10.6μm激光分束镜的研制

刘凤娥，付秀华，潘永刚，张静，王晓娟，陈博临

（1.中国兵器工业标准化研究所，北京 100089；2.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

近年来，大功率CO2激光器越来越被广泛应用于医学、激光加工等领域，是由于CO2激光器波长10.6μm正处于大气衰减小、透过率高的波段，即红外光透过大气层的窗口。同时，该波长属于红外波，具有照到人眼时，大部分能量会被角膜吸收，对视网膜造成的损伤较小等优点［1］。使用大功率CO2激光器，能提高抗拒恶劣大气环境影响的能力，这就对激光分束镜的各项性能提出更高的要求。分光膜的质量直接决定分束镜的品质，因此对光学薄膜的质量要求严格。国内外对CO2激光器上的高能激光分束镜有一定的研究与报道，但是侧重点各不相同［2-4］。

本文主要从材料选择出发，通过对ZnS和Ge的研究，分别对严重影响膜层质量的参数进行了优化。解决了在选材一定的情况下，如何确定合理的工艺参数，来降低工艺对膜层质量的影响。

1 材料选取与工艺参数确定

1.1 材料选取

由于激光分束镜薄膜的应用环境不同，对薄膜材料的要求也不同。薄膜材料一般要求具备的特征如表1所示［5］。

根据表1要求，在常用红外薄膜材料中选择ZnS作为低折射率材料。因为ZnS透明区0.4～14μm、抗潮性优、呈现压应力。众所周知，红外薄膜厚度一般比紫外、可见薄膜厚，需要考虑材料与基底之间牢固度是否良好，实际制备的基底材料为ZnS，若在ZnS基底上预镀一层ZnS材料作为连接层，可提高材料与基底之间的结合力。

表1 薄膜材料一般要求具备的特征

红外波段常与ZnS结合的高折射率材料有Si和Ge，然而Si的透明区在1～9μm，不适合实验要求，故选择Ge作为高折射率材料。此外，Ge呈现张应力，有利于与ZnS的压应力相匹配，同时其抗潮性良好。

1.2 工艺参数确定

1.2.1 ZnS工艺参数的确定

通过多次实验发现：基底温度和离子源的使用对ZnS的影响较大。

（1）温度实验。基底温度严重影响ZnS材料与基底之间的结合力，温度实验数据如表2所示。

表2 温度实验数据

实验后，用符合GB/T2407-1992的优等胶黏带分别紧贴在5组样品表面，然后迅速从边缘拉开，检验膜层与基底的结合情况，实验结果见表2。从表2可以看出，膜层与基底的结合力先随温度的升高而变好，温度继续升高时结合力又开始变差。这是因为开始时随着基底温度升高，降低了薄膜沉积粒子凝聚系数，有利于提高入射离子的表面迁移率，使得膜层致密，从而提高了膜层与基底的结合力［6］；温度继续升高时，基底材料内部应力不均匀导致龟裂远大于提高入射粒子的表面迁移率的影响，故而膜层基底的结合力开始下降。

5组样品暴露在潮湿空气中，一天后发现膜层表面产生白色的霜，是由于刚制备的ZnS非常软，放置在潮湿空气中潮解造成的。通过多次试验发现，如果将制备好的ZnS薄膜放置在镀膜机中第二天后取出，保证其温度自然冷却而不是刚镀制完后立刻进行检测，这样将样品放在潮湿空气中，一周后表面没有明显变化。

将实验样品放在200℃的烤箱中，恒温烘烤6小时，发现5组样品的结合力不同程度上均有改善。这是由于二次退火减小了膜层内部热应力。

（2）离子源参数实验。实验初步确定离子束流、屏极电压和加速电压对膜层质量影响严重，采用正交矩阵法对离子源参数进行研究，这样能大量减少实验次数，缩短实验周期。正交矩阵实验数据如表3所示，正交矩阵的具体参数如表4所示。

表3 正交矩阵实验数据

表4 正交矩阵的具体参数

将4组样品测出其透过率如图1所示。

图1 4组样品的光谱透过率曲线

由图1可以看出，4条实际制备的薄膜光谱透过率曲线均比理论设计的低，这是由于离子源对膜层表面造成刻蚀，刻蚀越严重散射就越高，散射程度越高光谱透过率曲线就越低。结合正交矩阵具体参数和图1，不难得出随着离子束流、屏极电压和加速电压的升高，实际光谱透过率曲线曲线均有下降。

1.2.2 Ge工艺参数的确定

经过实验发现，沉积温度严重影响Ge膜层聚集密度［7］。表5为不同沉积温度下实验数据。

表5 Ge沉积数据

聚集密度用Pn表示：

式中nf为吸潮前膜层折射率，吸潮后膜层折射率。

式中T为基片的透过率，R为镀膜后的反射率。锗薄膜的聚集密度随沉积温度变化曲线如图2所示，折射率随沉积温度变化曲线如图3所示。

由图2可以看出膜层聚集密度随沉积温度的升高而升高，温度在150℃以上时聚集密度在0.95以上，因为随着沉积温度升高，沉积粒子在成膜表面热运动增强，减小了成膜过程中的“阴影效应”，使得膜层更加致密；由图3可以看折射率随沉积温度升高而升高，但是变化幅度不大。

