淺談紅外增透膜

紅外技術(shù)最初主要用于軍事領域，后來隨著科技的發(fā)展，紅外在大氣探測、航天、甚至很多民用等領域也逐漸扮演重要角色。在紅外光學系統(tǒng)中，紅外光能量的透過率決定了該系統(tǒng)性能的好壞。減少光學元件表面的反射，從而増加光學系統(tǒng)在工作波段內(nèi)的透過率對于生產(chǎn)實踐有著重大意義。因而，通過在紅外光學元件表面鍍制増透膜來降低其表面反射損失，從而提高整個光學系統(tǒng)的性能己成為研究重點。隨著現(xiàn)代光學的發(fā)展，紅外光學系統(tǒng)的應用日益増多，越來越多地光學器件要求工作波段在紅外區(qū)，這就使得高性能紅外増透膜的研制成為光學研究中的重要部分。

1紅外增透膜

目前，紅外増透膜在近紅外和中紅外波段應用較為廣泛。一方面，近紅外光譜分析技術(shù)的興起，以及活體無探傷檢測等優(yōu)點使得近紅外備受關(guān)注；另一方面，隨著紅外成像、紅外探測、紅外遙感以及航天航空等領域的應用與發(fā)展，中紅外的研究也有著重大意義。

1.1近紅外（0.78?2.5μm）波段增透膜

可見和近紅外光譜分析具有信息量大、測試種類 多、無損測試等優(yōu)點，因此鍍制可見與近紅外的増透膜在分析測試領域有著重要意義，賀才美等以多光譜ZnS（硫化鋅）為基底，以ZnS和YbF3（氟化鐿）為高低折射率材料所鍍制的増透膜在400?1000nm的平均透射率大于91%，實現(xiàn)了可見與近紅外的増透效果；楊道奇等分別以TiO2（二氧化鈦）、M1（主要成分是Pr:Al2O3）和SiO2（二氧化硅）為高、中、低折射率材料鍍制増透膜，并在620?1550nm的平均透射率達到97%；李帥等用TiO2和SiO2作為高低折射率材料，在K9玻璃上鍍制的増透膜在0.55?0.78μm和1.0?1.3μm波段的平均透過率達到了97.04%。

為提高近紅外光學系統(tǒng)性能，孫亞軍等分別以TiO2和SiO2為高低折射率材料，以氟化鈣（CaF2）為基底，所鍍制的紅外増透膜在0.9?1.7μm的平均透過率達到了99.42%，最大透過率更是高達99.98%。

1.2紅外（2.5?25μm）波段增透膜

目前，研究最多、應用最廣的應屬中紅外波段増透膜。早在20世紀80年代李夢珂等根據(jù)當時衛(wèi)星使用的紅外地平儀的需要在鍺（Ge）基底上鍍制氟化鋇（BaF2）/硒化鋅（ZnSe）雙層膜，并在14?16μm波段取得良好的増透效果。隨后又有學者通過在單晶 鍺上分別鍍制單層ZnS、碲化鎘（CdTe）和ZnSe實現(xiàn)了10.4?12.5μm波段的紅外増透效果，并對這3種單層紅外増透膜進行了比較研究。在中紅外波段増透膜中，高透過率、寬光譜覆蓋范圍一直是研究的重點，其中寬帶紅外増透膜和雙波段紅外増透膜的應用更是研究的熱點。

1.2.1寬帶紅外増透?膜

早在20世紀80年代，許步云就對8?14μm和2?14μm兩個波長范圍的寬帶増透膜進行了研究。關(guān)于寬帶増透膜鍍制基底材料的選擇是十分關(guān)鍵的，例如周團團等采用離子束輔助沉積技術(shù)，在鉬酸鉛晶體表面鍍制了寬紅外増透膜，該研究在光纖通信領域的發(fā)展中有著重要意義。除此之外，目前在中紅外増透膜的研究中，以Ge、Si等高折射率材料作為基底的研究很多，比如1998年，黃偉等分別使用高、低折射率材料ZnSe和BaF2在Ge基片上鍍制的紅外寬帶増透膜在8?12μm波段的平均透過率達到97%；之后，李大琪等將寬帶増透膜的研究帶寬増加到了6.4?15μm，這一成果在航天航空遙感信息領域具有重要意義；閆蘭琴等在Ge基底上鍍制的以Ge、ZnS和YbF3為高、中、低折射率材料的紅外増透膜平均透過率大于98%，最大透過率更是高達99.2%（但是其透過帶寬7.5?11.5μm相對有所減?。?/p>

事實上，寬帶紅外増透膜的研究不僅僅局限于高 折射率材料作為基底，以ZnS、ZnSe等低折射率材料為基底的寬帶増透膜也有不少報道。閆蘭琴等采用低折射率材料CVD硒化鋅作為基底，由ZnSe、ZnS、YbF3分別作為高、中、低折射率材料鍍制的紅外増透膜在7?14μm波段平均透過率也達到了97%，具有明顯的寬帶増透效果；后來潘永強等同樣以ZnSe為基底，并以ZnSe和YF3為高低折射率材料設計并鍍制了2?16μm的超寬帶紅外増透膜，但測試結(jié)果相對較低，其平均透過率僅有93%。

