适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜及其制备方法
阅读说明：本技术 适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜及其制备方法 (High-optical-performance strong-environmental-adaptability anti-reflection film applicable to 3.7-4.8 mu m wave band and preparation method thereof ) 是由 张友良 李刚 董力 谢启明 吴栋才 彭浪 孙晨 陈晓东 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及红外镀膜技术领域,尤其涉及适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜及其制备方法,包括从下至上的基底层、空气层,和设置于基底层、空气层之间的膜层结构基底层的材料为Ge、Si、ZnS、ZnSe中的一种；膜层结构为多层膜层,从下至上为依次连接的Ge层、ZnS层、Ge层、ZnS层、YbF_3层、MgF_2层、Al_2O_3层、SiO_2层、防水层。可实现同时提升3.7-4.8μm波段红外减反膜的光学性能和膜层环境适应性能,满足新型光学仪器在严苛环境条件下的使用要求。(The invention relates to the technical field of infrared coating, in particular to a high-optical-performance strong-environmental-adaptability antireflection film suitable for a wave band of 3.7-4.8 mu m and a preparation method thereof, wherein the antireflection film comprises a substrate layer, an air layer and a film layer, wherein the substrate layer, the air layer and the film layer are arranged on the substrate layer from bottom to topThe film layer structure substrate layer between the bottom layer and the air layer is made of one of Ge, Si, ZnS and ZnSe; the film layer structure is a multi-layer film layer, and the Ge layer, the ZnS layer, the Ge layer, the ZnS layer and the YbF are sequentially connected from bottom to top 3 Layer, MgF 2 Layer of Al 2 O 3 Layer, SiO 2 Layer, waterproof layer. The optical performance and the film layer environmental adaptability of the infrared antireflection film with the wave band of 3.7-4.8 mu m can be simultaneously improved, and the use requirement of a novel optical instrument under a severe environment condition is met.)
技术领域
本发明涉及红外镀膜技术领域，尤其涉及适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜及其制备方法。
背景技术
红外光学系统中，绝大多数红外光学元件都必须镀制减反膜来降低表面反射损失，并通过镀膜提高光学元件在恶劣环境中的使用寿命，保持系统光机性能的稳定。随着现代光学仪器设备的发展，对红外减反膜的要求越来越高，既要求降低膜层剩余反射，又要求膜层能够承受较为严酷的环境条件，特别是对减反膜的耐磨性提出了较高要求。现有3.7-4.8μm波段减反膜，膜层结构为：基底层︱Ge ZnS Ge ZnS YbF3 ZnS︱空气，其在3.7-4.8μm波段平均透过率98.0％，平均反射率0.6％，且不能承受GJB2485-1995标准中的中度摩擦考验，无法很好地满足新型光学仪器的使用要求，限制了高质量红外光学元件的发展。
发明内容
本发明的目的是提供适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜及其制备方法，为解决现有技术中，3.7-4.8μm波段减反膜光学性能不佳，环境适应性不强，无法很好地满足新型光学仪器的使用要求的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜，包括从下至上的基底层、空气层，和设置于基底层、空气层之间的膜层结构；所述基底层的材料为Ge、Si、ZnS、ZnSe中的一种；所述膜层结构为多层膜层，从下至上为依次连接的Ge层、ZnS层、Ge层、ZnS层、YbF3层、MgF2层、Al2O3层、SiO2层、防水层。所述膜层结构，既满足高、低折射率材料交替的薄膜结构，又实现了3.7-4.8μm特定波段透过率的提升，而且采用MgF2层、Al2O3层、SiO2层、防水层的结构，保证了膜层抗盐溶液浸泡和抗摩擦的能力。其中MgF2层的作用是作为ZnS层和Al2O3层之间的连接层，Al2O3层的作用是增强膜层表面的机械强度，SiO2层的作用是作为Al2O3层和防水层之间的连接层，防水层的作用是保护膜层不受盐溶液等腐蚀性液体侵蚀。
