多层薄膜材料设计？

摘要

为了满足大气辐射系统中的光学元件的使用要求，即在可见光及近红外波段范围

具有高透过率，根据双有效界面法设计原理配合TFC膜系软件设计膜系，采用离子辅

助沉积，电子束真空镀膜的方法，通过对真空度、基底温度、Ti口2膜料蒸发速率等工

艺参数的调整和膜层厚度的监控方法的改进，采用A12O。，峋凡，TIOZ，5102四种镀膜

材料，在K，基底上制备了400一1100nm宽带增透膜。并用分光光度计测量了薄膜的透

过率，得到透过率光谱曲线。所镀膜层在垂直入射时，400一1100纳米波段平均反射率

小于1.5%。最后对制备的增透膜进行了各种环境测试，环境测试结果显示，膜层的各项

指标都达到了设计要求。

关键词:光学薄膜;大气辐射系统;宽带增透膜;离子辅助;

ABSTRACT

InordertomeettheoPtiealinstruments’oPeratingrequirementsofatmosPheriC

radiationsystems，namely，itmustbehightransmittaneeduringvisibleandnear一infrared

band，weadoPtelectroniebeamingvacuumdePositingmethodwiththeaidofionassistant

dePositionsystems.Thestructure15designedbyTFCsoftwarewithdoubleeffieieney

interfaeetheory.ThroughoPtimizingteehniealParameterssuehasdegreeofvacuum，base

reservoirtemPerature，evaPorationrateofTIOZandimProvingthemonitormethod，we

dePositthefilmonthekgsubstratewithfourmaterialsofA1203，加烤凡，TIO:，510:.And

measuredthetransmittaneeoftheeoatingwiththesPeetralPhotometer，gotthesPectrum

eurvesoftheeoating.Inconditionofvertiealineidenee，theaveragerefleetivitybelow1.5%

through400nm一1100nmwavelength.Inaddition，thecoatinghavesuccessfullyPassed

environmentaltests，iteaneomPletelymeetthedemandsofatmosPherieradiationsystems.

价ywords:oPtiealthinfilm;atmosPherieradiationsystems:broadbandARcoating;

ionassistantdePosition(IAD);

目录

摘要

ABSTRACT

目录

第一章绪论........................................................................................................................……，……1

1.1薄膜的发展.................................……，...............................……，..............?.........?.............……1

1.2宽带增透膜的发展及应用.‘、‘一...一....................................................................................……1

1.3论文研究的内容......................................................................?……2

第二章薄膜设计理论....................................................……‘…‘二‘一，.”...”..................................……4

2.1光学薄膜的特性计算........................................................................................................……4

2.2双有效界面法...........................................................................“一8

2.3介质多层膜的弱吸收计算.......……，，................................................……。.......................……10

第三章增透膜设计理论..........................................................................................................……13

3.1宽带增透膜的使用要求，...................................................……，......................................……13

3.2薄膜材料的选择..............................................................................?……13

3.2.1选择薄膜材料的依据.........................................................................................……13

3.2.2选择薄膜材料.......................................................................................................……15

3.3增透膜设计理论基础......................................................................................................……18

3.3.1单层膜的减反射原理及计算..……，....................................……。........................……18

3.3.2双层减反射膜的原理及计算......................................................................……，..…20

3.3.3三层减反射膜的原理及计算.......................................................”...................……21

3.3.4多层膜膜系的优化方法.....................................................................................……22

3.4课题设计方案.......................................................................................?...?...?...?......……24

第四章制备工艺................................................................................................……26

4.1薄膜的制备装置...........................................................……，.............................................……26

4.2主要工艺因素分析....................……，...............................................................................……31

4.3成膜过程..................................................……，...........................……，..................................……32

4.4镀膜材料折射率的确定.................................................................................................……35

4.5制备工艺过程.................................................................................?……37

第五章误差及测试结果分析...................................................................................................……39

5.1实验结果..........................................................……，...........................……，.................……39

5.2误差分析.............……，....................................................................................”................……40

5.3薄膜质量检测...................................................................................................................……43

结论…，........................................................................................................................................……44

致谢............................................................................................................................................……45

参考文献......................................................................................................................................……46

