低吸收红外薄膜制备及其环境稳定性可靠性研究

发布时间：2020-07-01 05:21

【摘要】：随着红外光学系统的发展,红外探测、红外成像等红外光学系统,特别是高能激光系统,要求红外薄膜吸收低。低吸收红外薄膜有利于降低红外光学元件的吸收,从而降低其红外发射率,有利于提高系统的信噪比和稳定性。在红外激光器系统中,反射镜、分光镜等红外薄膜的吸收会导致光学元件的热畸变,导致光束质量的下降,严重时可能导致激光系统不能正常振荡输出激光。低吸收红外薄膜的薄膜材料通常为硫化物、氟化物等牢固性和稳定性较差的材料,且厚度厚,通常达到十几微米,这对低吸收红外薄膜的稳定性可靠性提出了挑战,因而开展低吸收红外薄膜的相关研究具有重要意义。本论文针对低吸收红外薄膜的理论与方法、薄膜参数的测试、镀膜工艺优化、薄膜的环境稳定性等进行了系统研究。论文所取得的主要研究成果包括:1.给出了低吸收薄膜的基本设计理论和方法,采用势透射率分析了光学薄膜的吸收,得出了吸收低的高反射膜和窄带滤光片的膜系结构。在此基础上分析了三种膜系结构的高反射膜的吸收,提出了一种精确测量光学薄膜消光系数的方法,并测量了几种薄膜材料的消光系数,可精确到10~(-6)量级。2.采用椭圆偏振法和全光谱拟合法测量了莱宝高级离子源(APS)不同偏置电压沉积的氟化镱薄膜在可见短波的折射率,两种方法的测量结果差异不大。使用Sellmeier色散模型,通过拟合氟化镱/硫化锌双层膜的透射率获得了包裹在膜层内部的氟化镱薄膜在2.5μm-11μm波段的折射率,与椭圆偏振法测量的暴露在大气中的单层氟化镱薄膜的折射率的差异较大,主要是由于氟化镱薄膜吸附空气中的水汽导致的。3.实验研究了基板温度和APS偏置电压对氟化镱薄膜光学性能、应力、晶体结构、粗糙度和散射的影响,为低吸收红外薄膜的设计和制备奠定了基础。4.实验探索了低缺陷密度红外薄膜制备工艺,重点研究了沉积速率、基板温度和沉积方式对氟化镱、硫化锌和硒化锌薄膜缺陷的影响,得到了缺陷密度较少的制备工艺参数,并对多层膜的缺陷与吸收进行了分析。5.讨论了红外薄膜水吸收及减少水吸收的方法,实验研究了硫化锌保护层技术和氧化铪保护层技术对水汽保护性及对薄膜环境稳定性的改善作用。6.采用非钍氟化物研制出了低吸收中波反射膜,反射率可达99.99%以上,吸收低于30ppm。通过膜系的优化设计和对膜层厚度的校正及精确控制,用石英晶振控制方式研制出了六波长硫化锌窗口,实现了从0.5μm~10μm波段范围内的六个波长的高透射。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN21;TB383.2
【图文】：

示意图,示意图,光热,红外薄膜

低吸收红外薄膜制备及其环境稳定性可靠性研究图 1.4 所示，为人们提供多种信息，利用这些信今为止，已形成了相应的检测方法和理论。目前收的主要技术有如下几种：光热偏转技术、光热热透镜技术以及光热失调法等[56-64]。光热法的技可测量低于 10ppm 的吸收）和空间分辨率（径热法主要是通过探测由热引起的各种效应(如：变化)来获得吸收，属于间接测量方法，测量时标，由于被测样品的多样性和光热信号线性度的准确定标，相对测量容易，而绝对测量困难。

SEM图,多层膜,截面,红外薄膜

第 1 章绪论68]。与此同时，世界各地研究人员对红外薄膜进行了不少的研究：光学常数（折射率、消光系数）、激光损伤、机械性能、微观结构等[69-72]。上世纪七十年代， Pearson J.M.[73]、Guenther K. H.[74]用扫描电子显微镜(SEM)系统研究了红外薄膜的微观结构，发现氟化物薄膜为典型的柱状结构，如图 1.5 所示[74],同时指出，这种柱状结构会导致薄膜吸附水汽，对薄膜性能产生重要影响。此后，薄膜研究人员从多方面对红外薄膜的水吸收进行了研究[75-77]。

【参考文献】