所述膜层结构的每层膜层厚度根据基底层的材料调节。
所述基底层为Ge材料时，膜层结构每层膜层厚度依次为：Ge层为31.53nm、ZnS层为183.15nm、Ge层为59.89nm、ZnS层为94.17nm、YbF3层为545.00nm、MgF2层为50.00nm、Al2O3层为90.00nm、SiO2层为20.00nm、防水层为10nm。
所述基底层为Si材料时，膜层结构每层膜层厚度依次为：Ge层为98.12nm、ZnS层为207.68nm、Ge层为54.01nm、ZnS层为168.58nm、YbF3层为505.00nm、MgF2层为50.00nm、Al2O3层为90.00nm、SiO2层为20nm、防水层为10nm。
所述基底层为ZnS材料时，膜层结构每层膜层厚度依次为：Ge层为31.32nm、ZnS层为321.34nm、Ge层为30.79nm、ZnS层为352.48nm、YbF3层为468.00nm、MgF2层为50.00nm、Al2O3层为90.00nm、SiO2层为20nm、防水层为10nm。
所述基底层为ZnSe材料时，膜层结构每层膜层厚度依次为：Ge层为37.55nm、ZnS层为300.97nm、Ge层为363.22nm、ZnS层为498.00nm、YbF3层为498.00nm、MgF2层为50.00nm、Al2O3层为90.00nm、SiO2层为20nm、防水层为10nm。
适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜的制作方法，包括如下步骤：
步骤S1，在基底层表面镀制膜层结构，依次镀制Ge层、ZnS层、Ge层、ZnS层、YbF3层、MgF2层、Al2O3层、SiO2层；其中两个Ge层、MgF2层、Al2O3层、SiO2层采用电子束加热蒸发方式镀制，电子束加热的蒸发速率控制在0.4-0.6nm/s；两个ZnS层、YbF3层采用电阻加热蒸发方式镀制，电阻加热的蒸发速率控制在1-2nm/s；且在基底层表面镀制膜层结构同时采用考夫曼离子源辅助沉积方式；
步骤S2，采用电阻加热蒸发方式，在膜层结构的SiO2层表面镀制防水层，且不使用考夫曼离子源辅助沉积。
进一步，步骤S1中，镀制温度控制在130～150℃。
进一步，步骤S1中，考夫曼离子源辅助沉积方式中的控制参数为：充入气体为氩气，气体流量8～15sccm，阳极电压45～55V，阴极电压8～10V，阴极电流保持在10～15A，束流100mA，屏极电压300～400V，偏置电流100～120mA。
进一步，步骤S2中，镀制温度控制在25～35℃。
本发明中的适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜及其制备方法，与现有技术相比，其有益效果为：
本发明中的适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜及其制备方法，在Ge层、ZnS层、Ge层、ZnS层四层膜堆基础上，设计了由MgF2层、Al2O3层、SiO2层、防水层组成的强化膜堆，不仅实现了减反膜在3.7-4.8μm波段透过率≥99％，反射率≤0.3％，而且增强了减反膜的环境适应性，使得膜层相对于原有减反膜，具有较高的抗盐溶液腐蚀和抗摩擦的能力。具体为：膜层可在质量比为5±1％，PH值在6.5～7.2之间的NaCl溶液中，浸泡1年，膜层无损伤，原有减反膜经过盐溶液浸泡24小时即会出现腐蚀点；将清洁干燥的脱脂棉纱布叠为6层包裹在橡皮上，在膜层表面进行4.9N来回100次(50个来回)摩擦试验，膜层无划痕，原有减反膜经过摩擦后会出现划痕。在实际应用中，可以有效提高光学仪器的成像质量和设备在严酷环境下的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜的断面图；
图2是本发明实例2制备所得高光学性能强环境适应性减反膜的透过率光谱曲线图；
图3是本发明实例2制备所得高光学性能强环境适应性减反膜的反射率光谱曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明的适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜，所述减反膜包括基底层和空气层在内的膜层数目为11层，基底层可以是Ge、Si、ZnS或ZnSe材料中的一种，膜层结构为从下至上依次连接的Ge层、ZnS层、Ge层、ZnS层、YbF3层、MgF2层、Al2O3层、SiO2层、防水层。
在基底层表面依次镀制Ge层、ZnS层、Ge层、ZnS层、YbF3层、MgF2层、Al2O3层和SiO2层的过程中，镀制温度控制在130℃，同时采用考夫曼离子源辅助沉积，充入气体为氩气，气体流量12sccm，阳极电压50V，阴极电压10V，阴极电流保持在15A，束流100mA，屏极电压300V，偏置电流120mA；再在27℃，无离子源辅助条件下，镀制10nm防水层；得到本发明的所述适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜。
对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行透过率测量，测得减反膜的平均透过率为99.11％。
对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行反射率测量，测得减反膜的平均反射率为0.3％。
