红外双波段激光滤光膜的研制

宫大为，付秀华，耿似玉，杨道奇

（1.长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022；2.新美亚科技（深圳）有限公司，广东深圳518038）

红外双波段激光滤光膜的研制

宫大为1，付秀华1，耿似玉2，杨道奇1

（1.长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022；2.新美亚科技（深圳）有限公司，广东深圳518038）

为了满足红外军用仪器的特殊要求，根据薄膜理论进行了红外双波段滤光膜的膜系设计；采用电子束真空镀膜的方法，通过对工艺参数的调整，在多光谱ZnS基底上镀制了1 064 nm高反、3～5 μm高透的红外双波段滤光膜。利用低能离子轰击，使膜层与基底间的应力明显减小；使用BGS 6341薄膜应力测试仪，采用渐变梯度法，测得其压应力由122 MPa降到51 MPa。另外，通过低能离子轰击和真空退火处理，提高了膜层的抗损伤阈值。结果显示所镀膜层满足红外军用仪器的使用要求。

光学薄膜；激光滤光膜；离子轰击；真空退火

1 引 言

现代军事空间技术的迅速发展，使得红外光学仪器的应用越来越广泛，如红外成像传感器、红外激光器等。3～5 μm波段是重要的大气窗口，也是红外探测器的主要工作区域，该波段激光对战场、烟尘等恶劣环境穿透能力较强，因而红外光学薄膜对控制红外探测器的性能非常重要。红外光学薄膜的透过率和抗激光损伤阈值是系统设计的重要指标，因此，改进薄膜制备工艺，提高3～5 μm波段透过率和抗激光损伤阈值是目前亟待解决的关键问题。本文从膜系设计，镀膜材料的选取，沉积工艺和薄膜检测等方面对军用光学仪器所需的红外双波段滤光膜进行了深入研究［1］。

2 膜系设计

2.1 材料选取

ZnS晶体未镀膜时，单面反射率约为15％，透明区为0.38～14 μm，具有良好的机械、光学性能且吸收小，目前，已广泛应用于红外与激光系统中。本文根据光谱参数要求，选择多光谱ZnS作为基底材料。

选择薄膜材料时，要求其在两个波段内透明、具有较小的吸收和散射特性以及较高的机械牢固度等。常用的高折射率材料有Si，Ge和ZnS。Si在3～5 μm波段范围内具有透光性能好，吸收小，粘附性好，折射率高等优点，所以最终选择Si作为高折射率薄膜材料［2～4］。

由于低折射率材料YbF3具有化学性质稳定、光学性能好、抗激光损伤阈值高等优点，同时Si和YbF3有良好的匹配，所以选择YbF3作为低折射率薄膜材料。

2.2 膜系设计

在设计膜系时，需要对基片的两个面镀制薄膜。膜层材料如表1所示。

表1 双侧膜层材料Tab.1 Bilateral film materials

图1 950～5 500 nm理论光谱透过率曲线Fig.1 Theorical design curve for transmittance in 950～5 500 nm

图2 3～5 μm理论光谱透射率曲线Fig.2 Theorical design curve for transmittance in 3～5 μm

综合考虑薄膜设备条件、工艺参数以及膜层厚度监控等因素的影响，忽略背面的影响［5］。初始膜系为：Sub|（0.5HL0.5H）ˆ7|Air。其中H代表高折射率材料Si，L代表低折射率材料YbF3，Sub表示基底，Air表示空气。采用 TFC和 Michael-Yu膜系设计软件对膜层厚度和透过率等因素进行优化，优化后的膜系在950～5 500 nm的理论光谱透过率曲线如图1所示。

对于背面增透膜系的设计，应用双有效界面法并结合膜系设计软件，采用ZnS和YbF3作为镀膜材料，设计膜系为Sub|LAL|Air，其中A，L分别代表ZnS，YbF3，其3～5 μm的理论光谱透射率曲线如图2所示。

3 薄膜制备

采用国产南光TXX-Ⅱ型镀膜机制备薄膜，该设备采用电子束真空镀膜方法，配备考夫曼离子源进行离子辅助沉积，使用IC/5型石英晶控仪控制膜层的物理厚度和材料的沉积速率。

