10.6μm激光分束鏡的研制

劉鳳娥，付秀華，潘永剛，張靜，王曉娟，陳博臨

（1.中國兵器工業標準化研究所，北京 100089；2.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

近年來，大功率CO2激光器越來越被廣泛應用于醫學、激光加工等領域，是由于CO2激光器波長10.6μm正處于大氣衰減小、透過率高的波段，即紅外光透過大氣層的窗口。同時，該波長屬于紅外波，具有照到人眼時，大部分能量會被角膜吸收，對視網膜造成的損傷較小等優點［1］。使用大功率CO2激光器，能提高抗拒惡劣大氣環境影響的能力，這就對激光分束鏡的各項性能提出更高的要求。分光膜的質量直接決定分束鏡的品質，因此對光學薄膜的質量要求嚴格。國內外對CO2激光器上的高能激光分束鏡有一定的研究與報道，但是側重點各不相同［2-4］。

本文主要從材料選擇出發，通過對ZnS和Ge的研究，分別對嚴重影響膜層質量的參數進行了優化。解決了在選材一定的情況下，如何確定合理的工藝參數，來降低工藝對膜層質量的影響。

1 材料選取與工藝參數確定

1.1 材料選取

由于激光分束鏡薄膜的應用環境不同，對薄膜材料的要求也不同。薄膜材料一般要求具備的特征如表1所示［5］。

根據表1要求，在常用紅外薄膜材料中選擇ZnS作為低折射率材料。因為ZnS透明區0.4～14μm、抗潮性優、呈現壓應力。眾所周知，紅外薄膜厚度一般比紫外、可見薄膜厚，需要考慮材料與基底之間牢固度是否良好，實際制備的基底材料為ZnS，若在ZnS基底上預鍍一層ZnS材料作為連接層，可提高材料與基底之間的結合力。

表1 薄膜材料一般要求具備的特征

紅外波段常與ZnS結合的高折射率材料有Si和Ge，然而Si的透明區在1～9μm，不適合實驗要求，故選擇Ge作為高折射率材料。此外，Ge呈現張應力，有利于與ZnS的壓應力相匹配，同時其抗潮性良好。

1.2 工藝參數確定

1.2.1 ZnS工藝參數的確定

通過多次實驗發現：基底溫度和離子源的使用對ZnS的影響較大。

（1）溫度實驗?；诇囟葒乐赜绊慫nS材料與基底之間的結合力，溫度實驗數據如表2所示。

表2 溫度實驗數據

實驗后，用符合GB/T2407-1992的優等膠黏帶分別緊貼在5組樣品表面，然后迅速從邊緣拉開，檢驗膜層與基底的結合情況，實驗結果見表2。從表2可以看出，膜層與基底的結合力先隨溫度的升高而變好，溫度繼續升高時結合力又開始變差。這是因為開始時隨著基底溫度升高，降低了薄膜沉積粒子凝聚系數，有利于提高入射離子的表面遷移率，使得膜層致密，從而提高了膜層與基底的結合力［6］；溫度繼續升高時，基底材料內部應力不均勻導致龜裂遠大于提高入射粒子的表面遷移率的影響，故而膜層基底的結合力開始下降。

5組樣品暴露在潮濕空氣中，一天后發現膜層表面產生白色的霜，是由于剛制備的ZnS非常軟，放置在潮濕空氣中潮解造成的。通過多次試驗發現，如果將制備好的ZnS薄膜放置在鍍膜機中第二天后取出，保證其溫度自然冷卻而不是剛鍍制完后立刻進行檢測，這樣將樣品放在潮濕空氣中，一周后表面沒有明顯變化。

將實驗樣品放在200℃的烤箱中，恒溫烘烤6小時，發現5組樣品的結合力不同程度上均有改善。這是由于二次退火減小了膜層內部熱應力。

（2）離子源參數實驗。實驗初步確定離子束流、屏極電壓和加速電壓對膜層質量影響嚴重，采用正交矩陣法對離子源參數進行研究，這樣能大量減少實驗次數，縮短實驗周期。正交矩陣實驗數據如表3所示，正交矩陣的具體參數如表4所示。

表3 正交矩陣實驗數據

表4 正交矩陣的具體參數

將4組樣品測出其透過率如圖1所示。

圖1 4組樣品的光譜透過率曲線

由圖1可以看出，4條實際制備的薄膜光譜透過率曲線均比理論設計的低，這是由于離子源對膜層表面造成刻蝕，刻蝕越嚴重散射就越高，散射程度越高光譜透過率曲線就越低。結合正交矩陣具體參數和圖1，不難得出隨著離子束流、屏極電壓和加速電壓的升高，實際光譜透過率曲線曲線均有下降。

1.2.2 Ge工藝參數的確定

經過實驗發現，沉積溫度嚴重影響Ge膜層聚集密度［7］。表5為不同沉積溫度下實驗數據。

表5 Ge沉積數據

聚集密度用Pn表示：

式中nf為吸潮前膜層折射率，吸潮后膜層折射率。

式中T為基片的透過率，R為鍍膜后的反射率。鍺薄膜的聚集密度隨沉積溫度變化曲線如圖2所示，折射率隨沉積溫度變化曲線如圖3所示。

由圖2可以看出膜層聚集密度隨沉積溫度的升高而升高，溫度在150℃以上時聚集密度在0.95以上，因為隨著沉積溫度升高，沉積粒子在成膜表面熱運動增強，減小了成膜過程中的“陰影效應”，使得膜層更加致密；由圖3可以看折射率隨沉積溫度升高而升高，但是變化幅度不大。