将该零件放入质量比为5％，PH值7.1的NaCl溶液中，浸泡30天，膜层表面无腐蚀现象。使用包裹了6层脱脂棉纱布橡皮，在膜层表面进行4.9N来回100次(50个来回)摩擦试验，膜层无划痕。
实施例2
选用Φ35mm×2mm的平面Ge材料零件，在波段为3.7-4.8μm的范围内对基底一个表面的表层镀制膜层结构，在135℃下，依次镀制31.53nm Ge、183.15nmZnS、59.89nm Ge、94.17nm ZnS、545.00nm YbF3、50.00nm MgF2、90.00nm Al2O3、20.00nm SiO2，且同时采用考夫曼离子源辅助沉积方式，充入氩气气体流量9sccm，阳极电压50V，阴极电压10V，阴极电流保持在15A，束流100mA，屏极电压310V，偏置电流120mA；再在26℃，无离子源辅助条件下，镀制10nm防水层；得到本发明的所述适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜。
如图2所示，对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行透过率测量，测得减反膜的平均透过率为99.15％。
如图3所示，对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行反射率测量，测得减反膜的平均反射率为0.29％。
将该零件放入质量比为5％，PH值7.1的NaCl溶液中，浸泡1年，膜层表面无腐蚀现象。使用包裹了6层脱脂棉纱布橡皮，在膜层表面进行4.9N来回100次(50个来回)摩擦试验，膜层无划痕。
实施例3
选用Φ25.4mm×3mm的平面ZnSe材料零件，在波段为3.7-4.8μm的范围内对基底一个表面的表层镀制膜层结构，在140℃下，依次镀制37.55nm Ge、300.97nm ZnS、31.31nmGe、363.22nm ZnS、498.00nm YbF3、50.00nm MgF2、90.00nm Al2O3、20.00nm SiO2，同时采用考夫曼离子源辅助沉积方式，充入氩气气体流量15sccm，阳极电压50V，阴极电压10V，阴极电流保持在15A，束流100mA，屏极电压300V，偏置电流100mA；再在25℃，无离子源辅助条件下，镀制10nm防水层；得到本发明的所述适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜。
对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行透过率测量，测得减反膜的平均透过率为99.10％。
对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行反射率测量，测得减反膜的平均反射率为0.3％。
将该零件放入质量比为5％，PH值7.1的NaCl溶液中，浸泡30天，膜层表面无腐蚀现象。使用包裹了6层脱脂棉纱布橡皮，在膜层表面进行4.9N来回100次(50个来回)摩擦试验，膜层无划痕。
实施例4
选用Φ100mm×5mm的平面Si材料零件，在波段为3.7-4.8μm的范围内对基底一个表面的表层镀制膜层结构，在135℃下，依次镀制98.12nm Ge、207.68nmZnS、54.01nm Ge、168.58nm ZnS、505.00nm YbF3、50.00nm MgF2、90.00nm Al2O3、20nm SiO2，同时采用考夫曼离子源辅助沉积方式，充入氩气气体流量14sccm，阳极电压55V，阴极电压10V，阴极电流保持在15A，束流100mA，屏极电压350V，偏置电流120mA；再在30℃，无离子源辅助条件下，镀制10nm防水层，得到本发明的所述适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜。
对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行透过率测量，测得减反膜的平均透过率为99.23％。
对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行反射率测量，测得减反膜的平均反射率为0.27％。
将该零件放入质量比为5％，PH值7.1的NaCl溶液中，浸泡180天，膜层表面无腐蚀现象。使用包裹了6层脱脂棉纱布橡皮，在膜层表面进行4.9N来回100次(50个来回)摩擦试验，膜层无划痕。
实施例5
选用Φ50mm的ZnS材料透镜，在波段为3.7-4.8μm的范围内对基底一个表面的表层镀制膜层结构，在135℃下，依次镀制31.32nm Ge、321.34nm ZnS、30.79nm Ge、352.48nmZnS、468.00nm YbF3、50.00nm MgF2、90.00nm Al2O3、20.00nm SiO2，同时采用考夫曼离子源辅助沉积方式，充入氩气气体流量12sccm，阳极电压47V，阴极电压10V，阴极电流保持在12A，束流100mA，屏极电压370V，偏置电流120mA，再在35℃，无离子源辅助条件下，镀制10nm防水层，得到本发明的所述适用3.7-4.8μm波段的高光学性能强环境适应性减反膜。
对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行透过率测量，测得减反膜的平均透过率为99.09％。
对所述高光学性能强环境适应性减反膜进行反射率测量，测得减反膜的平均反射率为0.29％。
将该零件放入质量比为5％，PH值7.1的NaCl溶液中，浸泡180天，膜层表面无腐蚀现象。使用包裹了6层脱脂棉纱布橡皮，在膜层表面进行4.9N来回100次(50个来回)摩擦试验，膜层无划痕。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。