放置Si材料的石墨坩埚经常炸裂，经过多次实验发现，Si的特性受温度的影响很大，石墨坩埚会在一定高温下绝热，冷却时由于Si受热不均匀而膨胀，撑裂坩埚。因此在每层Si镀制完毕后，采用手动预熔的方式逐渐降低束流，防止由于冷却不均匀造成材料表面突起或撑裂坩埚。

实验分析认为，YbF3经常喷溅是由于YbF3材料特性决定的。因此，在镀制过程中要用较低的束流进行充分预熔，加大电子枪的扫描范围使光斑变大，且均匀扫描整个坩埚，以免束流过大或者材料局部温度过高造成材料喷溅。

对于增透膜，设计的膜系结构第一层是YbF3，为了提高膜与基底的黏附性，采用了预镀层技术，先在基底 ZnS上沉积30～40 nm厚的ZnS，再依次按照设计的膜系进行镀制。在镀制过程中采用考夫曼离子源辅助沉积，合理控制ZnS和YbF3的离子能量，提高沉积薄膜的聚集密度，增加膜层的附着力，改善膜层的光学和机械性能。由于ZnS的蒸发速率很快，所以在镀制过程中需注意控制关闭挡板的时间，从而减少膜厚控制误差。

通过实验发现，离子源能量对膜层压力和激光损伤阈值均有影响。在镀膜前用考夫曼离子源轰击基片表面，其作用是清洁基片使基片表面活化，改善膜基过渡层的结构和性质，提高沉积薄膜的聚集密度。离子源的具体参数如表2所示。

表2 考夫曼离子源的具体参数Tab.2 Concrete parameters of Kaufmann ion source

4 测试与分析

4.1 光谱测试与分析

采用日本岛津UV-3150型分光光度计测试膜层的近红外区光谱特性，光谱曲线如图3所示。

由图3可以看出，曲线在1 064 nm处透过率为1.85％，而在970 nm处透过率为1.14％。利用膜系设计软件模拟，由于Si膜的整体厚度偏少，镀膜过程中膜厚控制误差积累造成曲线向短波漂移。通过修改Si膜的监控厚度，采用光控和晶控同时监控，制备的实验样件光谱曲线如图4所示。

图3 ZnS基底双面镀膜实测透射率曲线Fig.3 Measured transmittance curve of both surfaces coated on ZnS substrate

图4 ZnS基底双面镀膜实测修正透射率曲线Fig.4 Measured transmittance corrected curve of both surfaces coated on ZnS substrate

采用FTIR-8400S型傅里叶红外光谱仪对膜层的中红外区光谱特性进行测试，2.5～7.0 μm内的光谱透射曲线如图5所示。

图5 2.5～70 μm波段实测透射率曲线Fig.5 Measured transmittance curve of both surfaces coated on ZnS substrate in 2.5～7.0 μm

由图5可以看出，曲线在2.75～3.25 μm存在一个吸收峰，该吸收峰是由于YbF3材料在该波段存在较小的吸收导致的。中红外波段3～5 μm的平均透射率为93.2％，满足设计要求。

4.2 应力测试与分析

镀膜时通过采用离子辅助沉积，可改变Si的致密性，从而改变其热膨胀系数，尤其是与基底相接触界面处Si的晶格结构，最终达到减小应力的效果。采用BGS 6341型薄膜应力测试仪研究离子轰击前后Si膜应力随时间的变化规律，如图6所示，其中1为正常情况应力随时间的变化曲线；2为低能离子轰击后应力随时间的变化曲线。

图6 离子轰击前后Si膜应力对比图Fig.6 Comparison of stress states of Si film before and after ion bombardments

采用普通方法制备的薄膜，压应力随时间的增长而减小，最后趋于一常数，这是由于界面处的原子活性随时间而发生变化。初始时，界面处积累了镀膜过程中的部分能量，处于亚稳态，当环境发生变化，即由真空状态到自然状态时，初始阶段会存在较大的能量释放，从而改变界面处原子的分布状态，使膜层原子间距趋向于基底的晶格大小，使得压应力迅速减小。但是随着能量的释放，界面处再一次形成一种新的结构，即随着时间的增长，压应力逐渐趋于定值。

