双波段减反射薄膜的研究.doc

本科毕业设计论文

题目：可见和近红外双波段减反射膜的研究

院、 系： 北方信息工程学院
学科专业： 光电信息工程
学 生： 高建华
学 号： B06010704
指导教师： 潘永强（副教授）

2010年 6
可见光和近红外双波段减反射膜的研究
摘 要：本文以K9玻璃为基底对宽带双波段减反膜的设计与制备工艺进行了研究，详细说明了宽带双波段减反膜的膜料选择、膜系设计、采用离子束辅助沉积及采用极值法镀制该膜系的过程。应用Auto film软件设计出了在：0.43-0.9um范围内的宽带双波段反射膜的峰值透过率Tp≥95.4%，平均透过率Ta≥94.6%，在1.54um处的透过率不低于93.5%。
关键词：宽带双波段减反膜； 离子辅助镀沉积； 透过率； 膜厚控制；

Visible and near infrared dual-band anti-film
Abstract
In this paper, K9 glass substrate for broadband dual-band antireflective film design and production process were studied, The preparation of multilayer dual-band antireflection coatings were described by choose film material, film design, using ion-beam assisted deposition and using the method optical control to make the film coating . Auto film software application design in：the range is from 0.43~0.9um, peak transmission reach to 95.4%,the average transmittance reach to 94.6%. the range is in 1.54um , peak transmission not less than 93.5%.
Keywords: Broadband dual-band anti-film; ion-beam plating deposition;
transmittance; thickness control;

1 研究背景和意义
目前，国内军用光电仪器上一般采用波长1.064um激光测距机，因其激光脉冲能量较大，人眼对这一波长敏感故对操作者的眼睛安全有一定影响，易对人眼造成伤害，且1.064um波段的光在大气传输中穿透烟雾、灰尘的能力差，回波率较低，最大测程受天气能见度的影响很大。而1.54um波长的的激光对人眼的损伤阈值比1.064um波长的激光高20万倍，因此，1.54um波长的激光对人眼安全，大气传输性好，透过战场烟雾和灰尘的能力强，目标反差比大，军事保密性好，可用锗光二极管在室温下探测，不需要低温，从而适用于小型化和野外。由于其具有如此多的优势，因此用1.54um波长的激光测距机代替1.064um波长激光测距机是必然的发展趋势。
为了作战效能的需要，现代军用光电系统上，都装备了夜视仪(热像仪)、光电瞄准跟踪仪、激光测机等单元。在光谱分布上，它们包括0.43-0.9um及1.54um波段。特别对机载、车载光电仪器。本课题要研究的问题是，从膜层上保证人眼安全激光测距、可见光观瞄、微光夜视(或电视跟踪)等系统共用同一窗口(物镜)的全部，而不是部分共用。我们以前镀制的膜层光谱范围为0.43-1.lum，现在的问题是要研制一种膜层，保证0.43-0.9um及1.54um波段都是高增透。这一光学薄膜工艺技术问题的解决，可以使得集可见光、微光夜视(电视跟踪)及1.54um的人眼安全激光测距功能于一体，这些波段共窗口的集成光电仪器的研制成为可能。
2 膜系设计及优化
2.1 膜料选择
不同用途的光电仪器对光学薄膜的要求不同，所以要根据不同的需要选择不同的膜层材料。介质和半导体薄膜材料种类繁多，应用广泛，是镀膜的基本材料。一般来说，选择膜层材料应考虑以下几个方面的特性：即透明度、折射率、机械牢固性、化学稳定性及抗高能辐射等[1]。最终选择了三种膜料：Al2O3 、ZrO2、 MgF2。
2.2 膜系设计
目前广泛采用的三层减反膜堆是G|M2HL|A。更多层的减反膜堆大多是一次三层减反膜堆为雏形改良发展而得。它可以获得低而平坦的反射率曲线，而且各层膜的作用都比较明显，对减反膜的设计和制备有非常好的指导意义[2]。
本课题将以G|M2HL|A作为初始膜系，采用经典的ABA对称的结构替代原来的中间层（2H）层，设计出了G/M2H2M2H2M2HL/A膜系，其中H代表光学厚度为高折射率材料ZrO2，M代表光学厚度为中间折射率材料Al2O3，L代表光学厚度为低折射率材料MgF2，选用这三种不同的膜料（Al2O3 /ZrO2/ MgF2）同时将膜层厚度和折射率作为可调自变量，交由计算机自动设计出满足设计指标的膜系结构。

