基于ZF6基底的可见光宽谱带高性能增透膜

曲 锋，朱华新，刘桂林，李 帅，孙 强

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033;2.江南大学理学院，江苏无锡214122)

1 引言

20世纪30年代研发的增透膜促进了薄膜光学的早期发展。对于推动光学技术发展来说，增透膜在所有的光学薄膜中起着最为重要的作用［1-3］，直至今天，其生产总量仍然超过所有其他类型的薄膜。因此，研究增透膜的设计和制备技术，对于生产实践有着重要的意义［4-9］。

由于未镀膜的玻璃表面存在反射，损失了光能量，从而降低了像的亮度。另外，经过多次反射或漫射的表面反射光，极易形成杂散光，进而影响光学系统的成像质量。为此，有必要通过蒸镀增透膜来提高光学元件的光强透过率，减小其表面的剩余反射，提高成像系统中像的质量、平衡、作用距离及衬度等参数，从而提高整个系统的性能。由于绝大多数光学系统工作于可见光波段，可见光区宽带增透膜的设计一直是研究的热点［10-12］。

2 宽带减反膜理论

根据菲涅耳反射原理，光学玻璃表面对光具有一定的反射(折射率越变)作用，通常可根据菲涅耳公式求出其反射率。虽采用简单的单层低折射率膜层能降低玻璃界面处的反射率，提高透射，但反射率曲线一般呈现为V形，即只能在某一狭窄的波段内产生明显的增透效果，其他波段增透效果不明显，从而导致玻璃表面会产生颜色。为在较宽波段内产生减反的效果，通常采用多层膜结构来实现，本文采用多层膜系理论进行理论设计。

对于多层膜，由光学薄膜理论可知，其特征矩阵为:

式中:δi表示膜层的位相厚度:

式中:θi为第i层膜的折射角;ηi为第i层膜的有效光学导纳，di是第i层膜的厚度。

多层膜的导纳为:

由于入射介质为空气，因此入射介质的导纳为η0。为使表面反射为零，理论上必须要使多层膜的导纳在参考波长范围内达到或接近η0，这样根据菲涅耳公式，表面反射才能达到零。

3 ZF6基底光学特性

设计ZF6基底上的宽带增透膜，首先要得到ZF6基底的折射率。先将一块Φ25×3(mm)的ZF6平板测试片放入光谱仪中测试其透过率，得到透过率曲线如图1所示，在可见光区范围内其透过率约为85%。由光学薄膜理论中的非相干叠加计算可知，单面的表面剩余反射约为8%，因此，在未镀膜的情况下，随着反射面的增加，光学系统的成像质量受到严重影响，所以，镀制增透膜是相当必要的。

图1 ZF6基底的透过率曲线Fig.1 Transmittance curve of ZF6 substrate

图2 ZF6基底的色散曲线Fig.2 Dispersion curve of ZF6 substrate

根据实测ZF6基底的透过率曲线，可以由菲涅耳公式计算出其色散曲线，如图2所示。从图中看出，在整个可见光区范围内的折射率随波长增加而减小，换言之ZF6玻璃为正常色散，折射率约为1.77，这也与实际查得光学手册的折射率一致。基底光学常数的测定是整个膜系设计的前提。

4 膜料的选择

本实验要求膜料满足较高的机械牢固度和化学稳定性，在可见光波段内透明，具有较小的吸收、散射特性等。同时，还要考虑到膜层之间以及膜层与基底材料之间的应力匹配问题，避免应力集中，导致膜层龟裂，且要保证膜层之间及膜层与基底之间结合的牢固度［3］。

最常用的几种可见光区光学薄膜材料主要以氧化物为主［2，4-5］。二氧化钛(TiO2)薄膜的折射率较高，其透明区为0.35～12 μm，在整个可见光波段和红外光谱区都是透明的，膜层呈压应力，且牢固稳;不过TiO2在电子枪加热蒸发过程中极易分解，生成低价氧化物，使薄膜的吸收增大，但在高温充氧条件下可有效减少吸收，因此，选择TiO2作为高折射率材料。SiO2是分解很少的低折射率氧化物材料，透明区波段为0.18～12 μm，膜层呈现压应力;其分子形式可以充实其它材料造成的表面缺陷，改善多层膜表面的微观形态;同时它的光吸收很小，牢固性好，且抗磨耐腐蚀，可起到保护作用［2-3］，故这里选用SiO2作为折射率材料。选择TiO2、SiO2作为高、低折射率材料后，它们相互组合呈现应力匹配良好、散射损耗低等优点［8］。

采用单因素变量法考察了称样量对测定的影响。分别选用称样量为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0g进行试验，结果见表3。由表3可见：当称样量不大于1.0g时，测定结果的相对标准偏差(RSD)较大，这可能是因为称样量太小，样品代表性较差；当称样量大于1.0g时，测量结果的RSD较小。考虑到称样量大于3.0g时，消耗的硝酸-酒石酸混酸和滴定液体积会相应增多，最终实验选择称样量为2.0g。