采用渐变梯度法，利用低能离子轰击制备的薄膜，压应力随时间的增长而增大，最终趋于常数，这是由于初始时，界面两侧原子间距匹配较好，当离开真空环境，在垂直方向上，原子间距的改变会使界面处膜层原子间距偏离平衡位置，从而增大应力。界面分布状态发生变化，应力随时间最终趋于定值。综上所述，采用渐变梯度法，利用低能离子轰击，压应力由 122 MPa降到51 MPa，减小了膜层与基底间的应力。

4.3 激光损伤阈值的测试与分析

图7为采用低能离子轰击基底前后薄膜激光损伤阈值的变化；图8为真空退火前后薄膜激光损伤阈值的变化。

图7 低能离子轰击基底前后激光损伤阈值示意图Fig.7 Laser damage thresholds of substrate before and after low energy ion bombardments

图8 真空退火处理前后激光损伤阈值示意图Fig.8 Laser damage thresholds of substrate before and after vacuum annealings

由图7可以看出，在整个膜系制备之前，通过对基底进行10 min的离子轰击，可使膜层的激光损伤阈值从7.8 J/cm2提高到9.36 J/cm2。这是由于基底经过离子轰击后，一方面可以去除基底表面的灰尘、污物，增加基底表面的洁净度和膜基结合力，减少散射损耗和吸收，降低膜内热量的生成；另一方面可去除表层原子，减少表面缺陷，从而提高损伤阈值。

从图8可以看出，将镀膜后的样品直接在镀膜室中进行真空退火处理，在温度为150℃，真空度为1.0×10-2Pa的条件下，保温2.5 h，样品的激光损伤阈值从7.8 J/cm2提高到10.7 J/cm2，提高了37.1％。这是由于经过退火后膜层各个界面的扩散效果较好，平整度得到提高，因此可以提高膜层的激光损伤阈值。

5 结 论

本文设计并镀制了1 064 nm高反、3～5 μm高透的红外双波段滤光膜，选择Si和YbF3为高低折射率材料，并对样品前、中、后期分别进行了相关的处理，最后对制备的样品进行测试。通过离子辅助沉积，减小了膜层与基底间应力分布；采用低能轰击与退火，提高了激光抗损伤阈值。虽然制备的滤光膜满足使用要求，但是还达不到理论设计的要求，所以提高中远红外波长3～5 μm处的平均透射率，解决2.75～3.25 μm处的吸收峰，是今后研究和改进的方向。

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Design and manufacture of infrared double waveband laser filter films

GONG Da-wei1，FU Xiu-hua1，GENG Si-yu2，YANG Dao-qi1

（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；2.Sanmina-SCI Optical Technology（Shenzhen）Co.，Ltd.，Shenzhen 518038，China）

In order to meet the special requirements of infrared military equipment，an infrared double waveband filter film system was designed according to the theory of thin film and an infrared dual-band filter membrane with a high reflection at 1 064 nm and a high antireflection in 3～5 μm was produced on a multi-spectral ZnS substrate by adjusting process parameters and using electron beam vacuum deposition.With ion bombardment of low energy and vacuum annealing，the anti-damage threshold of thin film was improved.Furthermore，the stress between the film layer and the substrate was reduced to 51 MPa from 122 MPa measured by the BGS 6341 stress tester with gradient method.This film meets the requirements of infrared military equipment.

optical thin film；laser filter membrane；ion bombardment；vacuum annealing

2011-02-21；

2011-04-23

O484.1

A

1674-2915（2011）03-0293-06

宫大为（1985— ），男，吉林四平人，硕士研究生，主要从事光学薄膜技术方面的研究。

E-mail：gongkenannan@sina.com

付秀华（1963—），女，山东滨州人，教授，主要从事光学薄膜技术及半导体激光器制造工艺方面的研究。

E-mail：goptics@126.com