結合（1）（2）得出的結論，經過數次實驗，最終優化出的工藝參數如表6、表7所示。

表6 實際工藝參數（1）

表7 實際工藝參數（2）

2 材料折射率計算及膜系設計

2.1 材料折射率計算

由于不同設備和工藝條件制備的膜層折射率差異很大，因此要獲得鍍膜材料在實際制備過程中的折射率色散曲線，需要在已優化好的工藝參數條件下進行多次模擬。

計算折射率具體操作如下：選用厚度3mm的Ge（ZnS）玻璃作為基片，先測出Ge（ZnS）基片透過率，然后基片上鍍制一定厚度的ZnS（Ge）并測出其反射率。由（1）（2）式計算出ZnS（Ge）折射率色散曲線如圖4所示。

2.2 膜系設計

根據薄膜的具體設計要求，選擇分光膜的經典膜系Sub|2LHLHLHL|Air為基礎膜系，選取Optimac優化方法對基礎膜系進行優化，優化結果為：Sub|3.05H 1.36L 4.53H 1.35L 7.58H 4.39L|Air，優化后理論光譜反射率曲線如圖5所示。

在10.6μm處滿足1∶1分光，且滿足使用要求的帶寬較寬，并有利于薄膜的制備。從優化結果不難看出，基礎膜系的第一層厚度被優化為0，是由于在ZnS基底上鍍層ZnS薄膜，不會改變等效折射率，與不鍍膜的折射率相同。但是在ZnS基底先鍍一層ZnS薄膜作為預鍍層，能提高膜層與基片之間的結合力，同樣不會改變膜層的等效折射率，也不會對光譜曲線造成影響。故而在制備時在基底上預鍍制50nm的ZnS薄膜。

圖2 聚集密度隨沉積溫度變化曲線

圖3 折射率隨沉積溫度變化曲線

圖4 ZnS和YbF3折射率色散曲線

圖5 理論設計光譜反射率曲線

3 制備

薄膜制備過程在700型真空鍍膜機上完成。該機配有考夫曼離子源、兩個e型電子槍、雙探頭的IC/5石英晶體膜厚控制儀和GM-X07型光學膜厚控制儀。

考慮到基片對激光損傷的影響，鍍膜前需對拋光后的基片用酒精、乙醚混合溶液擦拭處理，再用離子源進行清洗處理（15min），可有效去除二次污染，活化基底表面，同時可在基底表面形成偽擴散層，改善膜層與基片結合力，提高薄膜的抗激光損傷能力。膜系設計時膜層厚度均是非規整的，故在鍍膜過程中全部采用石英晶體振蕩法進行膜厚控制。

4 測試與分析

4.1 薄膜光學性能測試及分析

采用Varian 600IR系列傅立葉變換紅外光譜儀對中紅外波段進行測試，測得反射率曲線如圖6所示。

圖6 實際測試光譜反射率曲線

從圖6可以看出，在10.6μm處反射率為50.5%，符合使用要求，但是與理論設計仍有一定差異，在10μm之前和11μm之后實際光譜反射率曲線要比理論設計光譜曲線平均低3%左右。這些差異是由于在制備過程中膜厚控制精度及薄膜材料折射率變化造成的。

4.2 膜層強度測試

為了保證膜層的可靠性，對樣品進行強度測試試驗，內容如下：

（1）高低溫試驗：將樣品放入低溫箱，由室溫降至-50℃，保持2h；將樣品放入高溫箱，由室溫升至70℃，保持2h，膜層沒有明顯變化。

（2）附著力測試：用符合GB/T2407-1992的優等膠黏帶緊貼在膜層表面，然后以垂直于表面的方向，從邊緣迅速拉開，膜層未有脫落現象。

（3）抗激光損傷閾測試：利用半脈寬15ns，波長1064nm，峰值密度600MW/cm2的激光輻射膜層200次后，膜層無損壞。

5 結論

在激光分束鏡的研制中，選擇Ge和ZnS作為高、低折射率材料，通過對基底溫度研究，提高了膜層與基底之間的結合力。采用離子輔助沉積，對離子源參數特別是屏極電壓、加速電壓和離子束流的優化，提高了膜層牢固度，同時減少了離子源刻蝕對ZnS的影響。通過對沉積溫度的研究，提高了Ge膜層的聚集密度。此外，鍍膜過程中，在基片上預鍍一層ZnS作為連接層，有利于提高薄膜的牢固度。

［1］程春娟.激光薄膜損傷閾值測試控制系統研究.［D］：西安工業大學碩士畢業論文，2010.

［2］Macleod H A.光學薄膜技術［M］.北京：兵器工業出版社，1974：51-62.

［3］洪冬梅，岳威.中紅外激光器光學薄膜的研制［J］.激光與紅外，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］沃倫科娃E M，格列楚什尼科夫S H.紅外光學材料手冊［M］.《國外紅外與激光技術》編輯組出版，1973：11-57.

［6］潘永剛，劉冬梅，張靜，等.空間光通信系統三波段濾光膜的研究［J］.激光與光電子學進展，2012，49：013101.1-013101.7.

［7］唐晉發，顧培夫，劉旭，等.現代光學薄膜技術［M］.浙江大學出版社，2006：294-306.