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光学技术的应用(光学元件表面镀膜技术)

发布时间:2019-02-19
  一、大口径光学元件表面镀膜技术

  随着以空间相机为代表的光学成像系统的分辨率要求越来越高,其光学元件的口径也越来越大,发展大口径光学元件表面镀膜技术变得越来越迫切。大口径光学元件表面镀膜与通常的光学镀膜相比有很多特殊之处,需要有针对性的专门开展研究。

  首先,为保证大口径光学元件的面形精度,避免不必要的风险,镀膜过程中必须将基底温度控制在较低的水平。但是,很多光学系统中的大口径光学元件是直接暴露在外部环境中的,如保护窗口、主、次反射镜等。因此这些元件的膜层需要有良好的耐环境性能。在传统的镀膜工艺中,为提高膜层的耐环境特性,通常需要将基底加温到200~300℃,可是这恰恰与大口径光学元件镀膜的基本要求之一——控制温度,防止面形发生变化——相矛盾。而低温成膜又会带来膜层残余应力大的问题,较大的残余应力会增加光学元件发生面形变化的可能性。因此,发展常温成膜技术,在较低的温度下得到低应力、具有优良环境适应性的光学薄膜是大口径光学元件表面镀膜技术的重要研究目标之一。

  其次,在进行大口径光学元件镀膜时,镀膜均匀性的控制变得更加复杂。以等离子体辅助电子束蒸发镀膜为例,当光学元件口径超过1500mm时,由于离子源工作的要求,镀膜时的真空度在1×10-2Pa左右,此时蒸发距离与气体分子的平均自由程相当,传统镀膜均匀性理论的假设条件不再成立。若再考虑到离子源的束流密度均匀性问题,则需要重新建立更复杂的模型并以实验来验证。

  再次,大口径光学元件镀膜前的基片清洗、擦拭,以及装夹、翻转等过程,都必须要认真研究,防止大口径光学元件在上述过程中发生面形改变。

  针对这些特点,实验室进行了关键技术攻关并取得显著效果。实验室与成都南方光学仪器厂一道研制成功国内口径最大的2.5m真空镀膜机,并开展了大量工艺研究,目前已经具备1.5m量级反射镜镀膜能力。实验室拟继续深化大口径反射镜镀膜技术研究,在提高工艺稳定性的同时,开展4m量级反射镜镀膜装备与工艺、离子束辅助定向溅射镀膜等技术的研究。

  二、新型反射镜光学表面改性技术与装备

  空间光学系统中使用的大口径反射镜要求具有良好的物理、机械、热学等性能以保证在严酷的环境下正常工作,同时还要求具有较小的重量。针对这种需求,新型的反射镜镜胚材料得到了深入的研究和长足的发展,其中综合指标较好的空间反射镜材料是Be和SiC。这两种材料都具有良好的物理、机械性能和较小的密度,并可轻量化,以进一步降低重量。由于Be的氧化物具有毒性,目前使用量较少;SiC材料性能接近Be,是一种无毒并具良好性能的反射镜镜坯材料,近年来发展较快,在空间项目中得到越来越广泛的应用。

  常用的空间SiC材料有两种:S-SiC和RB-SiC。S-SiC是一种单相SiC陶瓷材料,其结构中存在的微孔造成表面光能吸收而导致反射率下降;RB-SiC中存在SiC和Si两相,由于Si的硬度较低在加工后其表面会形成台阶状形貌,使得粗糙度增加,因此会有较大的散射损失。为了解决光能损失的问题,国内外通常采用的就是表面改性方法。

  使用了PVD方法制备大口径SiC反射镜改性膜层的技术。主要研究的方向有如下四个:①大尺寸反射镜在三维尺度上薄膜的生长机理及其对薄膜厚度、膜层质量的影响。②不同于CVD的高温成膜,PVD可以在相对较低的温度下制备改性层,因此需要探索如何在较低的温度下实现较好性能的改性膜;③建立大尺寸状态下PVD方法制备改性膜层的均匀性物理模型,可以提高改性膜层的质量;④改性膜层和反射镜镜坯的结合状态决定了反射镜的性能,对相关的相互扩散机理,结合方式进行了研究。