1.2.2雙波段紅外増透膜

除了寬帶紅外増透膜，關(guān)于雙波段的研究也有很多。其中，3?5μm和8?12μm是學者比較關(guān)注和應用范圍較廣的波段。通過在紅外窗口或透鏡上鍍制3?5μm和8?12μm雙波段兼容的紅外増透膜，提高紅外信號的透過率和紅外光學系統(tǒng)的性能，在中紅外波段的研究領域中具有重要意義。潘永強等對Ge基底3?5μm和8?12μm雙波段紅外増透進行了研究，鍍制紅外増透膜后，該雙波段范圍內(nèi)平均透過率達到94%；付秀華等將3?5μm和8?12μm雙波段紅外増透膜鍍制在ZnS導流罩上，即使在曲面基底上，此波段范圍內(nèi)的平均透過率依然在90%以上；張杏梅對3?5μm和8?12μm雙波段紅外光纖端面進行了研制，通過在光纖斷面鍍制紅外増透膜，不僅在減少了反射損失，還起到了保護膜層的作用。除了3?5μm和8?12μm雙波段紅外増透膜，還有許多其它波段范圍的雙波段紅外増透膜，比如王彤彤所研制的ZnS窗口針對于高速飛行器的0.8?1.7μm和3.7?4.8μm的雙波段紅外増透膜就滿足了高速飛行器的窗口需求。

1.3紅外增透膜的拓展研究

紅外増透膜的研究絕不僅僅是局限于波段范圍的透過率的研究，隨著應用范圍的不斷擴大，人們對紅外増透膜的研究內(nèi)容也不斷増加。比如，將導電網(wǎng)膜應用在紅外成像系統(tǒng)的窗口上，使其在紅外窗口上也具有防霜、防霧以及衰減電磁波的功能。因此，為提高紅外系統(tǒng)成像質(zhì)量，同時使其具備電磁波衰減性能，車英等對這兩項技術(shù)進行了綜合研究（即在一定周期、一定線寬的網(wǎng)膜上加鍍紅外増透膜）。又比如鄢秋榮等設計的ZnSe基底3?12μm漸變折射率紅外増透膜，在設計波段平均透射率達到95%，且沿著膜層表面的法線方向折射率連續(xù)變化，而在垂直于法線的水平方向上折射率保持不變。甚至由于實際應用的需要，人們己經(jīng)不僅僅滿足于單純某一波段的紅外増透，更是希望在改變?nèi)肷浣菚r依然能具有較好的増透效果。然而入射角度的變化勢必會產(chǎn)生偏振影響。據(jù)此，Baumeister和Costich在早期就考慮過消偏振理論。但在實際光學薄膜實驗中消偏振問題一直是一大難題，對于紅外増透薄膜更是如此。國內(nèi)紅外消偏振紅外増透膜的研究也一直在繼續(xù)，比如高曉丹在AI2O3基底上設計出的3?5μm波段紅外増透膜，在入射角0°?60°范圍內(nèi)變化時依然具有較好透射光譜特性，大大改善了因入射角變化而導致的偏振分離?？偠灾?，隨著紅外技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應用，人們對紅外増透膜的需求及要求亦越來越高，從而迫使對紅外増透膜的研究內(nèi)容也越來越豐富。

2紅外增透保護膜

隨著紅外技術(shù)在各個領域的應用日益増多，尤其是軍用方面紅外技術(shù)的應用和發(fā)展，人們對紅外窗口材料的光學和物理化學性能提出了更高的要求（其中包括透過率和各種耐環(huán)境性能）。常見的紅外窗口材料機械性能普遍較差，難以承受光學器件使用環(huán)境中高速飛行的粒子以及水滴的沖擊，將會出現(xiàn)膜層的潮解吸濕甚至脫落，尋找既能起増透作用又能達到很好保護作用的紅外増透膜顯得十分必要，紅外増透膜保護膜的研究很好地解決了這一問題。

2.1常見保護膜

對于大多數(shù)紅外光學材料來說，其耐摩擦、耐腐蝕等性能都普遍較差，所以在實際應用中為了對其進行保護，在其表面鍍制特定的紅外保護膜是一種簡單而又有效的手段。常用的紅外保護膜有金剛石薄膜、類金剛石（DLC）薄膜、碳化鍺（GexC1-x）薄膜和磷化物薄膜等。

金剛石保護膜：金剛石是自然界己知硬度最高的物質(zhì)，其綜合了也是唯一同時具備透光性、耐熱沖擊性性能的材料；而且金剛石對水和固體顆粒沖擊以及化學腐蝕均具有高度耐久性。除此之外，金剛石在紫外、可見、紅外波段均具有良好透過性，具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、熱導率高、熱膨脹系數(shù)小、熱沖擊性好、耐摩擦性能好、化學性能穩(wěn)定、抗酸堿腐蝕等優(yōu)點，因而成為優(yōu)異的窗口和頭罩材料。但天然金剛石過于昂貴，不利于廣泛使用，CVD（Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積）金剛石是我們常用的一種人造金剛石，完全可以替代天然金剛石作為紅外元件的基底，同時也可用作紅外光學元件的保護膜和増透膜。