第一章绪论

薄膜的发展

光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，己经被广泛应用于工业、农业、建筑、交

通运输、医学、军事、天文、红外物理学、激光技术等领域，在人们的日常工作和生

活中起着越来越重要的作用。在科技日新月异的今天，现代通讯〔卜2]、能源利用、宇航

技术等领域的飞速发展，为光学薄膜的发展提出了更高的要求。

自70年代以来，薄膜技术得到突飞猛进的发展。无论在学术上，还是在实际应用

中都取得了丰硕的成果。薄膜技术已经成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究

领域，在新技术革命中具有举足轻重的作用。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合

推动了薄膜产品的全方位开发与应用。从发展趋势看，国内外薄膜产业方兴未艾，多

种迹象表明。薄膜技术在近期内，将有较大的突破。从而必将带动薄膜产业更大的发

展‘，〕。

十余年来，在薄膜技术飞速发展，工业上有许多更大突破的同时，伴随有各种类型

的新型材料的开发，新功能的发现卜刀。所有这些都蕴藏极大的发展潜力，并为新的技

术革命提供可靠的基础。现在薄膜技术和薄膜材料除大量用于电子器件和大规模集成

电路之外，还可用于支取磁性膜及磁记录介质、绝缘膜、电介质膜、压电膜、光学膜、

光导模、传感器膜，耐磨、抗蚀、自润滑膜，装饰膜以及各种特殊需要的功能等。减

反射薄膜作为光学薄膜中最重要的一种，它的发展也得到了更广泛的关注，从硅太阳

能电池上的应用到显示器件上的普及，减反射薄膜的实用研究成为一项极有意义的工

作。

2宽带增透膜的发展及应用

增透膜，也称减反射膜，用于减少光学元件表面的反射，增加工作波段内光线的

透过率。20世纪30年代发现的减反射膜促进了薄膜光学的早期发展。对于推动技术光

学发展来说，在所有的光学薄膜中，减反射膜起着最重要的作用。直至今天，就其生

产的总量来说，它仍然超过所有其他类型的薄膜。单层减反射膜的出现，在历史上是

一个重大的进展。直至今天仍广泛采用来满足一些简单的用途。但是它存在两个主要

的缺陷，首先，对大多数应用来说，剩余反射还显得太高;此外，从未镀膜表面反射

的光线，在色彩上仍保持中性，而从镀膜表面反射的光线破坏了色的平衡。现代一些

综合性光学仪器往往一机多用，光学系统的工作波段可能要覆盖可见、微光、近红外，

一般来说这样的光学系统是比较复杂的，光学零件多，光能损失大，为了获得良好的

光学性能，需要在其表面镀制超宽带增透膜。

(l)现代军用光电仪器作为光电子器件及其技术所形成的具体产品的体现载体性

能越来越先进功能越来越多，激光测距机、热成像、微光夜视，CCD摄像等观瞄一体化

的光电产品及先进的多功能光电传感器不断推陈出新。在军用光电仪器中，经常需要

可见光观瞄，微光夜视，CCD电视跟踪，激光发射和接收等波段共窗口的组合光孔径技

术而镀制400nm一1IOOnm超宽带增透膜是在军用光电仪器中实现多波段，宽光谱共窗

口的重要技术保证。

(2)太阳电池是把光能转换为电能的光电子器件阳，。它的光电转换效率定义为总

输出功率与入射到太阳电池表面的太阳光总功率的比值。为提高电池的光电转换效率，

应减少电池表面光的反射损失，增加光的透射，目前主要采用两种方法:(1)将电池

表面腐蚀成绒面，增加光在电池表面的入射次数。(2)在电池表面镀一层或多层光学性

质匹配的减反射膜。减反射膜的设计直接影响着太阳电池对入射光的反射率，对太阳

电池效率的提高起着非常重要的作用。

(3)随着航空、航天、红外成像、制导以及对空观测广泛应用和技术的快速发展，

对目标光学特性提取的精度要求越来越高〔9]，而在大气背景中探测目标的光学特性时，

探测器除接收到目标自身的辐射外，还能接收到大气背景辐射以及目标表面对太阳辐

射和天地背景辐射的散射能量，再加上大气参数本身的随机性，使得提取目标的光学

特性受到很大的干扰。天空背景辐射的主要来源是太阳辐射。太阳辐射通过大气时，

要受到大气分子、气溶胶以及云的吸收、散射作用，而使投射到大气上界的太阳辐射

不能完全到达地面，其中一部分通过大气散射而形成天空背景辐射。对目标的探测在

很大程度上取决于以下几个因素:目标本身和周围背景的辐射特征以及它们之间的对

比度。目标探测通常会受大气的影响:目标与背景的辐射特征经过大气最终到达观者。

辐射信号在大气中传输受到大气衰减，同时大气或太阳的辐射又会构成一定的背景辐

射。这些背景辐射或大气衰减很强时，使目标信号完全淹没于背景辐射中而无法探测。

因此，建立一套准确计算天空背景光谱辐射特性的方法就显得非常重要{’0]。而宽带增

透膜就是应用于大气辐射系统测试体系中光学元件上的。

上述特殊用途的光学器件，都需要工作光谱范围很宽的宽带增透膜来改善光学元

件成像质量，尤其是在微光系统、夜视系统、CCD和大气辐射系统中。

3论文研究的内容

本论文研究的是用于大气辐射系统光学元件的400一1IOOnm宽带增透膜，借助计

算机对所设计的膜系进行优化，通过反复实验，完成减反射薄膜制备工艺参数的寻优，

最终获得能够满足课题要求的薄膜系统。

论文主要包括四部分内容。第一，薄膜特性计算理论、双有效界面法原理及多层

介质膜弱吸收的计算原理的介绍。第二，减反射膜设计基础，镀膜材料的选择，利用

TFC膜系设计软件对设计膜系进行优化，实现可见光波段及近红外波段内的宽带减反

射。第三，镀膜机工作原理及膜层形成过程及光控晶控原理，镀膜操作过程。第四，

在实际镀膜过程中完成了寻找最佳制备工艺参数的工作，对基片温度、工作气压、氧

气含量等成膜工艺参数对光学性能的影响进行分析，并在最佳的工艺参数下，完成薄

膜的制备。进行样品的性能测试，分析理论设计膜系与实际制备膜系光学性能差异的

原因。

由于实验室分光光度计没有配置测基片反射率的配件，所以本论文试验结果以实

验基片透过率为依据。

本实验采用的设备是南光700型镀膜机，利用电子束蒸发离子辅助的方式来得到

较为牢固致密的膜层的。离子辅助的作用是在蒸镀前清洁基片表面、蒸镀过程中使膜

层结构更为牢固致密。这样可以减少由吸收、散射等损耗带来的膜面透过率和增透带

带宽的下降。

等等。