透射率/T

波长 /nm

图—2.1 G/M2H2M2H2M2HL/A 膜系结构图及光谱透射率曲线

3 薄膜镀制
实验是在ZZS500-2/G箱式光学镀膜机,它适用于镀制各种多层光学薄膜和电学膜。采用箱式结构，抽气系统后置，便于拆卸和维修。上安装了一台由西安工业大学研制的宽束冷阴极离子源来实现离子束辅助镀膜工艺的.薄膜厚度监控采用光电极值法,并通过过正控制减少薄膜厚度的随机误差,整个镀制过程中基底的温度控制在(150±5)℃,充气后的工作真空度不低于2×10-2Pa,离子源的工作参数为阳极电压为400 V、阴极电压为280 V、放电电流为50 mA,引出束流为15 mA.此外,还应该特别注意严格控制薄膜的沉积速率以及工作真空度,以确保膜层的折射率的稳定性[1]。
4 测试结果及分析
4.1镀制膜层结果测试
为了使所镀膜层的满足设计要求，主要的测试指标为膜层的光学指标，即膜系的透射率等。但为了保证薄膜的光学性能在正常使用中保持稳定，还必须对薄膜的化学稳定性、温度稳定性及机械强度进行检测。现将介绍本设计所测试膜层性能各项。
4.1.1 光学测试
薄膜测试的光学指标值的就是膜系透射率或反射率，下面两图为反应膜系透射率的曲线。

图（a）实测光谱透射率曲线图 图（b）测试数据绘制光谱透射率曲线图
波长/nm

图 5.2 2#镜片测试光谱透射率曲线图

图 5.2 2#镜片测试光谱透射率曲线图

两组测试结果几乎与膜系设计时所得到的图形相符合，对于2#镜片，在0.43-0.9um范围内单面镀膜后峰值透过率Tp≥95.4%，平均透过率Ta≥94.6%，在1.54um处的透过率不低于93.5%。满足了课题任务书的要求。
4.1.2 膜层牢固度测试
膜层的牢固度，该项指标是使用测试胶带进行测试的，实验结果为膜层牢固度1级，即特别牢固。
4.1.3 化学稳定性测试
化学稳定性，是指膜层受盐水、潮湿侵蚀或者其他化学物质作用时的稳定特性。它们对使用方法、寿命以及保存都有很大的影响。在本课题中，我们进行了盐水实验即：把样品浸在5%的食盐溶液中，盖好容器盖后，放进烘箱内，调温到401℃并保持12小时。然后取出零件，清洁表面并进行检查，膜层特性符合规定的技术要求。
6 结 论
本文采用Autofilm膜系设计软件，通过膜料的合理选择，设计了膜系G/M2H2M2H2M2HL/A，以K9玻璃为基底，采用离子束热蒸发技术，镀制减反射膜。在不影响膜层光学性能的情况下，尽可能地保证增透膜的机械性能，尤其是表面膜层的附着力。
通过实际镀制和测试给出了减反射膜的实测光谱曲线，并对以上两种不同的膜系所镀制的减反射膜的光谱特性进行了比较分析。最后，测试并比较了膜层的附着力及硬度等特性。
实验结果表明：
1运用Autofilm膜系设计软件得出的第一种膜系7层减反射膜在：0.43-0.9um范 围内单面设计、镀制的宽带双波段反射膜的峰值透过率Tp≥95.4%，平均 透过率Ta≥94.6%，在1.54um处的透过率不低于93.5%；满足了课题任务的要求。
2 在实验中产出的2#样片，通过分光光度计测试后得出，第一种膜系的峰值透过率和平均透射率为95.85%，94.93%。由于K9玻璃单面本身就有4%的反射率，因此，7层膜系的光学性能满足本课题设计要求。
3 最后测试7层减反射膜的机械性能，牢固度和化学稳定性均满足标准，其中膜层附着力均满足要求，但是在硬度测试中都有些许刮痕，但由于三种膜层都属于硬膜，所以产生此结果的原因应该属于实验中流程及工艺的缺陷。
本课题最终选择的镀制方案为采用规整膜层镀制，采取离子束辅助沉积工艺提高其机械性能，用极值法对膜厚进行监控，采用过正控制的技巧，使在镀此层膜时在极值过后没有立即关闭挡板而不会对整个膜系的透射率产生影响。因而此方案为最佳。

参考文献

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