5 膜系设计

以 ZF6 作为基底，设计在 0.4 ～0.8 μm 波段的宽带增透膜。对增透膜来说，膜系设计的基本原则就是在给定基底材料的前提下，以尽可能少的层数，实现尽可能高的透过率。在薄膜材料给定即折射率给定的前提下，通常把薄膜的厚度和薄膜的层数作为设计参数。结合实际的制备方法和工艺，设计过程主要考虑以下几点原因:(1)为减少累积误差，采用较少的层数。(2)单层膜厚度应保持均匀，过厚则可能因应力过大产生膜层龟裂、脱膜等;过薄则使得膜层不易监控，增加误差。(3)采用常规结构作为膜系初始结构［3］，以保证膜层在工艺制作过程中的稳定性、可操作性和重复性。设计膜系采用经典［3］的 Sub|aH bL 2H L|Air初始结构，H、L分别代表参考波长1/4光学厚度，参考波长为550 nm。其中2H层对于参考波长来说是虚设层，起平滑膜系反射特性的作用，图3为此初始结构透过率曲线。

图3 初始结构透过率曲线Fig.3 Transmittance curve of origin structure

根据图3可得，在可见光波段内，该初始结构的平均透过率约为99.04%，相比未镀膜面提高了14.04%，且最大透过率达到99.99%，但在长波处的透过率略显偏低，800 nm处的透过率仅为97.00%，这是初始结构的带宽不够，无法满足宽带增透的要求造成的，所以，要优化其结构，图4是在膜层数量仍为4层优化后(调整膜层厚度)的透过率曲线。

由图4可看出，在整个带宽范围内，曲线较为平缓且反射率低，增透带宽展宽也较为明显，完全满足设计要求。在设计要求波段范围内，平均透过率达到99.37%，最大透过率为99.94%。由于膜层的数量被固定为4层，透过率已经无法再进一步优化，使得透过率在长波处仍稍偏低，800 nm处的透过率仅为98.24%，但相比优化前有大幅度的提高。

图4 优化后的透过率曲线Fig.4 Transmittance curve of optimized structure

通过对优化后的膜系进行允差分析来适应薄膜制备工艺中的厚度监控误差。当带入2%的随机相对厚度误差时，其透过率变化由图5所示。

图5 厚度误差引入后的透过率曲线Fig.5 Transmittance curves of thickness error

从图中可见，图5共引入了5种随机厚度相对误差，由于参考波长设定为550 nm，2H的虚设层在参考波长两端一定范围内可以起到缓冲作用，使得在带宽的两端透过率均有下降。短波处的下降是因为厚度误差对短波波长有较大的影响，长波处的下降是因其初始结构透过率就偏低，膜系在该波段处也没有匹配至最佳，同样厚度误差也会引起透过率的下降。

总体来说，厚度误差的影响在设计要求可接受的范围内，即此膜系的厚度允差度良好，而此厚度误差对于INFICON的SQC310石英晶体膜厚监控仪来说也是合理的。

6 工艺实现

镀制工艺条件(沉积速率、真空度、基板温度等)对薄膜材料的光学特性的影响很大，因此要想制作出理想的膜层，必须要有适当的工艺参数。

实验中将ZF6基片悬浮固定在拱型夹具盘后开始抽真空，当真空室的真空度达到4×10-3Pa时，打开加热灯丝将基片加温至150℃，并恒温2 h，然后打开电子枪，交替蒸发TiO2和SiO2这两种材料，使用美国 INFICON公司的SQC310型石英晶体控制仪控制沉积速率和沉积厚度，为了保证膜层有较好的均匀性与牢固度，TiO2的沉积速率为 0.3 nm/s，SiO2的沉积速率为0.25 nm/s，并在样品的两侧均镀制了增透膜。

基片透过率测试采用Edinburgh公司生产的光谱仪，测试波长为0.4 ～0.8 μm，测试曲线如图6所示。

图6 测量的透过率曲线Fig.6 Measured transmittance curve

由测试结果得出，测得的实际制作样品的透过率与设计相比波长略有漂移，根据图5的厚度允差分析，测试结果在膜层厚度允差范围内，其光谱曲线理论设计基本相符。

从实测曲线看出，0.4 ～0.8 μm 之间的最小透过率为82.95%(在400 nm处)，平均透过率约为98.15%，与未镀膜的ZF6基底透过率相比，提高了13.15%，基本满足宽带增透的设计要求。

由于上述透过率为双面镀制增透的透过率，单面的剩余反射率可粗略认为是双面镀制增透剩余反射的一半，也就是单面平均表面反射率为0.925%，与未镀膜面相比其透过率提高了7%，与理论值相比仅有1.25%的相对误差。

对样品进行了附着力等测试，将样品浸入沸水中2 h后，膜层无脱落、起皱、龟裂现象。在高温高湿环境(温度为50℃，相对湿度为95% ～100%)下放置48 h，膜层外观未有明显变化，对样品进行了高低温冲击，相对湿度为50%，低温为-20℃，高温为70℃，循环时间为2 min，共循环30次，取出样品，未出现膜层龟裂、脱落等现象。

7 结论

采用电子束蒸发物理气相沉积方法制备了以ZF6 为基底、增透波长为 0.4 ～0.8 μm 的宽谱带可见光区增透膜。利用Edinburgh光谱仪对双面镀制该膜系样品的透过率进行测量，平均透过率达98.15%。通过光谱测试曲线的验证，该宽带增透膜基本满足实际应用的需求，有效地减小了表面剩余反射。此外，通过机械强度及环境试验，表明该薄膜可靠性高，能够应用于复杂空间环境及其他可靠性要求较高的光学系统中。

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