结合（1）（2）得出的结论，经过数次实验，最终优化出的工艺参数如表6、表7所示。

表6 实际工艺参数（1）

表7 实际工艺参数（2）

2 材料折射率计算及膜系设计

2.1 材料折射率计算

由于不同设备和工艺条件制备的膜层折射率差异很大，因此要获得镀膜材料在实际制备过程中的折射率色散曲线，需要在已优化好的工艺参数条件下进行多次模拟。

计算折射率具体操作如下：选用厚度3mm的Ge（ZnS）玻璃作为基片，先测出Ge（ZnS）基片透过率，然后基片上镀制一定厚度的ZnS（Ge）并测出其反射率。由（1）（2）式计算出ZnS（Ge）折射率色散曲线如图4所示。

2.2 膜系设计

根据薄膜的具体设计要求，选择分光膜的经典膜系Sub|2LHLHLHL|Air为基础膜系，选取Optimac优化方法对基础膜系进行优化，优化结果为：Sub|3.05H 1.36L 4.53H 1.35L 7.58H 4.39L|Air，优化后理论光谱反射率曲线如图5所示。

在10.6μm处满足1∶1分光，且满足使用要求的带宽较宽，并有利于薄膜的制备。从优化结果不难看出，基础膜系的第一层厚度被优化为0，是由于在ZnS基底上镀层ZnS薄膜，不会改变等效折射率，与不镀膜的折射率相同。但是在ZnS基底先镀一层ZnS薄膜作为预镀层，能提高膜层与基片之间的结合力，同样不会改变膜层的等效折射率，也不会对光谱曲线造成影响。故而在制备时在基底上预镀制50nm的ZnS薄膜。

图2 聚集密度随沉积温度变化曲线

图3 折射率随沉积温度变化曲线

图4 ZnS和YbF3折射率色散曲线

图5 理论设计光谱反射率曲线

3 制备

薄膜制备过程在700型真空镀膜机上完成。该机配有考夫曼离子源、两个e型电子枪、双探头的IC/5石英晶体膜厚控制仪和GM-X07型光学膜厚控制仪。

考虑到基片对激光损伤的影响，镀膜前需对抛光后的基片用酒精、乙醚混合溶液擦拭处理，再用离子源进行清洗处理（15min），可有效去除二次污染，活化基底表面，同时可在基底表面形成伪扩散层，改善膜层与基片结合力，提高薄膜的抗激光损伤能力。膜系设计时膜层厚度均是非规整的，故在镀膜过程中全部采用石英晶体振荡法进行膜厚控制。

4 测试与分析

4.1 薄膜光学性能测试及分析

采用Varian 600IR系列傅立叶变换红外光谱仪对中红外波段进行测试，测得反射率曲线如图6所示。

图6 实际测试光谱反射率曲线

从图6可以看出，在10.6μm处反射率为50.5%，符合使用要求，但是与理论设计仍有一定差异，在10μm之前和11μm之后实际光谱反射率曲线要比理论设计光谱曲线平均低3%左右。这些差异是由于在制备过程中膜厚控制精度及薄膜材料折射率变化造成的。

4.2 膜层强度测试

为了保证膜层的可靠性，对样品进行强度测试试验，内容如下：

（1）高低温试验：将样品放入低温箱，由室温降至-50℃，保持2h；将样品放入高温箱，由室温升至70℃，保持2h，膜层没有明显变化。

（2）附着力测试：用符合GB/T2407-1992的优等胶黏带紧贴在膜层表面，然后以垂直于表面的方向，从边缘迅速拉开，膜层未有脱落现象。

（3）抗激光损伤阈测试：利用半脉宽15ns，波长1064nm，峰值密度600MW/cm2的激光辐射膜层200次后，膜层无损坏。

5 结论

在激光分束镜的研制中，选择Ge和ZnS作为高、低折射率材料，通过对基底温度研究，提高了膜层与基底之间的结合力。采用离子辅助沉积，对离子源参数特别是屏极电压、加速电压和离子束流的优化，提高了膜层牢固度，同时减少了离子源刻蚀对ZnS的影响。通过对沉积温度的研究，提高了Ge膜层的聚集密度。此外，镀膜过程中，在基片上预镀一层ZnS作为连接层，有利于提高薄膜的牢固度。

［1］程春娟.激光薄膜损伤阈值测试控制系统研究.［D］：西安工业大学硕士毕业论文，2010.

［2］Macleod H A.光学薄膜技术［M］.北京：兵器工业出版社，1974：51-62.

［3］洪冬梅，岳威.中红外激光器光学薄膜的研制［J］.激光与红外，2006，36（12）：1157-1159.

［4］Anton R，Hagedorn H，Schnel lbugel A.Ion—assisted deposition of high quality［J］.Thorium free anti—reflection coatings，1994，10（2）：288-296.

［5］沃伦科娃E M，格列楚什尼科夫S H.红外光学材料手册［M］.《国外红外与激光技术》编辑组出版，1973：11-57.

［6］潘永刚，刘冬梅，张静，等.空间光通信系统三波段滤光膜的研究［J］.激光与光电子学进展，2012，49：013101.1-013101.7.

［7］唐晋发，顾培夫，刘旭，等.现代光学薄膜技术［M］.浙江大学出版社，2006：294-306.