類金剛石薄膜（diamond-like carbon，DLC）：隨著對金剛石材料的深入研究和廣泛應用，其工業(yè)需求亦越來越廣泛。但工業(yè)化制備金剛石的工藝條件比較難以實現(xiàn)，因此科學研究者期望找到其它可以替代金剛石的功能材料。1971年Aisenberg等首次采用離子束沉積方法制備了一種堅硬的碳膜，其化學組成、硬度、光學透過率、折射率、抗腐蝕性以及抗摩擦性均與金剛石材料類似。因此，將這種材料稱之為類金剛石薄膜。類金剛石薄膜具有優(yōu)異的物理化學性能，具備耐腐燭、耐鹽霧、耐潮濕等性能，在對紅外光學元件的保護作用方面起著舉足輕重的作用。與金剛石相比，DLC具有制備方法簡單、制備溫度低、表面光 滑、折射率在一定范圍內(nèi)可調(diào)（1.6?2.9），易于實現(xiàn)對Si、Ge等材料紅外増透等優(yōu)點，從而成為紅外光學増透和保護膜的首選材料之一。張萬虎等在8?12μm范圍內(nèi)，在φ200mm的Ge基片上鍍制的光學器件，其峰值透過率為63.8%，平均透過率達62%。廖顯伯等在石英晶體上制備厚度為230nm的DLC膜，結(jié)果顯示在波長大于480nm的可見光區(qū)和近紅外區(qū)的透過率大于83%。

碳化鍺薄膜：與DLC膜相比，碳化鍺具備薄膜內(nèi)應力小、吸收系數(shù)低等優(yōu)點，而且其折射率也可根據(jù)成分的不同在1.7?4.0之間變化，從而使得多層膜系的設計更加容易實現(xiàn)。比如宋建全等利用GexC1-x均勻膜系實現(xiàn)了特定波段內(nèi)的高效増透保護，利用GexC1-x非均勻膜系實現(xiàn)了寬波段増透保護。

磷化物薄膜：磷化物涂層抗蝕性能強，目前常用的磷化物涂層有磷化硼（BP）和磷化鎵（GaP）。其 中，BP的硬度遠高于GaP，但其増透效果有限；GaP吸收系數(shù)雖更低，但其保護性能比BP稍差。因而，在實際應用中，常把BP和GaP作為復合膜系一起使用，最終得到兼具GaP膜系的増透效果和BP膜系的保護效果。

2.2其它保護膜

除上述常用紅外増透保護膜外，根據(jù)實際需要，還有許多其它材料也是重要的紅外増透保護膜。比如劉偉等在ZnS襯底上鍍制氮氧化鉿保護膜后薄膜硬度大大増強同時研究波段透過率并沒有顯著降低；氮化鋁（AlN）可用作高溫環(huán)境下的紅外増透保護膜，閆鋒等在CVD金剛石上鍍制AlN/Ge膜系，高溫下該保護膜對金剛石依然有很好的保護作用且并未顯著影響其増透效果；另外，為提高金剛石膜的紅外透過率和高溫抗氧化性能，郭會斌等在光學級金剛石自制成膜表面制備了氧化釔（Y2O3）薄膜，在高達950°C的溫度下暴露30s后該薄膜表面并未造成明顯損傷，且仍能保持良好増透效果。

3未來發(fā)展與展望

隨著光學器件的飛速發(fā)展，人們對紅外増透膜的需求將會越來越大，要求也會越來越高，對紅外増透膜的不斷研究與改進亟待進一步開展。

從薄膜材料著手，一方面是新材料的開發(fā)與應用；另一方面是對現(xiàn)有材料的充分利用，比如美國NSF先進材料與智能結(jié)構(gòu)中心的Wei等在KrF脈沖激光沉積DLC膜時摻入原子百分比低于5%的硅，發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)應力降低，而且耐磨性顯著提高。

先進的儀器設備是制備高性能紅外増透薄膜的前提與基礎，電子束蒸發(fā)相比與電阻蒸發(fā)擁有更高的能量；離子束輔助沉積技術(shù)（簡稱IBAD）的出現(xiàn)，使得所制備的薄膜更加致密、均勻，且薄膜的附著力大大提高；離子束派射設備的應用，使得薄膜的致密性再次提高，而且可以制備出更加精密的薄膜?？傊粩喔赂酉冗M精密的儀器設備也是提高薄膜質(zhì)量的重要手段。

研究方法的創(chuàng)新更是重中之重，紅外増透設計不應僅僅局限于光學薄膜的制備，鄭華等設計的類光子晶體納米柱陣列減反結(jié)構(gòu)相對于減反膜在工作波段擁有更好的減反效果。趙耐麗也通過設計納米凸起結(jié)構(gòu)、納米孔洞結(jié)構(gòu)及納米光柵結(jié)構(gòu)3類5種仿生増透納米光柵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了近紅外及中紅外波段的増透效果。