最佳，同樣厚度誤差也會引起透過率的下降。

總體來說，厚度誤差的影響在設計要求可接受的范圍內，即此膜系的厚度允差度良好，而此厚度誤差對于INFICON的SQC310石英晶體膜厚監控儀來說也是合理的。

6 工藝實現

鍍制工藝條件(沉積速率、真空度、基板溫度等)對薄膜材料的光學特性的影響很大，因此要想制作出理想的膜層，必須要有適當的工藝參數。

實驗中將ZF6基片懸浮固定在拱型夾具盤后開始抽真空，當真空室的真空度達到4×10-3Pa時，打開加熱燈絲將基片加溫至150℃，并恒溫2 h，然后打開電子槍，交替蒸發TiO2和SiO2這兩種材料，使用美國 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，并在樣品的兩側均鍍制了增透膜。

基片透過率測試采用Edinburgh公司生產的光譜儀，測試波長為0.4 ～0.8 μm，測試曲線如圖6所示。

圖6 測量的透過率曲線Fig.6 Measured transmittance curve

由測試結果得出，測得的實際制作樣品的透過率與設計相比波長略有漂移，根據圖5的厚度允差分析，測試結果在膜層厚度允差范圍內，其光譜曲線理論設計基本相符。

從實測曲線看出，0.4 ～0.8 μm 之間的最小透過率為82.95%(在400 nm處)，平均透過率約為98.15%，與未鍍膜的ZF6基底透過率相比，提高了13.15%，基本滿足寬帶增透的設計要求。

由于上述透過率為雙面鍍制增透的透過率，單面的剩余反射率可粗略認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率提高了7%，與理論值相比僅有1.25%的相對誤差。

對樣品進行了附著力等測試，將樣品浸入沸水中2 h后，膜層無脫落、起皺、龜裂現象。在高溫高濕環境(溫度為50℃，相對濕度為95% ～100%)下放置48 h，膜層外觀未有明顯變化，對樣品進行了高低溫沖擊，相對濕度為50%，低溫為-20℃，高溫為70℃，循環時間為2 min，共循環30次，取出樣品，未出現膜層龜裂、脫落等現象。

7 結論

采用電子束蒸發物理氣相沉積方法制備了以ZF6 為基底、增透波長為 0.4 ～0.8 μm 的寬譜帶可見光區增透膜。利用Edinburgh光譜儀對雙面鍍制該膜系樣品的透過率進行測量，平均透過率達98.15%。通過光譜測試曲線的驗證，該寬帶增透膜基本滿足實際應用的需求，有效地減小了表面剩余反射。此外，通過機械強度及環境試驗，表明該薄膜可靠性高，能夠應用于復雜空間環境及其他可靠性要求較高的光學系統中。

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