  三、雷达隐身薄膜材料

  导弹、飞机等武器的雷达目标特征控制一直是隐身技术研究的重点,由于传统的雷达吸波材料不能用于观通器件,降低导弹制导舱、飞机观察窗的雷达散射截面(RCS)是实现其雷达隐身的关键内容。雷达隐身薄膜材料兼具结构和材料设计的双重优势,具有优异的滤波特性,与传统的吸波材料相比,又具有“厚度薄、质量轻、带宽宽”等优点,是导弹、飞机上观通器件雷达隐身的首选材料。

  针对不同的制导频段,雷达隐身薄膜材料又可分为三种:用于电视末制导舱雷达隐身的铟锡氧化物(ITO)薄膜、用于红外末制导舱雷达隐身的感性网栅薄膜和用于雷达末制导舱带外雷达隐身的频率选择表面(FSS)。雷达隐身薄膜材料的设计涉及光学、电磁学和材料学三大领域。而在制作上,ITO膜为连续薄膜,采用合适的镀膜工艺设备和手段即可实现;感性网栅膜是一种非连续薄膜,其性能与结构和材料相关,且线宽越窄、性能越好,因此,制作感性网栅膜将涉及光刻与镀膜两大领域;FSS不仅结构上不连续,而且对材料的厚度、介电参数、结构尺寸、单元排列方式等相当敏感,因此,制作FSS的工艺手段需结合光刻、镀膜和层合等三种工艺技术。

  四、可见、近红外、中波红外、长波红外多谱段共用光学薄膜

  随着技术的发展,目前越来越多的光学系统采用多谱段共光路的设计,近来出现了许多二光、三光甚至四光合一的光学系统。在这些多光合一的光学系统中,多谱段共用光学薄膜的性能对于整个光学系统的性能来说至关重要。特别是当光学系统中多谱段共用的光学元件较多时,光学薄膜的优劣可能使光学系统的总体透过率有非常大的差别。因此,发展多谱段共用光学薄膜技术是提高多光合一光学系统性能的主要技术手段。

  现阶段的多光合一光学系统更多的是包括可见光和中、长波红外,多谱段共用光学薄膜主要有反射膜、多谱段宽光谱减反膜和分色膜。对于反射膜来说,采用金属反射的方法比较容易实现多谱段高反射率,提高金属反射膜的环境适应性是研究的重点。

  波长跨度较大的多谱段宽光谱减反膜对膜系设计和制备工艺的要求非常高。由于镀膜材料的选择范围十分有限,因此膜系设计的转圜余地很小,只能通过增加膜系的复杂程度来达到要求。越是复杂的减反膜系对镀膜工艺的敏感程度就越高,这就要求镀膜工艺有相当的稳定性。因此,多谱段宽光谱减反膜的先进的膜系设计思想和稳定的镀膜工艺是主要的研究方向之一。

  而多谱段的分色膜实现起来就更加困难。这主要由以下几个特点决定:波长跨度大;分色效率要求高;对环境适应性要求高;有时包括大功率激光。这些特点给分色方案的确定、基底和镀膜材料的选择、膜系设计、镀膜工艺等方面都带来了很大的困难。必须经过系统的研究才能逐渐将多谱段共用薄膜技术发展完善。

  五、激光对抗高损伤阈值薄膜及激光的防护

  随着近年来激光技术的快速发展,激光武器已经逐渐由设想成为了现实。大功率激光武器作为定向能武器的出现,以及由此带来的发射与防护等问题都对光学薄膜提出了新的、更高的要求。

  首先,在大功率激光武器系统中,用于反射或透射高能激光的光学元件上的光学薄膜需要具有高损伤阈值,保证光学元件的正常工作。当高能激光与武器的光学跟踪瞄准系统共光路时,光学薄膜还要在保证高损伤阈值的同时,满足激光和跟瞄系统工作波段的光学性能。如果在开放式的系统中还要有良好的环境适应性。这些要求随着激光功率的提高,实现的难度将大幅度上升。因此,开展光学薄膜的激光损伤机理研究,发展相关制备和测试技术是开发大功率激光武器的必经之路。

  其次,由于激光武器的发展,用于侦察、跟踪、对抗等的光学系统面临着越来越大的威胁。通过光学薄膜的方法发展的激光防护技术是实现这些光学系统免受激光武器伤害的有效途径之一。在光学系统中,可以采用光学镀膜的方法对光谱进行选择性透过,将激光波长过滤出去,使其不能进入光学系统内部,系统可以免受伤害。
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